Способ формирования бесселева светового пучка с перестраиваемым углом конусности и устройство для его реализации

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ БЕССЕЛЕВА СВЕТОВОГО ПУЧКА С ПЕРЕСТРАИВАЕМЫМ УГЛОМ КОНУСНОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Казак Николай Станиславович Белый Владимир Николаевич Ропот Петр Иосифович Рыжевич Анатолий Анатольевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Способ формирования бесселева светового пучка с перестраиваемым углом конусности, включающий пропускание исходного светового лазерного пучка через аксикон, отличающийся тем, что сформированный аксиконом бесселев световой пучок нулевого порядка пропускают через фоторефрактивный кубический кристалл класса 23 для получения на выходе двух бесселевых световых пучков с большим и меньшим по сравнению с первоначально сформированным пучком углами конусности, перестройку угла конусности любого из которых производят путем изменения мощности исходного светового лазерного пучка, в качестве которого используют пучок с мощностью, достаточной для формирования в указанном кристалле наведенного аксикона за счет фоторефрактивного эффекта. 9789 1 2007.10.30 2. Устройство для формирования бесселева светового пучка с перестраиваемым углом конусности, включающее последовательно установленные лазер и аксикон, отличающееся тем, что содержит фоторефрактивный кубический кристалл класса 23, установленный за аксиконом с возможностью перемещения в области бесселева светового пучка нулевого порядка, формируемого аксиконом из исходного светового лазерного пучка, а указанный лазер выполнен аргоновым перестраиваемым с мощностью, регулируемой в диапазоне формирования в указанном кристалле наведенного аксикона за счет фоторефрактивного эффекта. Изобретение относится к области оптики и лазерной физики и может быть использовано для осуществления нелинейно-частотных преобразований лазерного излучения, для управления движением и манипулированием нано- и микрообъектами, для лазерной обработки материалов, а также в оптической профилометрии и микролитографии, в системах локации, передачи и обработки оптической информации. Фурье-спектр бесселевого светового пучка (БСП) представляет собой кольцевое поле,а пространственный спектр - конус волновых векторов. Следовательно, для получения БСП пригодны оптические схемы, позволяющие формировать как кольцевое поле (кольцевая диафрагма, оптическое волокно), так и набор плоских волн, характеризующийся конусом волновых векторов (голограмма, аксикон, линза со сферической аберрацией). Наиболее широко используемыми элементами для получения бесселевых световых пучков (БСП) нулевого порядка являются конические линзы, так называемые аксиконы 1. Угол преломления в данных устройствах является величиной постоянной, что обеспечивает постоянство угла схождения волновых векторов светового пучка за аксиконом. Вместе с тем для многих приложений возникает необходимость изменять угол конусности бесселевых световых пучков в процессе работы. Кроме наличия набора аксиконов с разными углами конусности , замена аксиконов требует времени, а оптическая схема нуждается в повторной юстировке. Для управления углом конусности БСП был предложен способ 2, когда аксикон помещается между двумя сферическими линзами, образующими телескопическую систему. В данном методе гауссов пучок проходит через первую линзу и трансформируется аксиконом в световое кольцо, расположенное в фокальной плоскости линз. Вторая линза преобразует данное кольцевое распределение поля в БСП. При перемещении аксикона вдоль оси оптической системы происходит изменение радиуса светового кольца в фокальной плоскости первой линзы, что вызывает изменение угла конусности БСП на выходе. Основным недостатком способа является невысокая скорость перестройки угла конусности. С точки зрения быстродействия перестройки угла конусности интерес представляют устройства, в основу работы которых положено изменение показателя преломления под действием электрического поля 3. В 3 устройство представляет собой плоскопараллельную кристаллическую пластинку с системой прозрачных электродов в виде концентрических окружностей, которые подключены к источнику питания через специальный делитель напряжения. Существенным недостатком способа является наличие проводящих электродов на пути светового луча, что увеличивает отражающую способность поверхности и уменьшает лучевую прочность кристалла. При наложении поперечного электрического поля на одноосный электрооптический кристалл с электродами специальной конфигурации и пропускании через него светового пучка заданной поляризации можно также создать линейную зависимость показателя преломления от радиальной координаты,а следовательно и управлять углом конусности. Общим недостатком данных методов являются незначительные пределы регулировки угла конусности (около 0,5). Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи перестройки угла конусности в широком диапазоне относительно бесселева светового пучка, первоначально сфор 2 9789 1 2007.10.30 мированного аксиконом. В способе формирования бесселева светового пучка с перестраиваемым углом конусности, включающем пропускание исходного светового лазерного пучка через аксикон, согласно изобретению, сформированный аксиконом бесселев световой пучок нулевого порядка далее пропускают через фоторефрактивный кубический кристалл класса 23 для получения на выходе двух бесселевых световых пучков с большим и меньшим по сравнению с первоначально сформированным пучком углами конусности,перестройку угла конусности любого из которых производят путем изменения мощности исходного светового лазерного пучка, в качестве которого используют пучок с мощностью, достаточной для формирования в указанном кристалле наведенного аксикона за счет фоторефрактивного эффекта. В устройство для формирования бесселева светового пучка с перестраиваемым углом конусности, включающее последовательно установленные лазер и аксикон, дополнительно включают фоторефрактивный кубический кристалл класса 23, устанавливая его за аксиконом с возможностью перемещения в области бесселева светового пучка нулевого порядка, формируемого аксиконом из исходного светового лазерного пучка, а указанный лазер выполнен аргоновым перестраиваемым с мощностью,регулируемой в диапазоне формирования в указанном кристалле наведенного аксикона за счет фоторефрактивного эффекта. Падающее излучение за счет фоторефрактивного эффекта наводит в кристалле аксикон, угол преломления которого меняется посредством изменения мощности лазера, а саморефракция излучения на наведенном аксиконе приводит к формированию на выходе кристалла БСП с перестраиваемым углом конусности. Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана экспериментальная схема предлагаемого изобретения на фиг. 2 приведены фурье-спектры БСП, формируемые на выходе кристалла. Нами впервые экспериментально исследованы оптические эффекты, возникающие при взаимодействии мощного БСП с фоторефрактивными кристаллами силикатаи германата висмутасаморефракция БСП. При прохождении лазерного излучения через вышеуказанные кристаллы на экране наблюдаются два кольца (фиг. 2), большего и меньшего диаметра, по сравнению с первоначальным. Качественно наблюдаемое явление объясняется формированием в фоторефрактивном кристалле наведенной конической линзы(аксикона), угол преломления которой зависит от мощности падающего лазерного излучения. Изменяя мощность лазера, можно управлять эффективным углом конусности наведенного аксикона. В эксперименте четко просматривается пороговость наблюдаемого эффекта, а также зависимость от местоположения кристалла в области существования БСП. Наиболее сильно эффект саморефракции проявляется, когда кристалл располагается в середине ромбоидной области, где интенсивность БСП максимальна. Устройство для формирования бесселева светового пучка с перестраиваемым углом конусности фиг. 1 включает в себя перестраиваемый аргоновый лазер ЛГ-503 1 с линиями 0,5145 0,4965 0,4880 0,4765 0,4579 мкм, генерирующий гауссов пучок с максимальной мощностью до 1,5 Вт, диафрагму 2, коническую линзу (аксикон) 3 и кубический гиротропный фоторефрактивный кристалл 4 класса 23. Предлагаемая схема работает следующим образом. Излучение аргонового лазера направляется на аксикон 3 с углом при основании , который формирует бесселев световой пучок протяженностью(область 6 ромбоидной формы на фиг. 1) с углом конусности(-1) (при малых значениях угла ), где- показатель преломления аксикона. Диафрагма 2 с радиусом отверстияобеспечивает отсекание оптического шума. Сформированный аксиконом БСП нулевого порядка с углом конусностидалее направлялся на кубический фоторефрактивный кристалл 4, который располагался в зоне существования БСП (область 6 на фиг. 1) и имел возможность перемещаться в этой области. Результат взаимодействия БСП с фоторефрактивным кристаллом наблюдался в дальней зоне на экране 5. В отсутствие кристалла 4, а также при его наличии и небольшой (до 100 мВт) 3 9789 1 2007.10.30 мощности лазерного излучения формируется фурье-спектр БСП в виде тонкого кольца,диаметр которого соответствует углу конусности падающего на кристалл БСП. При увеличении мощности лазера на всех генерируемых длинах волн обнаружено формирование на выходе кристалла двух колец большего и меньшего диаметра по сравнению с диаметром падающего БСП (фиг. 2). Дополнительные экспериментальные исследования по зондированию области 6 существования БСП с помощью - лазера подтверждают наличие двух БСП, которым в дальней зоне соответствуют наблюдаемые кольца. Физически процесс перестройки угла конусности БСП объясняется явлением саморефракции падающего пучка на наведенном аксиконе, который формируется в кристалле за счет фоторефрактивного эффекта. Экспериментальные исследования показывают, что для кристаллапри угле конусности падающего излучения 2 регулировка мощности лазера в пределах 0,151,5 Вт обеспечивает изменение угла конусности выходных бесселевых световых пучков от 0,2 до 3,8. Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет производить перестройку угла конусности имеющегося бесселева светового пучка в широком диапазоне, что существенно расширяет технические возможности использования. Источники информации 1. .// . . - 1986. - . 39. - . 1-8. 2. . , . , .. .-// . . - 1995. - . 34. - . 33. - . 7670-7673. 3. Лепарский, А.Г. Мащенко. Электрооптические конические линзы для формирования бесселевых световых пучков // Известия Гомельского государственного университета им. Ф. Скорины. - 2001. - .6. - С. 9-12. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4