Fyzikální vlastnosti, experimentální realizace a využití optických vírových polí

Mgr. Michal BARÁNEK

Doctoral thesis

Abstract:

Disertační práce se zabývá optickými víry, specifickým typem polí, charakterizovaných spirální fázovou strukturou. Práce se skládá ze dvou hlavních částí. První část shrnuje současné poznatky z oblasti optických vírů, v druhé části je prezentována činnost zaměřená na experimentální ověření existujících metod a jsou diskutovány vlastní výsledky, rozšiřující možnosti využití spirální fázové modulace. Na úvod první kapitoly je vysvětlena fyzikální podstata optických vírů. Dále jsou ukázány vlastnosti vírových polí, je popsáno chování světelných vírů vytvořených v nosném koherentním svazku a jsou představeny různé způsoby jejich generace a detekce. Významná část úvodního přehledu je věnována praktickému využití vírových polí. Postupně jsou zmíněny možnosti uplatnění spirální fázové modulace v různých oblastech moderní optiky jako jsou optické mikromanipulace, kódovaný přenos informace či optické zobrazování. Najvýznamnějším výsledkem části zaměřené na ověřovací experimenty je vytvoření numerického algoritmu umožňujícího adaptivní korekci vlnových aberací. Jako vstupní parametr algoritmu slouží spirálně modulovaný obraz bodového zdroje zaznamenaný na CCD detektor. Výstupem algoritmu je korekční fázová mapa, jejíž promítnutí na aktivní plochu prostorového modulátoru světla umožňuje výraznou kompenzaci vlnových aberací optických prvků použitých v systému. Vytvořený program má potenciál k dalšímu využití v rámci experimetů plánovaných v laboratoři digitální optiky na Katedře optiky. Hlavním vědeckým přínosem disertační práce je návrh a experimentální ověření nových metod spirální modulace, které pracují s diskrétními úrovněmi fáze a umožňují zobrazení s rotující bodovou rozptylovou funkcí. Typickou vlastností takového zobrazení je rotace nesymetrické intenzitní stopy představující obraz bodového předmětu, která nastává v souvislosti s rozostřením optického systému. Vlastnosti bodové rozpylové funkce vytvořené prezentovanou metodou jsou detailně analyzovány a porovnány s již známýni způsoby generace. Mezi výhody navržené metody patří především možnost optimálního nastavení důležitých vlastností zobrazení, jako jsou tvar intenzitní stopy a citlivost rotace, pomocí volných parametrů modulační masky. Teoretické závěry byly ověřeny v rámci experimentu, ve kterém byla navržená maska vytvořena pomocí prostorového modulátoru světla.

Abstract:

Singular optics is one of the important and increasingly evolving areas of modern physics with a number of unique effects and wide range of applications in both science and technology. Optical singularities are associated with places, where the parameters of optical waves are not uniquely determined. The optical singularities emerge in polarization states, wavefronts of light waves or ray caustics. In the doctoral thesis, the main attention is focused on phase singularities, which can be classified as edge, screw and mixed wavefront dislocations. The screw phase dislocations, called optical vortices, are summarized in a comprehensive study including physical properties and basic experiments for generation and detection of the vortex beams. Applications of light vortices in optical micromanipulation and free-space communications are reviewed with particular emphasis on utilization of vortex interference effects in optical imaging. The imaging vortex applications, which represent the main research topic of the doctoral thesis, are investigated in two different approaches leading to experiments for aberration correction in optical microscopy and localization and tracking of microobjects in biophotonics. The main research activities are supported by auxiliary experiments devoted to the optimization of light shaping techniques in vortex generation and implementation of a compact microscope with the built-in spatial light modulator. As the main outcomes of the doctoral thesis, novel experimental techniques of vortex imaging were developed operating with defocusing induced rotation of the image. By these methods, the three-dimensional localization and tracking of microscopic particles was realized based on a precise evaluation of the angular rotation of the asymmetric image spot, called double-helix point spread function (DH PSF). The theoretically predicted optical performance of the methods was verified experimentally and the achieved results were compared to the outcomes of other research groups.

Keywords

optické víry, spirální fázová modulace, prostorový modulátor světla, optické zobrazování

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 1. 4. 2016

Accessible from:: 1. 4. 2016

Thesis defence

• Supervisor: prof. RNDr. Zdeněk Bouchal, Dr.

PALACKÝ UNIVERSITY OLOMOUC

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics / Optics and Optoelectronics