Difraktsiooninähtusi, ehk valguse lainelisest iseloomust põhjustatud efekte, on tavaks uurida pidevas valgusväljas, st. valgusallikaga, mis kiirgab väga kitsas lainepikkuste vahemikus (tüüpiliselt alla 1 nm), sest sel juhul on difraktsioonipilt selge ja teravalt nähtavate heledus-tumedusribadega. Üheks huvitavaimaks ja kasulikke rakendusi leidnud difraktsiooninähtuseks on möödunud sajandi lõpus avastatud nn Bessel kimbud. Besseli valguskimbu levides säilib tema keskel olev laserikiirest palju peenem maksimum ning seda ümbritsevad heledusrõngad teravaina paljude meetrite ulatuses – justnagu difraktsioonilist laialivalgumist polekski.
Üks paremaid viise sellist “difraktsioonivaba” valguskiirtekimpu saada on paigutada laserikiirde ringsümmeetriline difraktsioonivõre. Kui võre moodustavad kontsentrilised kindla sügavusega ringvaod klaasplaadil, siis on tegemist nn faasivõrega, kus ei toimu valguse kadu neeldumise läbi.
Joonise 1. Suurendatud pilt binaarset faasi tekitavas ringsümmeetrilisest difraktsioonivõrest. Pildil nähtavad ringid on vaheldumisi erineval tasandil, 940 nanomeetrise kõrguste vahega.
Kitsa spektraalse koostisega valgustuse puhul on aga nähtav valgusväli vaid difraktsioonprotsessi n.-ö. valmis tulemus. Difraktsiooni käigu filmilindina lahtimängimiseks oleks tarvis valgustus- ja katsetingimustega minna teise äärmusse — kasutada impulssvalgustust ja valgusvälja ajalise lahutusega registreerimist. Seni ei oldud seda praktiliselt tehtud vajalikule katseseadmele esitatavate keeruliste tingimuste tõttu.
Esiteks, valgusimpulss peab olema sedavõrd lühike, et vaatamata tema liikumiskiirusele 300 tuhat km sekundis (valguse kiirusel), oleks impulsil levisuunalist n.-ö. paksust vähem kui seebimullikilel. Teiseks, ka valgusvälja registreerimine peab (lisaks mikromeetrilisele (10-6 m) ruumilisele lahutusele) toimuma impulsi kestusele vastava ajalise lahutusega femtosekundi (10-15 s) suurusjärgus. Olgu näitlikustamiseks märgitud, et femtosekund on sekundist umbes samapalju lühem, kui seebimullikile paksus Maa ja Kuu vahekaugusest.
Käesoleval juhul on mõõdetavaks optiliseks elemendiks ringsümmeetrilised difraktsioonivõred (vt. Joonis 1.), mida oleme uurinud SEA TADPOLE meetodiga [allikas]. Sellised võred tekitavad impulssvalgustuse režiimis mittedifrageeruva lainevälja. Joonisel 2. võib näha ringvõrede taga tekkivat difraktsioonipildi läbilõiget ning märgata difraktsiooni järkudest tekkinud interfereeruvaid impulsse. Mida kõrgem järk (sisuliselt nurk, mille all valgus pärast ringvõret levib), seda aeglasem sellest tekkiva impulsi levikukiirus ning tihedam ristsuunaline modulatsioon (heledad ja tumedad alad). Ringvõre kastiprofiilist tingituna tekivad võre taha vaid paaritud järgud, mida kinnitab kvalitatiivselt ka modulatsioonimustri tiheduse võrdlus erinevate järkude vahel. Mõõtetulemuste valideerimiseks kirjutatud simulatsioonide jaoks kasutati Tartu Ülikooli teadusarvutuste keskuse arvutusresurssi. Mõõtmised viidi läbi Atlantas koostöös Rick Trebino uurimisrühmaga.
Joonise 2. Ringsümmeetriliste binaarset faasi tekitavate difraktsioonivõrede taga tekkiv väli |E(x,y=0,z,t)| , impulssvalgustuse korral. Üleval mõõtetulemus, all simulatsioon.
Allikas:
M. Lõhmus, P. Bowlan, P. Piksarv, H. Valtna-Lukner, R. Trebino, P. Saari. “Diffraction of ultrashort optical pulses from circularly symmetric binary phase gratings”. Optics Letters, Vol. 37, Issue 7, pp. 1238-1240 (2012), http://www.opticsinfobase.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-37-7-1238
Leave a Reply