x
Responsive Menu Clicked Image

VĚDECKÁ ČINNOST

»  Nedifrakční světelné svazky

Ohyb (difrakce) je přirozenou vlastností světla, která prokazuje jeho vlnovou podstatu. V důsledku difrakce nelze experimentálně realizovat světelný svazek, který vytváří stopu malých rozměrů a jeho energie přitom postupuje jediným směrem uvnitř úzké válcové trubice.  Ve skutečnosti energie postupuje rozbíhavou kuželovou trubicí, jejíž úhel je tím větší, čím je stopa svazku menší. Tento projev difrakce je důsledkem obecného principu reprezentovaného relací neurčitosti mezi polohou a hybností fotonu.

NEURČITOST POLOHY A HYBNOSTI FOTONU


Rovinná vlna:

  • úplná neurčitost polohy (konstantní amplituda)
  • jednoznačně určená hybnost (směr šíření )

Důsledky ohybu:

  • nelze realizovat světelný paprsek
  • svazky mají omezený dosah
  • optické systémy mají omezenou možnost rozlišení detailů

 

2_

NEDIFRAKČNÍ SVĚTELNÝ SVAZEK

V 90. letech minulého století bylo zjištěno, že zákonitosti optiky, matematicky formulované v Maxwellových rovnicích, připouštějí šíření světla v úzké nekonečně dlouhé nerozbíhavé trubici. Takové světelné svazky jsou známé jako nedifrakční svazky. Přestože existuje nekonečný počet různých typů nedifrakčních svazků, jejich energie je ve všech případech nekonečná a svazky tohoto typu nemohou být v přesné podobě experimentálně realizovány. V experimentálních podmínkách mohou být nedifrakční svazky realizovány jako pseudo-nedifrakční svazky, jejichž přiblížení vlastnostem nedifrakčních svazků je tím lepší, čím více energie bylo použito v experimentu. Pseudo-nedifrakční svazky mají řadu neobvyklých vlastností a jsou využívány v optických manipulacích, optických komunikacích, mikroskopii, metrologii, digitální holografii a elektronových urychlovačích.


1

 TYPY NEDIFRAKČNÍCH SVAZKŮ

Ideální nedifrakční svazky představují přesná řešení Helmholtzovy rovnice, kterou lze získat z Maxwellových rovnic. Skalární komplexní amplitudu nedifrakčního svazku, postupujícího podél osy z,  lze v obecném případě zapsat jako U(x,y,z) =u(x,y) exp(-iβz). Detekovaná intenzitní stopa svazku I(x,y)=|u(x,y)|²  je potom nezávislá na vzdálenosti z a zůstává při šíření svazku nezměněna. Při řešení Helmholtzovy rovnice v různých souřadných systémech je amplituda svazku u(x,y) dána známými speciálními funkcemi, které dávají názvy jednotlivým typům svazků. Nejznámější jsou svazky popsané Besselovými, Mathieovými nebo Airyho funkcemi. Pomocí integrálního popisu lze získat nekonečný počet nedifrakčních svazků s téměř libovolnou intenzitní stopou.


11_1

 

 Další čtení v češtině
 Z. Bouchal, JMO 2012 

Odkaz na pdf soubor

 

Další čtení v angličtině
 Z. Bouchal, Czech J. Phys. 2003 

Odkaz na pdf soubor

POLARIZAČNÍ STAVY NEDIFRAKČNÍCH SVAZKŮ

V učebnicích optiky se uvádí, že světlo je příčné elektromagnetické vlnění, jekož elektrické a magnetické pole kmitá v rovině kolmé ke směru šíření. To lze snadno demonstrovat na příkladu ideální rovinné elektromagnetické vlny. Tato vlna je obvykle také použita pro studium polarizačních stavů, které se odlišují trajektorií, po které se pohybuje koncový bod vektoru elektrické intenzity při časových a prostorových změnách. V obecném případě je tato trajektorie eliptická, ve speciálních případech kruhová nebo přímočará. U rovinné elektromagnetické vlny je polarizační stav ve všech bodech vlnoplochy shodný. U reáných vln je přípustná i jiná situace. Polarizační stav je obecně prostorově proměnný a může být různý v jednotlivých bodech vlnoplochy. Druhou odlišností je to, že elektrická a magnetická pole nejsou přesně příčná a za vhodných podmínek  mohou mít silnou podélnou složku orientovanou podél  dominantního směru šíření energie. Zmíněné odlišnosti polarizace reálných světelných vln od ideální rovinné elektromagnetické vlny nabývají na významu u nedifrakčních svazků, jejichž vektorové vlastnosti byly poprvé prozkoumány v LDO. Nejjednoduššími svazky s prostorově proměnnou polarizací jsou radiálně a azimutálně polarizované světelné svazky, které jsou využívány k překročení difrakčního limitu rozlišení při fokusaci a zobrazování a pro účinné urychlování elektronů.


2

nsv_13_odkazy

LDO: První vektorová analýza nedifrakčních svazků

 Z. Bouchal and M. Olivík, J. Mod. Opt. J. Mod. 42, 1555 (1995).  Odkaz na pdf soubor icon-download

Využití: Subdifrakční rozlišení s radiální polarizací

 R. Dorn et al, Phys. Rev. Lett. 91, 233901 (2003).

1

REGENERACE NEDIFRAKČNÍCH SVAZKŮ

Unikátní vlastností nedifrakčních svazků je schopnost  jejich samovolného obnovení pokud byly porušeny překážkou, která jim stojí v cestě. V LDO bylo poprvé teoreticky i experimentálně prokázáno, že nedifrakční svazek dopadající na nepropustnou překážku je porušen jen v malé oblasti, jejíž délka se dá jednoznačně určit, a při následném šíření dojde k úplné regeneraci původního svazku. Jediným důsledkem působení poruchy je potom úbytek energie rekonstruovaného svazku. Samoobnovení svazků je úspěšně využíváno v mikroskopii a optických manipulacích.


16_1

LDO: První demonstrace regenerace nedifrakčních svazků

  Z. Bouchal et al, Opt. Commun. 151, 207 (1998).  Odkaz na pdf soubor

LDO: Demonstrace obnovení vírových svazků

  Z. Bouchal, Opt. Commun. 210, 155 (2002).  Odkaz na pdf soubor

nsv_21_1

nsv_21_2

nedif_sv_obnoveni_animace1

nsv_21_3

Publikační výstupy LDO v oblasti Nedifrakčních svazků zde