Коническая рефракция — явление с почти двухсотлетней историей. С ней связанны имена таких известных ученых, как Гамильтон, Ллойд, Поггендорф, Раман и Берри. Так, при прохождении луча вдоль одной из оптических осей двуосного кристалла, свет начинает распространяться по полому световому конусу внутри кристалла, а за выходной гранью кристалла можно наблюдать полый световой цилиндр (см. рис. 1). В последние годы был опубликован целый ряд работ, демонстрирующих применение конической рефракции для создания высокоэффективных лазеров c низкой температурной чувствительностью, оптического пинцета с возможностью одновременного захвата частиц с высоким и низким коэффициентом преломления, сообщалось также о применении конической рефракции в квантовых вычислениях и квантовой криптографии, а также сверх-разрешающей микроскопии [A. Turpin et al., Laser Photon. Rev. 10(5), 750–771 (2016)], из-за чего предлагаемые исследования особенно актуальны на сегодняшний день. Однако для широкого применения конической рефракции большой интерес представляет исследование конической рефракции излучения полупроводниковых лазеров и светодиодов, являющихся наиболее компактными, эффективными и недорогими источниками излучения.
Рис.1 Схематичное изображение распространения света при конической рефракции.
Одним из важных отличий твердотельных лазеров от полупроводниковых, является наличие у полупроводниковых излучателей низкой пространственной когерентности. В работе [V.Yu. Mylnikov et al., Opt. Express 27(18), 25428-25435, 2019] нами была экспериментально продемонстрирована и теоретически описана коническая рефракция низко-когерентных источников света, в частности светодиода. Было показано, что низкая пространственная когерентность приводит к исчезновению интерференционной картины конической рефракции в фокальной плоскости (см. рис. 2).
В свою очередь, для описания пучков полупроводниковых лазеров, из-за наличия сложной многомодовой структуры, принято вводить параметр распространения пучка М2, который характеризует во сколько раз размер фокусного пятна такого пучка отличается от размера фокусного пятна идеального гауссова пучка при фокусировке той же оптической системой. В рамках работы [G.S.Sokolovskii et al., Proc. of SPIE, v. 10090, 100901R, 2017] нами было показано, что использование лазерных пучком с М2>1 приводит к возникновению многокольцевой интерференционной структуры в фокальной плоскости.
Исчезновение темного кольца Поггендорфа в фокальной плоскости при уменьшении степени когерентности падающего на кристалл пучка.
Кроме того, хорошо известно, что выражения, которые описывают коническую рефракцию, имеют интегральный характер, что приводит к отсутствию наглядности получаемых результатов, и весьма осложняет численные расчеты. В связи с этим, крайне актуальной становится задача построения простой и наглядной модели конической рефракции, математический аппарат которой будет значительно проще ныне существующих теорий при том же уровне качественного описания всех характерных особенностей изучаемого явления. Такая модель нашим коллективом была построена в работе [V. Yu. Mylnikov, et al., Opt. Express 28(23), 33900-33910 (2020)], в которой демонстрируется каким образом можно перейти от конической рефракции элегантных лагерр-гауссовых пучков к обобщенным бессель-гауссовым пучкам (см. рис. 3).
Рис. 3 Поперечное распределение интенсивности конической рефракции элегантных лагерр-гауссовых мод в фокальной плоскости.
Все вышеперечисленные свойства полупроводниковых источников излучения могут быть использованы для развития существующих и разработки абсолютно новых практических применений конической рефракции, что, помимо фундаментальной значимости, придает данной тематике немалую практическую ценность.