Praca licencjacka
Superoscylacyjne ogniskowanie wiązki poniżej ograniczenia dyfrakcyjnego |
|
Autor:Promotor:Instytucja promująca:Rok:Powiązane dokumenty: |
Michał PuzaRafał KotyńskiWydział Fizyki, UW2025https://apd.uw.edu.pl/diplomas/attachments/file/download/315344/ |
Zwykle rozmiar plamki świetlnej w ognisku jest ograniczony przez ograniczenie dyfrakcyjne do co najmniej 0,5 λ/NA, gdzie λ to długość fali światła, a NA to apertura numeryczna soczewki. Zjawisko superoscylacji pola, możliwe do uzyskania za pomocą specjalnych soczewek dyfrakcyjnych, pozwala na ogniskowanie poniżej tej granicy, otwierając nowe możliwości w obrazowaniu wysokiej rozdzielczości, litografii i manipulacji optycznej. Niniejsza praca przedstawia numeryczne badanie propagacji światła, której towarzyszą superoscylacje i które jest generowane w wyniku dyfrakcji na binarnej aperturze w kształcie dwóch półksiężyców, zgodnie z propozycją Hu et al. (Adv. Photonics, 2021), dla światła o długości fali λ = 633 nm. Porównano pod względem dokładności i efektywności obliczeniowej cztery metody wyznaczania obrazu dyfrakcyjnego: sformułowanie wektorowe oparte na całce Rayleigha-Sommerfelda (VRS), dwa modele odnoszące się do dyfrakcji Fresnela - tzw. podejście dwustopniowe oraz model wektorowy korzystający z transformaty Chirped Z (VCZT), jak również FDTD (ang. Finite-Difference Time-Domain), czyli podejście odwołujące się bezpośrednio do równań Maxwella z czasem. Podejście VRS daje plamkę ogniskową zgodną z wynikiem doświadczalnym, z symulowaną szerokością połówkową (FWHM) równą 246 nm w porównaniu z eksperymentalnie zmierzoną 242 nm. Obie wartości są poniżej ograniczenia dyfrakcyjnego, co potwierdza superoscylacyjny charakter pola. Metoda FDTD wiernie odwzorowuje struktury poza osią optyczną, ale prowadzi do błędnego określenia rozmiaru centralnej plamki, najprawdopodobniej ze względu na ograniczoną gęstość próbkowania wynikającą z ograniczeń obliczeniowych. Słabe wyniki dyfrakcji Fresnela i VCZT sugerują, że metody te stają się korzystne przy większych odległościach propagacji, gdy spełnione są założenia ich przybliżeń. Analiza płaszczyzn XZ i YZ dodatkowo ujawniła trójwymiarową strukturę pola. Przedstawione na wykresach wyniki pozwalają stwierdzić obecność oscylacji wzdłuż osi X i Y między pojedynczą plamką ogniskową a maksimami bocznymi. Dodatkowo uwydatniły również ewolucję i przemieszczanie się maksimów bocznych wzdłuż osi propagacji, dostarczając wglądu w szybkie zmiany rozkładu w płaszczyźnie XY w miarę propagacji pola. Porównanie metod podkreśla mocne i słabe strony różnych modeli propagacji oraz dostarcza praktycznych wskazówek dotyczących wyboru odpowiednich metod symulacji światła z występującymi superoscylacjami.
