Structured optical beams for the study of nano-objects

Bc. Dmitry Molchanov

Diplomová práce

Abstract:

Tato magisterská práce zkoumá metody generování strukturovaných laserových svazků (SLB), které jsou charakteristické středem s maximální intenzitou, jehož příčné rozměry jsou menší nežli vlnová délka, Práce se zaměřuje na optické konfigurace využívající kombinace kulových a sférických čoček, telecentrických objektivů a specializovaných fázově-transformujících prvků. Byla provedena experimentální analýza SLB svazků za účelem vyhodnocení možnosti tvorby SLB s vysokou prostorovou lokalizací a samo-rekonstrukčními vlastnostmi. Byly použity různé konfigurace svazku, včetně koaxiálních a dutých SLB svazků. Tyto byly adaptovány v mikroskopu Olympus 60 BX60. Byla provedena srovnávací studie vlastností svazků, rozložení intenzity a interakce s nano - a mikrometrovými vrypy, prachovými částicemi, nečistotami a jinými defekty na povrchu. Tyto svazky umožňují efektivní detekci objektů nacházejících se také mimo ohniskovou rovinu klasického mikroskopu. Úspěšně byl vygenerován SLB, který se zásadně liší od klasického Gaussova svazku. Tento svazek vykazuje středovou část o průměru menším nežli vlnová délka, a nízkou úhlovou divergenci. Divergence je výrazně menší, nežli udává běžný difrakční limit. Byl určen přibližný rozměr centrální oblasti tohoto svazku. Práce obsahuje jak teoretické podklady, tak výsledky praktického měření vybraných vzorků. Může sloužit jako základ pro vývoj vysoce citlivých systémů pro diagnostiku povrchů s využitím optické mikroskopie.

Abstract:

This master's thesis investigates methods for generating structured laser beams (SLBs) characterized by a maximum intensity center with subwavelength transverse dimensions. The work focuses on optical configurations employing combinations of ball and spherical lenses, telecentric lenses, and specialized phase-transforming elements. An experimental analysis was conducted to assess the feasibility of producing SLBs with high spatial localization and self-healing properties. Various beam configurations were implemented, including coaxial and hollow SLBs to the body of Olympus 60 BX60 microscope. A comparative study of beam stability, intensity distribution, and interaction with nano- and micro-scale scratches, dust particles, impurities and other defects on surface features was carried out. The results demonstrate the high sensitivity and diagnostic potential of the proposed approach in the context of optical metrology, nanoscopic imaging, and surface defect detection. A narrow SLBs, fundamentally different from the classical Gaussian beams, were successfully generated. This beam exhibits a subwavelength central maximum and a low angular divergence that significantly surpasses the conventional diffraction limit. An approximate estimation of the beam's central region dimensions was achieved. The thesis offers both fundamental insights and practical relevance and may serve as a foundation for the development of high-sensitivity optical diagnostic systems.

Keywords

Strukturované laserové svazky, subvlnová struktura, Besselovy svazky, koaxiální svazky, mikroskopie, nanometrologie, S-destička.

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 9. 5. 2025

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: doc. RNDr. Miroslav Šulc, Ph.D.

Technická univerzita v Liberci

Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií

Magisterský studijní program / obor:
Nanotechnologie / Nanotechnologie