Способ формирования лагерр-гауссова светового пучка первого порядка

СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ЛАГЕРР-ГАУССОВА СВЕТОВОГО ПУЧКА ПЕРВОГО ПОРЯДКА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Хило Николай Анатольевич Катранжи Евгений Геннадьевич Рыжевич Анатолий Анатольевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Способ формирования лагерр-гауссова светового пучка первого порядка путем пропускания исходного циркулярно поляризованного светового пучка через фазовый преобразователь, содержащий последовательно расположенные на одной оптической оси поляризатор, четвертьволновую пластинку, двухосный кристалл с бинормалью, параллельной оптической оси пучка, четвертьволновую пластинку, поляризатор, а также систему линз для регулировки расходимости пучка, прошедшего через двухосный кристалл,отличающийся тем, что двухосный кристалл помещают между линзами указанной системы линз, а исходный световой пучок формируют посредством накачки активной среды,помещаемой вместе с фазовым преобразователем между зеркалами лазерного резонатора. 8079 1 2006.06.30 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 винтовой дислокацией волнового фронта (зависимость фазы электромагнитной волны в различных секторах волнового фронта пучка от азимутальной координаты) порядка(ВДВФ), где- целое число, показывающее, на сколько периодов изменяется фаза в поперечном сечении пучка при изменении азимутальной координаты на угол 2. Наличие ВДВФ делает эти пучки уникальными объектами для реализации новых классов линейных и нелинейных оптических явлений. Лагерр-гауссовы световые пучки также обладают ВДВФ. Распределение интенсивности в лагерр-гауссовом пучке 01 описывается выражением, содержащим полином Лагерра 1. Известен способ формирования лагерр-гауссовых пучков (мод) в обычных аксиально симметричных лазерных резонаторах 1 с круглыми зеркалами. Однако в этом случае происходит одновременная генерация лагерр-гауссовых пучков с ВДВФ одинаковых по модулю порядков (например плюс и минус 1). Известный способ формирования лагерргауссова пучка в специальном резонаторе с дополнительными элементами 2 - поглотителями и диафрагмами - позволяет формировать высшие лагерр-гауссовы моды, но их интенсивность намного меньше, чем интенсивность фундаментальной (гауссовой) моды изза больших потерь в резонаторе. Способ формирования лагерр-гауссового светового пучка с помощью компьютерно-синтезированных голограмм 3 не позволяет получить высокоинтенсивный лазерный пучок в силу малой лучевой прочности голограмм. Применяется также способ формирования кольцевых пучков с ВДВФ, подобных лагерр-гауссовым, основанный на придании ВДВФ световому пучку с использованием фазовой спиральной пластинки 4. Однако пучки, формируемые этим способом, в общем случае не описываются лагерр-гауссовой функцией. Кроме того, твердотельная фазовая пластинка изготавливается для конкретной длины волны и не пригодна для использования в лазерах с различными длинами волн генерируемого излучения. Существующие терморегулируемые фазовые пластинки на жидкостной основе, пригодные для различных длин волн, чувствительны к нагреванию лазерным излучением и поэтому не могут использоваться для формирования мощных лазерных пучков. Вообще, невозможна многопроходная лазерная генерация лагерр-гауссовых пучков в резонаторе с расположенной внутри него фазовой пластинкой, т.к. при каждом проходе резонатора порядок ВДВФ увеличивается, что не позволяет формировать световой пучок с конкретным определенным порядком ВДВФ. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ формирования кольцевого светового пучка с ВДВФ 5. Способ основан на применении фазового преобразователя, состоящего из последовательно расположенных поляризатора, четвертьволновой пластинки, двухосного кристалла, ориентированного вдоль бинормали, четвертьволновой пластинки, поляризатора и системы линз. Однако известный способ предназначен для формирования кольцевого пучка из уже имеющегося в наличии светового пучка с аксиально симметричным распределением интенсивности(например гауссова) примерно с 50-процентной эффективностью и не позволяет производить непосредственное преобразование энергии накачки в энергию излучения лагерргауссова светового пучка. Задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности формирования лагерр-гауссова светового пучка первого порядка посредством лазерной генерации. Поставленная задача решается таким образом, что в способе формирования лагерргауссова светового пучка первого порядка, включающем пропускание исходного циркулярно поляризованного светового пучка через фазовый преобразователь, содержащий последовательно расположенные на одной оптической оси поляризатор, четвертьволновую 2 8079 1 2006.06.30 пластинку, двухосный кристалл с бинормалью, параллельной оптической оси пучка, четвертьволновую пластинку, поляризатор, а также систему линз для регулировки расходимости пучка, прошедшего через двухосный кристалл, отличающемся тем, что двухосный кристалл помещают между линзами указанной системы линз, а исходный световой пучок формируют посредством накачки активной среды, помещаемой вместе с фазовым преобразователем между зеркалами лазерного резонатора. 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 генерируемого в активной среде излучения возбуждает в двухосном кристалле две циркулярно поляризованных в различных направлениях волны, причем одна из этих волн, направление поляризации которой не совпадает с направлением поляризации, задаваемым первым поляризатором, после преобразования ее в линейно поляризованную будет иметь ВДВФ первого порядка. Расходимость генерируемого излучения обусловливает количество и ширину колец в выходном пучке чем больше расходимость, тем больше количество колец и меньше их ширина. Изменяя с помощью системы линз расходимость генерируемого излучения, проходящего внутри двухосного кристалла, можно получить количество колец от одного до нескольких десятков. Располагая линзы таким образом, чтобы они образовывали телескоп, добиваются нормального падения волн генерируемого излучения на зеркала резонатора, что обеспечивает обратную связь. Кроме того, проходя через элементы фазового преобразователя в прямом и обратном направлении после отражения от глухого и выходного зеркал резонатора, волна перед выходным зеркалом резонатора приобретает единственно возможную конфигурацию фазы и поляризации, что делает возможным наличие в выходном пучке ВДВФ первого порядка. Плоские зеркала резонатора в сочетании с системой линз могут быть заменены на тождественную с точки зрения действия на расходимость генерируемого излучения пару сферических зеркал. Предлагаемый способ поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана оптическая схема установки, на которой реализуется предлагаемый способ на фиг. 2 - изображение выходного лагерр-гауссова светового пучка первого порядка 01, полученного экспериментально в результате лазерной генерации посредством предлагаемого способа на фиг. 3 радиальное распределение интенсивности в экспериментально полученном лагерргауссовом световом пучке в сравнении с функцией, описывающей лагерр-гауссову моду типа 01 (01). Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Лагерр-гауссов пучок первого порядка формируют посредством лазерной генерации в результате накачки активной среды 2, помещенной между глухим 1 и выходным 10 зеркалами резонатора вместе с фазовым преобразователем, состоящим из расположенных последовательно поляризаторов 3 и 9, четвертьволновых пластинок 4 и 8 (вместо них могут быть использованы ромбы Френеля), двухосного кристалла 6, ориентированного вдоль одной из двух своих бинормалей, и системой линз 5 и 7, служащей для регулировки расходимости генерируемого излучения, проходящего через двухосный кристалл 6, причем активная среда 2 может быть расположена и перед, и между, и за элементами фазового преобразователя, а кристалл 6 обязательно должен быть расположен между линзами 5 и 7. Вместо системы линз и плоского резонатора можно использовать конфокальный резонатор. Возможность осуществления предлагаемого способа и решения поставленной задачи подтверждена экспериментально. Активная среда, в качестве которой служил раствор родамина-6 Ж в этиловом спирте с концентрацией примерно 10-4 моль/л, накачивалась по квазипродольной схеме излучением второй гармоники неодимового лазера с длиной волны 532 нм. Излучение, генерируемое в результате накачки активной среды, проходило че 3 8079 1 2006.06.30 рез фазовый преобразователь, состоящий из последовательно расположенных на оси резонатора поляризатора, ромба Френеля, двухосного кристалла КТР (4) длиной 12 мм, шириной и высотой по 6 мм, со входной гранью, ориентированной перпендикулярно бинормали и оптической оси резонатора, второго ромба Френеля, второго поляризатора, и частично отражалось от выходного зеркала резонатора, обеспечивая обратную связь,необходимую для лазерной генерации. В случае, если система линз не применялась (или,другими словами, фокусные расстояния обеих линз были равны бесконечности), излучение, покидающее резонатор через выходное зеркало, являлось однокольцевым лазерным лагерр-гауссовым пучком вида 01. На фиг. 2 показан внешний вид этого пучка, а на фиг. 3 - радиальное распределение интенсивности в нем. В случае размещения системы линз внутри резонатора или использования конфокального резонатора в результате генерации формировались лагерр-гауссовы световые пучки типа 1, где- количество колец, имеющие ВДВФ первого порядка. Таким образом, полученные экспериментально данные подтверждают возможность формирования лагерр-гауссова светового пучка первого порядка посредством лазерной генерации. Источники информации 1. Справочник по лазерам (в 2 томах) / Перевод с англ. с изм. и доп. Под ред. А.М. Прохорова. - М. Советское радио, 1978. - С. 19-20. 2..,.106, 1994. - . 161-166. 3.,,.119, 1995. - . 604-612. 4.,,.,.112, 1994. - . 321-327. 5. Заявка Республики Беларусь а 20000040, 2000. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4