Способ формирования светового пучка со спиралевидной модуляцией интенсивности в поперечном сечении

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СВЕТОВОГО ПУЧКА СО СПИРАЛЕВИДНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ ИНТЕНСИВНОСТИ В ПОПЕРЕЧНОМ СЕЧЕНИИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Казак Николай Станиславович Хило Николай Анатольевич Рыжевич Анатолий Анатольевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Способ формирования светового пучка со спиралевидной модуляцией интенсивности в поперечном сечении, включающий придание исходному световому гауссову пучку циркулярной поляризации, отличающийся тем, что циркулярно поляризованный световой гауссов пучок пропускают через двухосный кристалл, бинормаль волновых поверхностей которого отклонена от оптической оси пучка на угол 0,1-2 градуса, а входная и выходная грани перпендикулярны бинормали, после чего преобразуют в два линейно поляризованных в ортогональных направлениях световых пучка, один из которых имеет дислокацию волнового фронта, поляризатором-анализатором выделяют выходной пучок с дислокацией волнового фронта, направляют его на аксикон, а затем на отрицательную линзу. 6427 1 Изобретение относится к области оптики и лазерной физики и может быть использовано для осуществления нелинейно-частотных преобразований лазерного излучения, для манипулирования атомными пучками, а также в системах обработки и передачи оптической информации. В настоящее время наблюдается возрастание интереса к световым пучкам, обладающим различного вида (винтовыми, краевыми, локальными и др.) дислокациями волнового фронта (различная фаза электромагнитной волны в различных местах волнового фронта пучка). Наличие дислокации волнового фронта (ДВФ) делает эти пучки уникальными объектами для реализации новых классов линейных и нелинейных оптических явлений. Узкополосные по длине волны излучения лазерные пучки с винтовой ДВФ (ВДВФ) находят все более широкое применение в нанотехнологиях, основанных на охлаждении атомных пучков и управлении ими. Мощные световые лазерные пучки со спиралевидной модуляцией интенсивности, также обладающие ДВФ, могут быть использованы как при изготовлении оптических элементов для формирования пучков, обладающих ВДВФ, так и непосредственно для манипулирования атомными пучками. Известен способ формирования пучков с ДВФ из гауссовых и П-образных световых пучков с помощью компьютерно-синтезированных голограмм. Данный способ не позволяет формировать интенсивные световые лазерные пучки со спиралевидной модуляцией интенсивности в силу недостаточно большой лучевой стойкости оптических элементов,использующихся для преобразования 1. Световые пучки с ВДВФ могут быть получены посредством лазерной генерации с помощью специальных резонаторов 1, а также посредством фазовой спиральной пластинки 2. Эти способы не позволяют непосредственно получить световой пучок со спиралевидной модуляцией интенсивности в поперечном сечении. При наложении на пучок с ВДВФ первого порядка опорной бездислокационной сферической волны образуется спиралевидная интерференционная картина, однако эта картина локальна по продольной координате в силу большой расходимости опорной сферической волны по сравнению с пучком, обладающим ВДВФ. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ формирования бесселева светового пучка первого порядка, описанный в работе 3 авторов настоящей заявки. Однако известный способ также не позволяет формировать пучок со спиралевидной модуляцией интенсивности без дополнительного когерентного опорного пучка. Задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности трансформации когерентного светового гауссова пучка в световой пучок той же длины волны со спиралевидной модуляцией интенсивности в поперечном сечении. Поставленная задача решается таким образом, что в способе формирования светового пучка со спиралевидной модуляцией интенсивности в поперечном сечении, включающий придание исходному световому гауссову пучку циркулярной поляризации, отличающемся тем, что циркулярно поляризованный световой гауссов пучок пропускают через двухосный кристалл, бинормаль волновых поверхностей которого отклонена от оптической оси пучка на угол 0,1-2 градуса, а входная и выходная грани перпендикулярны бинормали, после чего преобразуют в два линейно поляризованных в ортогональных направлениях световых пучка, один из которых имеет дислокацию волнового фронта, поляризатороманализатором выделяют выходной пучок с дислокацией волнового фронта, направляют его на аксикон, а затем на отрицательную линзу. Возможность решения поставленной задачи объясняется следующим. Поляризация собственных волн в окрестности бинормали двухосного кристалла является линейной и зависит от азимута. При изменении азимутального угла на величинувекторы поляризации поворачиваются на угол /2 в противоположных направлениях. Вследствие этого циркулярно поляризованная волна исходного пучка возбуждает в двухосном кристалле 2 6427 1 две циркулярно поляризованных в различных направлениях волны, причем одна из этих волн, направление поляризации которой не совпадает с направлением поляризации исходной волны, после преобразования ее в линейно поляризованную будет иметь ВДВФ первого порядка. При отклонении бинормали кристалла от оптической оси исходного светового пучка на малый угол 02 градуса энергия в выходящем из кристалла пучке с ДВФ распределяется по сечению пучка неосесимметрично, в связи с чем при самоинтерференции после аксикона и отрицательной линзы он приобретает спиралевидную модуляцию интенсивности в поперечном сечении. Предлагаемый способ поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана оптическая схема установки, на которой реализуется предлагаемый способ на фиг. 2 - изображение выходящего из кристалла пучка с ДВФ и неосесимметричным распределением интенсивности, на фиг. 3 изображение пучка, имеющего ДВФ, после прохождения аксикона, на фиг. 4 - изображение светового пучка со спиралевидной модуляцией интенсивности в поперечном сечении. Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Исходный когерентный гауссов световой пучок пропускают через поляризатор 1, затем циркулярно поляризуют с помощью четвертьволновой пластинки 2 (вместо нее можно также использовать ромб Френеля). После этого пучок направляют на двухосный кристалл 3, установленный так,что его бинормаль отклонена от оптической оси пучка на угол порядка 1 градуса, а затем для трансформации циркулярно поляризованного пучка в два линейно поляризованных со взаимно ортогональными направлениями поляризации прошедший через кристалл 3 пучок направляют на четвертьволновую пластинку (либо ромб Френеля) 4. Один из полученных пучков в результате фазово-поляризационных эффектов, имевших место в кристалле 3,представляет собой пучок с ДВФ и неосесимметричным распределением интенсивности в поперечном сечении. Его выделяют с помощью поляризатора-анализатора 5 и направляют вначале на аксикон 6 с углом при основании конусной поверхности 0,110 градусов, а затем на отрицательную линзу 7 с фокусным расстоянием 320 сантиметров. Возможность осуществления предлагаемого способа и решения поставленной задачи подтверждена экспериментально. Исходный гауссов световой пучок гелий-неонового лазера с длиной волны излучения 0,632 мкм, приобретавший после прохождения тонкопленочного поляризатора 1 и четвертьволновой пластинки 2 право-циркулярную поляризацию, направляли на двухосный кристалл КТР (КТРО 4) 3 длиной 12 мм, шириной и высотой по 6 мм, с входной гранью, ориентированной перпендикулярно бинормали,отклоненной от оптической оси пучка на угол примерно 1,5 градуса. После выхода из кристалла 3 право- и лево-циркулярно поляризованные компоненты пучка преобразовывали в два линейно поляризованных пучка с помощью четвертьволновой пластинки 4, затем поляризатором-анализатором 5 выделяли один из них, обладающий ДВФ и неосесимметричным распределением интенсивности в поперечном сечении (фиг. 2). Пропусканием через аксикон 6 с углом при основании конусной поверхности 2 градуса этому пучку посредством его самоинтерференции придавали спиралевидную модуляцию (фиг. 3), которую усиливали пропусканием через отрицательную линзу 7 с фокусным расстоянием 10 см. На фиг. 4 приведено изображение полученного пучка со спиралевидной модуляцией интенсивности в поперечном сечении. После отрицательной линзы 7 пучок распространяется далее без потери спиралевидности в распределении интенсивности. Аналогичный пучок был получен при длине волны излучения 1,06 мкм. Таким образом, полученные экспериментально результаты подтверждают возможность трансформации когерентного гауссова светового пучка произвольной длины волны в световой пучок той же длины волны со спиралевидной модуляцией интенсивности в поперечном сечении..119 (1995). - Р. 604-612. 2. , , . , ..112 (1994). Р. 321- 327. 3. Казак , Хило Н.А., Рыжевич А.А. Формирование бесселевых световых пучков в условиях внутренней конической рефракции // Квантовая электроника. - 29,2. - Ноябрь 1999. - С. 184-188. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.