Способ формирования светового поля в виде суперпозиции бесселевых световых пучков

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СВЕТОВОГО ПОЛЯ В ВИДЕ СУПЕРПОЗИЦИИ БЕССЕЛЕВЫХ СВЕТОВЫХ ПУЧКОВ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Рыжевич Анатолий Анатольевич Солоневич Сергей Васильевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(56) БЕЛЫЙ В.Н. и др. Весц Нацыянальнай акадэм навук Беларус. - 2003.4. - С. 23.6898 1, 2005.5943161 , 1999.(57) Способ формирования светового поля в виде суперпозиции бесселевых световых пучков, в котором вдоль одной оси накладывают два когерентных не интерферирующих между собой монохроматических бесселевых световых пучка нулевого порядка одной длины волны с углами конусности 1 и 2, где 12, удовлетворяющими соотношению 1,4721 /21,473. Фиг. 1 Предлагаемое изобретение относится к области оптики и лазерной физики и может быть использовано для управления нано- и микрообъектами, для воздействия на органические клетки и ее компоненты, а также для неразрушающего оптического контроля и лазерной обработки материалов. С момента появления таких источников излучения, как лазеры, пристальное внимание специалистов, работающих с ними, обращается на конфигурацию лазерных световых пуч 11522 1 2009.02.28 ков, являющихся своеобразными инструментами для работы. В настоящее время наблюдается возрастание интереса к так называемым градиентным световым пучкам, в которых имеются резкие перепады интенсивности в поперечном сечении, обладающие какой-либо(например, аксиальной) симметрией и имеющие высокую интенсивность в центральном максимуме, расположенном, как правило, на их оптической оси. Благодаря наличию центрального максимума интенсивности, имеющего небольшие поперечные размеры, эти пучки могут использоваться для точной лучевой обработки материалов, а также для воздействия на живые клетки и ее компоненты. Зачастую такие пучки применяются для управления частицами малых размеров. Частицы в зависимости от соотношения показателей преломления среды и частиц могут либо втягиваться в максимум интенсивности(показатель преломления частиц больше, чем показатель преломления среды), либо выталкиваться из него (показатель преломления частиц меньше, чем показатель преломления среды). Особый практический интерес с этих точек зрения вызывают пучки,имеющие значительно превышающий остальные по пиковому значению осевой максимум интенсивности достаточно малых поперечных, но при этом больших продольных размеров. Общеизвестным является способ формирования светового пучка с узкой перетяжкой из обычного гауссова светового пучка посредством сферической линзы. Однако данный способ в силу фундаментальных свойств света (дифракционная расходимость) не позволяет получить узкую и при этом достаточно протяженную перетяжку. Посредством короткофокусных линз возможно сформировать пучок с узкой, но короткой перетяжкой, а посредством длиннофокусных - более протяженную, но при этом и более широкую. Известен также способ формирования световых полей в виде бесселевых световых пучков (БСП) нулевого порядка. Поперечное радиальное распределение интенсивности в них описывается возведенной в квадрат функцией Бесселя соответствующего по 2 рядка (0 ( ) , где 0 - функция Бесселя 0-го порядка,- радиальная координата,,2/ - модуль волнового вектора,- угол конусности БСП,- длина волны излучения). Центральный наиболее яркий максимум интенсивности в поперечном сечении БСП нулевого порядка (БСП 0) имеет вид светлого круглого пятна. На кривой, описывающей радиальное распределение интенсивности, размеру - радиусу - центрального максимума соответствует расстояние от оптической оси (радиальная координатаравна 0) до ближайшей точки, где интенсивность равна 0. Диаметр максимума равен удвоенному радиусу максимума. В обычном БСП расположение минимумов и максимумов интенсивности не зависит от продольной координаты, а центральный максимум интенсивности сохраняет свои размеры практически неизменными во всей зоне существования БСП. Однако БСП 0 в силу своих фундаментальных свойств всегда имеют некоторое количество концентрично расположенных кольцевых максимумов и минимумов интенсивности, что зачастую является их недостатком, поскольку кольцевые максимумы, особенно ближайший к осевому, соизмеримы по градиенту интенсивности с центральным и могут оказывать на некоторое процессы нежелательное воздействие. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ формирования светового поля в виде суперпозиции нескольких когерентных и интерферирующих между собой соосных бесселевых световых пучков различных углов конусности 1, однако на оси данного поля в силу изменяющейся при увеличении продольной координаты разницы фаз между парциальными волнами различных углов конусности может происходить как конструктивная интерференция (возрастание интенсивности), так и деструктивная (уменьшение интенсивности вплоть до нуля), т.е. центральный максимум интенсивности суперпозиции вдоль оси претерпевает пульсации и каждая пульсация является намного менее протяженной, чем осевой максимум интенсивности любого из БСП, составляющих суперпозицию. 11522 1 2009.02.28 Задачей настоящего изобретения является формирование светового пучка с протяженным и узким осевым максимумом интенсивности, значительно превышающим по пиковому значению остальные максимумы интенсивности, и со сниженными по сравнению с составляющими БСП 0 значениями контраста интенсивности ближайших к осевому кольцевых максимумов. Поставленная задача решается таким образом, что в способе формирования светового поля в виде суперпозиции бесселевых световых пучков вдоль одной оси накладывают два когерентных не итерферирующих между собой монохроматических бесселевых световых пучка нулевого порядка одной длины волны с углами конусности 1 и 2, где 12, удовлетворяющими соотношению 1,4721/21,473. Возможность решения поставленной задачи объясняется следующим. Интенсивность суперпозиции двух неинтерферирующих БСП 0 с одинаковыми пиковыми значениями осевых максимумов описывается функцией, представляющей собой сумму квадратов функ 2 2 ций Бесселя нулевого и первого порядка 20 (21 / 1 )2 1 (22 /2 ) , где- амплитуда поля, 2 и 1 - длины волн излучения, 1 и 2 - углы конусности составляющих БСП 0. Данная функция имеет осевой максимум интенсивности, значительно превышающий по значению кольцевые, при этом контраст интенсивности ближайших к осевому кольцевых максимумов зависит от соотношения углов конусности БСП 0, составляющих суперпозицию. Посредством проведенных расчетов показано, что привыполнении соотношения 1/21,4723, где 1 и 2 - соответственно больший и меньший углы конусности бесселевых световых пучков, достигается наименьший контраст по интенсивности для ближайших к осевому кольцевых максимумов, поскольку кольцевые максимумы и минимумы составляющих БСП 0 находятся на различных расстояниях от оси. Под контрастом локального максимума интенсивности в данном случае подразумевается разница значений между максимумом интенсивности и ближайшим к нему локальным минимумом интенсивности. Эта разница, в свою очередь, определяет градиент интенсивности в области локального максимума, который важен для практических применений светового поля. Таким образом, для решения поставленной задачи необходимо сформировать световой пучок, радиальное распределение интенсивности в котором представляло бы собой сумму квадратов функций Бесселя нулевого порядка с указанным соотношением их углов конусности. Предлагаемый способ поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена одна из возможных оптических схем для формирования световых пучков, реализованная экспериментально на фиг. 2 показана двухкольцевая диафрагма для формирования суперпозиции БСП 0 на фиг. 3 показано радиальное распределение интенсивности поз. 14 - в бесселевом пучке нулевого порядка большего угла конусности, поз. 15 - в бесселевом пучке нулевого порядка меньшего угла конусности, поз. 16 - в пучке, описываемом суммой квадратов бесселевых функций нулевого порядка с соотношением углов конусности примерно 1,4723. Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Формируют не интерферирующие между собой два бесселевых световых пучка нулевого порядка одинаковых длин волн и с соотношением углов конусности, максимально близким к 1,4723, затем совмещают их вдоль одной оси либо одновременно формируют соосные БСП с необходимыми параметрами конусности. Возможность осуществления предлагаемого способа и решения поставленной задачи подтверждена не только расчетным образом, но и экспериментально. Для этого была собрана оптическая схема, показанная на фиг. 1, на основе двухкольцевой диафрагмы (ее фотография приведена на фиг. 2). Излучение лазера ЛГН-207 А (поз. 1) с аксиально симметричным распределением интенсивности светоделительным элементом 2 разделяется на две части. Та, которая отходит в сторону от первоначального направления, проходит 11522 1 2009.02.28 дополнительный путь, больший, чем длина когерентности для используемого лазера, т.е. более 2 м. Затем посредством поворотных зеркал 4 и отделенная часть излучения направляется на телескоп 8 для увеличения диаметра пучка, после чего круглой затемняющей диафрагмой 7 закрывается центральная часть отделенного пучка. Светоделительным элементом 6 отделенный пучок направляется соосно другой части излучения на двухкольцевую диафагму 10, внутреннее пропускающее кольцо которой меньше по диаметру, чем круглая пропускающая диафрагма 5 и круглая затемняющая диафрагма 7, а внешнее пропускающее кольцо больше, чем затемняющая диафрагма 7 и круглая пропускающая диафрагма 5. Внешнее кольцо диафрагмы по диаметру примерно в 1,4723 раза больше, чем внутреннее, благодаря чему линза 11, установленная на расстоянии от диафрагмы 10, равном ее фокусному расстоянию, формирует из излучения, прошедшего за диафрагму 7, два соосных и когерентных вообще, но некогерентных между собой БСП 0, имеющие углы конусности, отличающиеся в 1,4723 раза. Регулируемый светофильтр 3 используется для выравнивания пиковой интенсивности центральных максимумов БСП 0, составляющих суперпозицию. С помощью микроскопа 12 и -камеры 13 производится регистрация сформированного пучка. Распределение интенсивности в составляющих БСП 0 (поз. 14 и 15), а также в их суперпозиции (поз. 16) показано на фиг. 3 (угол конусности у БСП 0 14 в 1,4723 раза больше, чем угол конусности БСП 0 15). Важной структурной особенностью полученного светового пучка, формируемого посредством описанной схемы, является протяженный, как и у составляющих его БСП 0, осевой максимум интенсивности, имеющий микронные поперечные размеры, и существенно уменьшенный по сравнению с исходными БСП 0 контраст интенсивности в области кольцевых максимумов, ближайших к осевому, что чрезвычайно важно для всевозможных практических применений. Таким образом, полученные результаты подтверждают возможность формирования светового пучка с протяженным узким максимумом интенсивности посредством предлагаемого способа. Источники информации 1. Белый В.Н., Казак Н.С., Хило Н.А. Квазибездифракционные световые пучки свойства и методы получения // Весц Нацыянальнай акадэм навук Беларус. -4. - 2005 Серыя фзка-матэматычных навук. - С. 23. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.