Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Развит метод функционального структурирования граней нелинейных кристаллов с использованием сфокусированного ионно-лучевого травления. Экспериментально и теоретически изучена дифракция ближнего поля на периодической нелинейной решетке, полученной предложенным методом. Получены изображения Тальбота на частотах первой и второй гармоники одновременно. Пространственные интерференционные картины для указанных частот являются индивидуальными, что может обеспечить более точное оптическое тестирование периодических структур, пространственное согласование оптических мод на обеих частотах и демультиплексирование излучения с разделением по длине волны. Это представляет интерес для разработки эффективных оптических компонент для создания интегральных устройств фотоники, предназначенных для преобразования спектральных и пространственных характеристик световых пучков. Описано влияние эффекта апертуры на ковер Тальбота. Изучен эффект Тальбота, возникающий при дифракции Френеля на индуцированной рамановской решетке (ИРР), которая наводится в атомной среде при рамановском взаимодействии пробного поля со стоячей волной накачки. Рассмотренная решетка представляет собой периодическую пространственную модуляцию рамановского усиления и кросс-керровского показателя преломления в поле стоячей волны накачки. ИРР является искусственной периодической структурой с контролируемыми оптическими свойствами. При распространении пробной волны нормально к стоячей волне, ИРР может работать как дифракционная решетка с усилением. Проанализированы особенности целочисленного и дробного эффекта Тальбота на одномерной и двумерной ИРР в различных условиях и показана возможность контролирования дифракционных структур в плоскостях Тальбота и вблизи них. Интенсивность поля в плоскостях Тальбота может существенно (на два и более порядков) превышать интенсивность пробного поля на входе решетки, а дифракционными структурами можно динамически управлять путем варьирования интенсивности поля накачки и периода стоячей волны. Установлено, что вблизи плоскостей Тальбота существуют плоскости, в которых степень пространственной локализации дифракционных структур увеличивается по сравнению с таковыми в плоскостях Тальбота, и, как следствие, повышается интенсивность поля в дифракционных максимумах. На основе полученных результатов предложен способ усиления изображений в плоскостях Тальбота, что может найти применении в фотолитографии. Интенсивность поля накачки, необходимая для наблюдения рассмотренных эффектов, зависит от ряда факторов и может составлять 10 мВт/см2 и менее. Полученные результаты могут представлять интерес для микроскопии на основе эффекта Тальбота, фотолитографии, создания управляемых массивов излучателей и др.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Предложен обобщенный метод получения фазовых голограмм для формирования дифракционных картин, содержащих пучки с орбитальными угловыми моментами. В основе метода лежит метод суперпозиции гармонических функций с заданными пространственными частотами и топологическими зарядами. Численно показано и экспериментально продемонстрировано, что предложенный подход позволяет контролировать количество дифракционных максимумов в каждом порядке, их пространственные частоты и распределение интенсивности между ними, а также задавать определенный орбитальный угловой момент для каждого максимума. Экспериментально показано, что данный подход может использоваться для генерации как одиночных пучков, так и множества пучков с суперпозицией нескольких орбитальных угловых моментов. Показано, что разработанный подход позволяет получать как регулярные, так и нерегулярные двумерные массивы пучков с заданными орбитальными угловыми моментами в каждой позиции. Экспериментально и теоретически изучена дифракция оптических вихрей в ближней зоне на двумерной амплитудной решетке. Показана возможность формирования регулярных массивов оптических вихрей. Экспериментально обнаружен эффект Тальбота для оптических вихрей, и впервые экспериментально получены ковры Тальбота в видимом диапазоне спектра. Показано, что сложные распределения дифрагированного поля (бимлеты) в плоскостях Тальбота имеют фазовые сингулярности (оптические вихри), а распределение интенсивности имеет кольцевую структуру с неоднородным пространственным распределением. При этом топологический заряд (ТЗ) оптических вихрей в дифрагированном поле в целых и дробных плоскостях Тальбота равен ТЗ падающего светового пучка, т.е. ТЗ падающего на решетку вихревого пучка при дифракции сохраняется. Численно показано, что фазы в пределах элементарной ячейки в целочисленных плоскостях Тальбота имеют сложную структуру с фазовыми сингулярностями противоположного знака («вихри» и «антивихри»), поэтому результирующий ТЗ в элементарной ячейке равен нулю. Также показано, что пространственная конфигурация дифрагированного светового поля представляет собой сложную трехмерную решетку пучкообразных оптических вихрей. По экспериментальным данным была восстановлена элементарная ячейка решетки оптических вихрей и продемонстрирована пространственная эволюция интенсивности дифрагированных пучков и фазовых сингулярностей. Установлено, что для определенных плоскостей Тальбота наблюдается эффект самовосстановления оптических вихрей, состоящий в сглаживании центрального провала в кольцевом распределении интенсивности. Эффект обусловлен поперечным потоком энергии из периферийной высокоинтенсивной области кольцевого пучка в центральную область нулевой интенсивности. Исследования показали, что эффект самовосстановления проявляется по-разному в зависимости от величины ТЗ падающего пучка и проявляется на ограниченном числе плоскостей Тальбота. В условиях эксперимента наблюдается в 3, 4 и 5 плоскостях Тальбота при ТЗ l = +1 и в 4-7 плоскостях Тальбота при l = +3. Результаты расчетов согласуются с экспериментальными данными. Полученные результаты могут быть использованы для создания и оптимизации 3D-решеток оптических вихрей для широкого спектра областей применения. Исследован процесс генерации второй гармоники в условиях френелевской дифракции на периодической структуре. Показано, что данный эффект может привести к увеличению эффективности генерации второй гармоники за счет дифракции излучения основного излучения. В текущем отчетном периоде опубликованы следующие работы: 1. V.G. Arkhipkin and S.A. Myslivets, Talbot effect based on a Raman-induced grating, Phys. Rev. A 100, 063835 (2019); 2. Denis A. Ikonnikov and Andrey M. Vyunishev, Tailoring diffraction of light carrying orbital angular momenta, Opt. Lett. 45, 3909-3912 (2020); 3. Denis A. Ikonnikov, Sergey A. Myslivets, Mikhail N. Volochaev, Vasily G. Arkhipkin, Andrey M. Vyunishev, Two-dimensional Talbot effect of the optical vortices and their spatial evolution, Sci. Rep. 10, 20315 (2020).

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
1. Рассмотрена генерация второй гармоники в условиях эффекта Тальбота. Теоретически и экспериментально показано, что генерируемое излучение второй гармоники представляет собой самоизображения исходной маски. Данный подход открывает новые возможности для нелинейно-оптического структурирования волнового фронта световых полей. 2. Актуальной задачей оптики и фотоники является формирование регулярных массивов оптических вихрей, характеризующихся фазовыми сингулярностями с определенным топологическим зарядом. Возможным решением указанной задачи является использование эффекта Тальбота, под которым принято понимать дифракционное самовоспроизведение изображения периодического объекта на расстояниях кратных длине Тальбота. В рамках проекта теоретически рассмотрено и экспериментально продемонстрировано формирование световых решёток из оптических вихрей на двумерной амплитудной решётке, освещаемой вихревыми лазерными пучками с различными топологическими зарядами. Распределение светового поля за решёткой характеризуется периодичностью по трём пространственным координатам, происхождение которой объяснено эффектом Тальбота. Световое поле в плоскостях Тальбота представляет собой пространственно-периодическую структуру с количеством структурных элементов трансляции (элементарных ячеек), совпадающим с числом отверстий в решётке. Каждый элемент содержит фазовые сингулярности, при этом интенсивность в пределах элементарных ячеек имеет асимметричное угловое распределение в окрестности точки сингулярности. При смене знака топологического заряда падающего света, наблюдаемая картина инвертируется. Установлено, что суммарный топологический заряд светового поля, ограниченного областью объекта, в точности соответствует топологическому заряду падающего излучения. В работе получены оптические решётки с размерностью 40×40×5 узлов, содержащие 8000 узлов. Обнаружено зарождение оптических вихрей, их пространственная миграция и аннигиляция в пределах оптической решётки. По результатам работы подготовлена и опубликована статья "3D Optical Vortex Lattices" [Annalen Der Physik. 533, 2100114 (2021)]. Визуализация трехмерной оптической решетки из работы авторов выбрана в качестве иллюстрации на обложку выпуска журнала Annalen Der Physik – авторитетнейшего и, одного из старейших, физических журналов (https://onlinelibrary.wiley.com/toc/15213889/2021/533/7). 3. Предложен и изучен эффект Тальбота при дифракция Френеля селективно отраженной пробной волны на границе раздела диэлектрик–атомарная среда в условиях рамановского взаимодействии пробного поля со стоячей волной накачки, сформированной вдоль границы раздела. В указанных условиях коэффициент отражения является периодической функцией координаты вдоль границы раздела. Когда пробное поле распространяется нормально к границе раздела, указанная структура может работать как отражательная дифракционная решетка. Параметрами такой решетки можно управлять, изменяя интенсивность, рамановскую отстройку от двухфотонного резонанса или период стоячей волны. Пространственное распределение дифракционных картин в плоскости наблюдения существенно зависит от расстояния до границы раздела сред, интенсивности поля накачки, рамановской отстройки и периода стоячей волны накачки. Показано, что в ближней дифракционной области имеет место эффект подобный эффекту Тальбота. На расстоянии, равном длине Тальбота ZT и 1/2ZT, дифракционные картины являются обычными изображениями Тальбота, но при 1/2ZT, дифракционные паттерны смещены на полупериод. В дробных плоскостях 1/3ZT и 1/4ZT также наблюдаются периодические дифракционные картины с периодом, равным периоду стоячей волны, но их пространственное распределение кардинально отличается от распределения поля на границе раздела и зависит от поля накачки и рамановской отстройки. Они не являются изображениями пробного поля на границе раздела, но дифракционные паттерны периодически повторяются. Интенсивность дифракционных картин селективно отраженной волны может быть значительно больше, чем в случае решетки на основе электромагнитно индуцированной прозрачности. 4. Развит универсальный метод синтеза бинарных фазовых голограмм для формирования массивов пучков оптических вихрей с заданными топологическими зарядами, пространственными частотами и относительной интенсивностью. Основу метода составляет расчет функции суперпозиции гармонических функций, в которые параметрически входят топологический заряд и пространственная частота, соответствующего оптического вихревого пучка. Указанный подход не использует обратное Фурье преобразование и позволяет получать произвольные массивы оптических вихрей с заданными топологическими зарядами, которые не могут быть получены с помощью обычных вилкообразных решеток. Теоретически предсказано и экспериментально подтверждено, что в данном подходе топологический заряд отдельных оптических вихрей, генерируемых с помощью бинарных фазовых голограмм, может быть предопределен на заданной пространственной частоте при освещении бинарной фазовой голограммы лазерным пучком с нулевым топологическим зарядом. Результаты расчетов подтверждаются экспериментальными данными, в том числе интерферометрическими измерениями. Экспериментально показана возможность синтезирования сложных световых полей. В текущем отчетном периоде опубликованы и подготовлены следующие работы: 1. D.A. Ikonnikov, S.A. Myslivets, V.G. Arkhipkin, A.M. Vyunishev, 3D Optical Vortex Lattices, Annalen der Physik 533, 2100114 (2021). 2. D.A. Ikonnikov, V.A. Fokin, A.M. Vyunishev, Binary phase holograms for synthesizing complex optical vortex arrays, Optics and Lasers in Engineering, направлена в печать. 3. S.A. Myslivets, V.G. Arkhipkin, Talbot effect of selective reflection from an induced Raman grating, Physical Review А, подготовлена рукопись.