مطالعۀ نظری و تحلیلی باریکه‌های فرش‌ شعاعی بر اساس تابش گاوسی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه فیزیک، دانشگاه لرستان، خرّم آباد

2 گروه فیزیک، دانشگاه اراک، اراک

چکیده
با توجه به این‌که در اکثر کاربردهای عملی از نمایه‌‌های باریکۀ گاوسی لیزرها استفاده می‌شود، در این پژوهش، فراتر از تقریب موج تخت، برهم‌کنش یک باریکۀ گاوسی همدوس با یک ساختار نوری دوبعدی جدایی‌پذیر بررسی شده است. بدین‌ترتیب، چارچوبی واقع‌بینانه‌تر برای توصیف پراش باریکۀ نوری توسعه می‌دهیم که شرایط تجربی دنیای واقعی را بهتر بارتاب می‌دهد. نتایج نشان می‌دهند که این فرآیند علاوه بر این‌که منجر به تشکیل باریکه‌های نور ساختار‌یافته می‌گردد، با افزایش فاصلۀ انتشار، این نوع باریکه‌ها شکل و ساختار عرضی خود را حفظ می‌کنند. این ویژگی ناوردایی شکلی، آن‌ها را برای کاربردهای دقیق و کنترل‌شده در علم و فناوری بسیار ارزشمند می‌سازد. افزون بر این، اثر تغییر طول ‌موج باریکۀ فرودی بر الگوی پراش توری فاز شعاعی با نمایۀ دودویی مورد بررسی قرار می‌گیرد. تحلیل‌ها نشان می‌دهد که توزیع شدت دارای تقارن سمتی است و تعداد بخش‌های اصلی در الگوهای شدت و فاز پراش‌یافته، دو برابر تعداد پره‌های توری فازی شعاعی دودویی است. درنهایت، یک الگوی جامع و کاربردی از پراش بر پایۀ انتگرال فرنل-کیرشهف برای توصیف برهم‌کنش باریکۀ گاوسی با توری‌های فاز شعاعی دودویی در مختصات قطبی ارائه شده است. بر اساس این الگو، عبارت‌های تحلیلی میدان نوری مختلط حاصل استخراج می‌شوند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله English

Theoretical and analytical investigation of radial carpet beams based on Gaussian beam illumination

نویسندگان English

Ali Mohammad Khazaei 1
Zahra Tahmasebi 2
Ali Reza Smaeiili 2
1 Department of Physics, Lorestan University, Khorramabad, Iran
2 Department of Physics, Arak University, Arak, Iran
چکیده English

This study examines the interaction of a coherent Gaussian beam with a separable two-dimensional optical structure, going beyond the plane-wave approximation, for practical applications that utilize the Gaussian beam profiles from lasers. We develop a more realistic framework to describe the optical beam diffraction, which better matches experimental conditions. Our results demonstrate that this process forms structured light beams and preserves their transverse shape and structure over longer propagation distances. This shape-invariance property renders them particularly valuable for precision-oriented and controlled applications in science and technology. The effect of the incident beam wavelength on the diffraction pattern of a binary radial phase grating is investigated. The analyses reveal that the intensity distribution exhibits azimuthal symmetry, and the number of the principal lobes in both the intensity and phase profiles of the diffracted field is twice the number of sectors in the binary radial phase grating. A comprehensive and practical diffraction framework, based on the Fresnel–Kirchhoff integral, is formulated in polar coordinates to describe Gaussian beam interaction with binary radial phase gratings. Based on this framework, the closed-form analytical expressions are derived for the resulting complex optical field.

کلیدواژه‌ها English

Diffraction
Grating
Radial Carpet Beam
Structured Light
1.       E G Loewen and E Popov, “Diffraction gratings and applications”, CRC Press, (2018).
2.       S Rasouli, A M Khazaei, and D Hebri, J. Opt. Soc. Am. A 35 (2017) 55.
3.       M V Berry, N L Balazs, Am. J. Phys. 47 (1979) 264.
4.       G A Siviloglou, J Broky, A Dogariu, and D N Christodoulides, Phy. Rev. Lett. 99 (2007) 213901.
5.       Z Bouchal and M Olivík, J. Mod. Opt. 42 (1995) 1555.
6.       J C Gutiérrez-Vega, M D Iturbe-Castillo, and S Chávez-Cerda, Opt. Lett. 25 (2000) 1493.
7.       P Zhang, Y Hu, T Li, D Cannan, X Yin, R Morandotti, ... and X Zhang, Phy. Rev. Lett. 109 (2012) 193901.
8.       S Rasouli, et al.Phys. Rev. A 97 (2018) 033844.
9.       J W Goodman, Introduction to Fourier optics”. Roberts and Company publishers, (2005).
10.    D G Grier, Nature 424 (2003) 810.
11.    S Rasouli, D Hebri, and A M Khazaei, J. Opt. 19 (2017) 095601.
12.    J Broky, G A Siviloglou, A Dogariu, and D N Christodoulides, Opt. Express 16 (2008) 12880.
13.    I Kaminer, M Segev, & D N Christodoulides, Phy. Rev. Lett. 106 (2011) 213903.
14.    A Jesacher, A Schwaighofer, S Fürhapter, C Maurer, S Bernet, and M Ritsch-Marte, Opt. Express 15 (2007) 5801.
15.    A Forbes, M De Oliveira, and M R Dennis, Nat. Photonics 15 (2021) 253.
16.    J Bayat, F Hajizadeh, A M Khazaei, and S Rasouli, Sci. Rep. 10 (2020) 11721.
17.    A M Khazaei, D Hebri, and S Rasouli, Opt. Express 31 (2023) 16361.
18.    M Khodadadi Karahroudi, and M R Jafarfard, Iran. J. Phys. Res. 23 (2024) 597.
19.    F Diebel, M Boguslawski, T Dadalyan, R Drampyan, and C Denz, Opt. Express 24 (2016) 12933.
20.    I Bloch, J Dalibard, and S Nascimbene, Nat. Phy. 8 (2012) 267.
21.    P Polynkin, M Kolesik, and J Moloney, Phy. Rev. Lett. 103 (2009) 123902.
22.    A Couairon, and A Mysyrowicz, Phys. Rep. 441 (2007) 47.
23.    D Zwillinger, and V Moll, “In Table of Integrals, Series, and Products”, Academic Press, (2014).

تحت نظارت وف ایرانی