مقاله تولید باریکه‌های نوری بیضوی ساختارپذیر با استفاده از تیغه فرنل خطی مارپیچی

بخشی از مقاله

چکیده

در این کار عنصر پراشی جدیدی معرفی می گردد که از ترکیب دو عدسی پراشی خطی مارپیچی با شیفت فازی بوجود می آید. خواص کانونی این عنصر جدید به ازای مقادیر مختلف بارهای توپولوژیکی مورد بررسی و شبیه سازی قرار گرفت. نشان داده می شود که حلقه نورانی بیضوی در کانون تولید می گردد. به علاوه ناحیه ای روشن کشیده شده ای که ناحیه ی تاریکی آن را در بر گرفته شده است را می توان به ازای بار توپولوژیکی مختلف تولید کرد. بنابراین می توان ساختارهای نوری یک بعدی منحصر به فردی بوجود آورد. نتایج شبیه سازی با کار تجربی کاملا تایید می شود.

کلید واژه- تیغه فرنل، تیغه فرنل مارپیچی، بار توپولوژیکی، باریکه های حلقوی

-1 مقدمه

تیغه فرنل دو بعدی از حلقههای هم مرکز دایرهای با پهناهایمختلف که نسبت به هم اختلاف فاز  دارند و به صورت نوارهای سیاه و سفید طراحی میشوند، شناخته میشوند در حالبکه تیغه فرنل خطی به جای حلقه های هم مرکز از خطوط موازی با پهناهای مختلف که نسبت به هم اختلاففاز  دارند ساخته میشوند.[1] باریکه ی نوری با جابه جاشدگی پیچشی فاز نور را گردابههای اپتیکی میگویند. این گردابههای اپتیکی در سالهای اخیر به خاطر ویژگیهای منحصر به فردشان مورد توجه بسیاری قرار گرفتهاند و کاربردهای زیادی در شاخههای متفاوت دارد .[3] در این مقاله به بررسی تولید باریکه های حلقوی بیضوی با استفاده از ترکیب مناسبی از تیغه منطقهای فرنل یک بعدی مارپیچی پرداخته شده است.

-2 طراحی و ساخت

1؛-2  تئوری مقاله

تیغهی منطقهای فرنل یک قطعهی پراشی با فازی سهموی است که وقتی نور به آن برخورد میکند نور را در در یک نقطه همگرا می کند و به همین دلیل به آن عدسی پراشی گفته می شود. تیغهی منطقهای فرنل یک تابع شبه تناوبی با دوره تناوب r1 است بنابراین میتوان تابع عبور یک تیغه فرنل را به صورت زیر که یک سری فوریه است، نوشت:[2]کار شبیه سازی با استفاده از برنامه MATLAB انجام شده است. در این شبیه سازی فرض شده است که عدسی پراشی تحت تابش موج تخت با طول موج 632,8 nm قرار می گیرند. فاصله کانونی 500mm و شعاع عدسی 8 mm است. همچنین بار توپولوژیکی دو تابع ترکیب شده با هم برابر است. اختلاف فاز دو تابع ترکیب شده را ابتدا برابر  / 4 وسپس برابر  / 8 در نظر گرفتهایم.این شبیهسازی را یک بار برای p1 , p2 برابر 2 و بار دیگر برابر 3 انجام داده و نتایج به دست آمده را بررسی کردیم. نمونه های طراحی شده در شکل 1 نشان داده شده است.

که cn مرتبههای پراش است که برای تیغهی منطقه فرنل برابر یک است و  .[3] r     2f همانطور که گفته شدجابه جا شدگی چرخشی فاز نور گردابهی اپتیکی را بوجود آورد. برای ایجاد یک گردابهی اپتیکی، یک ساختار فازی زاویهای مانند eip که زاویهی سمتی و p شار توپولوژیکی را مشخص میکند را به تابع عدسی مورد نظر وارد میکنیم.[4] شار توپولوژیکی در حقیقت جابه جایی دورانی فاز یا فاز سمتی است. وp میتوانند عددهای مختلفی به خود بگیرند که به مقدار چرخش نور بستگی دارند. گردابههای اپتیکی باعث تکینگی فازی میشود ولی تکینگی فازی دلیل بر وجود گردابه های اپتیکی نیست. تابع عبور عنصر جدید را می توان به شکل زیر نوشت :

3؛-2 بررسی نتایج آزمایشگاهی

عدسی های شبیه سازی شده با استفاده از لیتوگرافی عکاسی چاپ و در آزمایشگاه تحت چیدمانی مثل شکل 5 در مقابل لیزر هلیوم - نئون قرار گرفتند.چون فرض شده است که نور وردی به لنز طراحی شده تخت است بنابرین برای تخت شدن نور لیزر از یک عدسی کمکی با کانون یک متر استفاده شده است.

-3 نتیجهگیری

دراین مقاله خواص کانونی تیغهی فرنل جدیدی بررسی گردید که از ترکیب مناسب دو تیغه فرنل خطی مارپیچی بوجود می آید. نشان دادیم که این عنصر باریکه های بیضوی حلقوی منحصر بفردی در کانون تولید می کند که برای اولین بار گزارش می گردد. و همچنین نشان دادیم که با تغییر بار توپولوزیکی دو عنصر ترکیبی باریکه بیضوی حلقوی را می توان مدیریت کرد. از مزیت های این عدسی جدید طراحی شده به تله اندازی یک بعدی ذرات میکروسکوپی و هدایت اتم های سرد در یک بعد اشاره کرد. همان طور که انتظار داشتیم نتایج آزمایشگاهی با نتایج شبیه سازی مطابقت داشت.