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) Автор Рыжевич Анатолий Анатольевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(56) БЕЛЫЙ В.Н. и др. Вести Национальной академии наук Беларуси, 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 неинтерферирующих между собой монохроматических бесселевых световых пучка нулевого и первого порядков соответственно, длины волн и углы конусности которых одинаковы, а максимальные значения интенсивности 1 и 0 удовлетворяют соотношению Фиг. 6 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. 11394 1 2008.12.30 С момента появления таких источников излучения, как лазеры, пристальное внимание специалистов, работающих с ними, обращается на конфигурацию лазерных световых пучков, 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 единственный 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 нулевого порядка(02, 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 все БСП в силу своих фундаментальных свойств всегда имеют некоторое количество концентрично расположенных кольцевых максимумов и минимумов интенсивности, что иногда является их недостатком, поскольку кольцевые максимумы соизмеримы по 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). Задачей настоящего изобретения является формирование светового пучка с единственным осевым узким и протяженным максимумом интенсивности. Поставленная задача решается таким образом, что в способе формирования светового поля в виде суперпозиции бесселевых световых пучков вдоль одной оси накладывают два 11394 1 2008.12.30 когерентных неинтерферирующих между собой монохроматических бесселевых световых пучка нулевого и первого порядков соответственно, длины волн и углы конусности которых одинаковы, а максимальные значения интенсивности 1 и 0 удовлетворяют соотношению 0,331 / 00,35. Возможность решения поставленной задачи объясняется следующим. Функция, представляющая сумму квадратов функций Бесселя нулевого и первого порядка 0212,имеет только один максимум интенсивности в нуле и не имеет других экстремумов, хотя и претерпевает перегибы. По общему виду эта функция близка к гиперболической функции 1/1,5, но в отличие от нее не обращается в нуле в бесконечность, имея в этой точке конечный максимум. Поэтому функцию, являющуюся суммой квадратов бесселевых функций, можно называть квазигиперболической, а световой пучок, распределение интенсивности которого ей описывается, - квазигиперболическим. Очевидно, что в пучке, имеющем радиальное распределение интенсивности, описываемое такой функцией, нет кольцевых максимумов и минимумов интенсивности. Следует отметить, что при непосредственном наложении когерентных между собой бесселевых световых пучков нулевого и первого порядков получить квазигиперболическое световое поле невозможно, поскольку интенсивность результирующего поля равна квадрату суммы амплитуд полей, а не сумме квадратов амплитуд. Дело в том, что поле бесселева светового пучка первого порядка имеет винтовую дислокацию волнового фронта (в описании радиального распределения поля присутствует фазовый множитель е или е-). Поэтому результирующее поле не имеет квазигиперболического вида и состоит из набора концентрических полуколец. Получить желаемое квазигиперболическое распределение интенсивности возможно при наложении когерентных вообще, но некогерентных между собой БСП нулевого и первого порядков одной длины волны и одинаковых углов конусности. Для их формирования можно использовать, например, два однотипных лазера с близкими мощностями либо излучение от одного лазера, разделенное на две когерентные части, одна из которых в результате специальных преобразований перестает интерферировать с другой частью (т.е. интенсивность результирующего поля равна сумме квадратов амплитуд полей, а не квадрату суммы амплитуд). Этого можно достичь, например обеспечивая разность хода одной из частей по отношению к другой большую, чем длина когерентности для данного светового пучка, либо придавая частям взаимно ортогональные поляризации. Кроме этого, отношение 1/0, где 1 и 0 - максимальные значения интенсивности в бесселевых пучках первого и нулевого порядков соответственно, для точной взаимокомпенсации минимумов должно быть как можно более близким к максимальному значению квадрата бесселевой функции 12, т.е. находиться в диапазоне значений от 0,33 до 0,35. Оптимальное значение этого отношения примерно равно 0,3385. Таким образом, для решения поставленной задачи необходимо сформировать световой пучок, радиальное распределение интенсивности в котором представляло бы собой сумму квадратов функций Бесселя нулевого и первого порядка с указанным соотношением максимальных интенсивностей. Предлагаемый способ поясняется чертежами, где на фиг. 1 показано радиальное распределение интенсивности поз. 1 - в бесселевом пучке нулевого порядка, поз. 2 - в бесселевом пучке первого порядка, поз. 3 - в пучке, описываемом суммой квадратов бесселевых функций нулевого и первого порядков на фиг. 2 приведено сравнение поз. 4 - суммы квадратов функций Бесселя нулевого и первого порядков 0212 (а) - и поз. 5 гиперболической функции у 1/1,5 (б) на фиг. 3 показано распределение интенсивности в пучке, являющемся суперпозицией когерентных между собой бесселевых световых пучков нулевого и первого порядков на фиг. 4 приведена одна из возможных оптических схем для формирования квазигиперболических световых пучков, реализованная экспериментально на фиг. 5 показана экспериментальная установка для формирования квазигиперболических световых пучков на фиг. 6 приведены радиальные 11394 1 2008.12.30 распределения интенсивности в экспериментально полученных пучках поз. 19 - в БСП 0,поз. 20 - в БСП 1, поз. 21 - в квазигиперболическом пучке. Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Неинтерферирующие между собой бесселевы световые пучки нулевого и первого порядков одинаковых длин волн и одинаковых углов конусности с отношением максимальной интенсивности БСП первого порядка к максимальной интенсивности БСП нулевого порядка, максимально близким к 0,3385, совмещают вдоль одной оси. 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. 4, на основе двух лазерных источников с одинаковой длиной волны излучения (поз. 6, 9), на выходе из которых формируются гауссовы световые пучки, распространяющиеся затем в зонах поз. 7 и 12. Один из гауссовых пучков пропускается через преобразователь (поз. 8) на основе двуосного кристалла для получения однокольцевого светового пучка с винтовой дислокацией волнового фронта первого порядка, который распространяется затем в зоне поз. 10. Телескоп (поз. 11) предназначен для уравнивания поперечных размеров гауссова пучка поз. 12 по отношению к размерам лагерр-гауссова в поз. 10 поз. 13 - светоделительный элемент, с помощью которого лагерр-гауссов и гауссов пучки совмещаются вдоль одной оси поз. 14 - аксикон, посредством которого из соосных гауссова и лагерр-гауссова световых пучков формируют соосные бесселевы световые пучки соответственно нулевого и первого порядков в зоне поз. 15 существует суперпозиция бесселевых световых пучков нулевого и первого порядков в виде квазигиперболического светового пучка с помощью поз. 16 - микроскопа - производят увеличение, наблюдение и регистрацию микроструктуры составляющих бесселевых и выходного квазигиперболического пучков посредством -камеры (поз. 17) регистрации. Перестраиваемый светофильтр (поз. 18) необходим для плавной регулировки интенсивности одного из составляющих бесселевых пучков (в данном случае БСП нулевого порядка) с целью обеспечения необходимого соотношения максимальных интенсивностей. Внешний вид реальной экспериментальной установки представлен на фиг. 5. Оптические элементы устанавливают на специальном виброустойчивом столе. Для формирования суперпозиции бесселевых световых пучков необходимо использовать лазерные источники с достаточно стабильной выходной мощностью, чтобы обеспечить устойчивое распределение интенсивности в выходном квазигиперболическом пучке, лишенное кольцевых максимумов. Распределение экспериментально полученного из БСП нулевого (радиальное распределение интенсивности - поз. 19) и первого (радиальное распределение интенсивности - поз. 20) порядков квазигиперболического светового пучка показано на фиг. 6 (поз. 21). Важной структурной особенностью квазигиперболического пучка, формируемого посредством описанной схемы, является протяженный (сантиметры) осевой максимум интенсивности, имеющий микронные поперечные размеры, а также отсутствие кольцевых максимумов и минимумов, что чрезвычайно важно для всевозможных практических применений. Таким образом, полученные результаты подтверждают возможность формирования квазигиперболического светового поля в виде суперпозиции соосных бесселевых световых пучков первого и второго порядка 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.