Способ формирования бесселева светового пучка заданного порядка

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ БЕССЕЛЕВА СВЕТОВОГО ПУЧКА ЗАДАННОГО ПОРЯДКА(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 АнатольевичКинг ТеренцХогерворст Вим(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение ИНСТИТУТ ФИЗИКИ имени Б.И. СТЕПАНОВА НАЦИОНАЛЬНОЙ АКАДЕМИИ НАУК БЕЛАРУСИ(57) 1. Способ формирования бесселева светового пучка заданного порядка путем преобразования исходного светового пучка, отличающийся тем, что осуществляют преобразование исходного светового пучка, заключающееся в его циркулярной поляризации, пропускании циркулярно поляризованного пучка через двухосный кристалл, бинормаль которого параллельна оптической оси пучка, для трансформации его в два линейно поляризованных в ортогональных направлениях бесселевых световых пучка, один из которых имеет такой же порядок, как и исходный пучок, а другой - порядок, измененный на единицу, и формировании выходного пучка путем выделения посредством поляризатора-анализатора пучка с измененным порядком, который может быть использован в качестве исходного при повторном преобразовании до формирования пучка заданного порядка. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для формирования бесселева светового пучка с порядком, на единицу большим порядка исходного пучка, осуществляют правоциркулярную поляризацию исходного пучка. 5444 1 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для формирования бесселева светового пучка с порядком, на единицу меньшим порядка исходного пучка, осуществляют левоциркулярную поляризацию исходного пучка.(56).,.,1992. - .31. -12. - Р. 2640-2643.92/06401 1. Изобретение относится к области оптики и лазерной физики и может быть использовано для осуществления нелинейно-частотных преобразований лазерного излучения, в био- и нанотехнологиях, а также в системах обработки и передачи оптической информации. В настоящее время наблюдается возрастание интереса к бесселевым световым пучкам(БСП), обладающим уникальным распределением амплитуды напряженности электрического поля А(, , ) (, ,являются координатами цилиндрической системы координат,оськоторой совпадает с направлением распространения пучка, в данном случае - с оптической осью), пропорциональной значению функции Бесселя , где М - некоторый масштабирующий числовой коэффициент,- порядок функции Бесселя и соответствующего ей БСП -го порядка (БСП), и простым Фурье-спектром в виде кольца, что делает эти пучки весьма удобным объектом для реализации многих классов нелинейнооптических взаимодействий. Известен способ формирования БСП нулевого порядка (БСП 0) из гауссовых и П-образных световых пучков, основанный на использовании конической линзы (аксикона) 1. Применяется также голографический метод формирования БСП 0 и БСП 1 2. Известные способы не позволяют получить из данного БСП одного порядка другой БСП любого заданного порядка. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ формирования светового пучка, основанный на придании световому пучку винтовой дислокации волнового фронта с использованием фазовой спиральной пластинки 3. Винтовая дислокация волнового фронта является существенным признаком БСП 1-го и высших порядков. Однако известный способ не позволяет формировать БСП. Задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности трансформации исходного БСП заданного порядка в БСП большего или меньшего порядка. Поставленная задача решается таким образом, что 1. В способе формирования бесселева светового пучка заданного порядка путем преобразования исходного светового пучка осуществляют преобразование исходного светового пучка, заключающееся в его циркулярной поляризации, пропускании циркулярно поляризованного пучка через двухосный кристалл, бинормаль которого параллельна оптической оси пучка, для трансформации его в два линейно поляризованных в ортогональных направлениях бесселевых световых пучка, один из которых имеет такой же порядок, как и исходный пучок, а другой - порядок, измененный на единицу, и формировании выходного пучка путем выделения посредством поляризатора-анализатора пучка с измененным порядком, который может быть использован в качестве исходного при повторном преобразовании до формирования пучка заданного порядка. 2. В способе по п. 1 для формирования бесселева светового пучка с порядком, на единицу большим порядка исходного пучка, осуществляют право-циркулярную поляризацию исходного пучка. 3. В способе по п. 1 для формирования бесселева светового пучка с порядком, на единицу меньшим порядка исходного пучка, осуществляют лево-циркулярную поляризацию исходного пучка. 2 5444 1 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 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 ту винтовую дислокацию волнового фронта, наличие которой необходимо при осуществлении преобразования исходного БСП в БСП большего или меньшего на единицу порядка. Предлагаемый способ по пп. 1-3 поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана оптическая схема установки, на которой реализуется предлагаемый способ на фиг. 2 - изображение выходного БСП 0, полученного на выходе из двухосного кристалла при преобразовании исходного БСП 0 на фиг. 3 - радиальное распределение интенсивности в выходном БСП 0, полученном при преобразовании исходного БСП 0, в сравнении с квадратом масштабированной функции Бесселя нулевого порядка на фиг. 4 - изображение выходного БСП 1, полученного на выходе из двухосного кристалла при преобразовании исходного БСП 0 на фиг. 5 - радиальное распределение интенсивности в выходном БСП 1 в сравнении с квадратом масштабированной функции Бесселя первого порядка на фиг. 6 - изображение спиральной интерференционной картины выходного БСП 1 с винтовой дислокацией волнового фронта и опорной сферической волны на фиг. 7 - рассчитанная математически конфигурация интерференционного максимума при наложении на поле с дислокацией волнового фронта поля опорной сферической волны на фиг. 8 - изображение выходного БСП 2, полученного на выходе из двухосного кристалла при преобразовании исходного БСП 1 на фиг. 9 - радиальное распределение интенсивности в выходном БСП 2 в сравнении с квадратом масштабированной функции Бесселя второго порядка. Предлагаемый способ по п. 1 осуществляется следующим образом. Исходный БСП 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 совпадает с оптической осью входного пучка, 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 фазовополяризационных эффектов, имевших место в кристалле 3, представляет собой БСП, а другой - БСП 1 либо БСП-1, в зависимости от ориентации четвертьволновой пластинки 2. Выделяют БСП с измененным порядком (1 или -1) с помощью поляризатораанализатора 5. Для получения из БСП БСП порядка 2, 3 и т.д. производят изменение порядка на единицу путем выделения БСП с порядком 1, 2 и т.д. и последующее пропускание его через аналогичную схему соответствующее количество раз. Если четвертьволновая пластинка 2 обеспечивает право-циркулярную поляризацию, то осуществляется способ по п. 2, то есть на выходе из кристалла 3 будет БСП порядка большего, чем , на единицу, если лево-циркулярную - то осуществляется способ по п. 3, и на выходе из кристалла 3 будет БСП порядка меньшего, чем , на единицу. Возможность осуществления предлагаемого способа по пп. 1-3 и решения поставленной задачи подтверждена экспериментально. Исходный БСП 0, полученный с помощью аксикона с углом при вершине 2.2 из коллимированного гауссова пучка гелий-неонового лазера с длиной волны излучения 0,632 нм, приобретал после прохождения тонкопленочного поляризатора 1 и четвертьволновой пластинки 2 право-циркулярную поляризацию и направлялся на двухосный кристалл КТР (КТРО 4) длиной 12 мм, шириной и высотой по 6 мм, со входной гранью, ориентированной перпендикулярно бинормали и оптической 3 5444 1 оси пучка. Поперечный размер БСП 0, формируемого аксиконом, в пределах расположения кристалла составил величину порядка 5 мм. После выхода из кристалла 3 право- и левоциркулярно поляризованные компоненты пучка преобразовывались в линейно поляризованные БСП 0 и БСП 1 с помощью четвертьволновой пластинки 4, затем поляризатороманализатором 5 выделялся один из них. Измерялось поперечное распределение интенсивности в выходных пучках и сопоставлялось с квадратами функции Бесселя нулевого и первого порядков. На фиг. 2 и фиг. 4 показаны изображения центральной части БСП 0 и БСП 1 на выходной грани кристалла, а на фиг. 3 и фиг. 5 - соответствующие поперечные распределения интенсивностей в сопоставлении с квадратами функций Бесселя 02 и 12. Экспериментальные распределения интенсивности в выходных пучках достаточно хорошо соответствуют квадратам соответствующих функций Бесселя. Кроме радиального распределения интенсивности, существенным признаком БСП 1 является дислокация волнового фронта. Для ее выявления был применен метод интерференции БСП 1 с опорной сферической волной. Для сравнения с экспериментом численно рассчитана конфигурация интерференционного максимума (фиг. 6). При этом для упрощения расчета вместо БСП 1 использовалось поле, пропорциональное , имеющее такую же дислокацию. Видно, что в случае интерференции со сферической опорной волной характерным признаком дислокации является спиральная структура. Указанная особенность интерференции наблюдалась и экспериментально. Изображение интерференционного поля БСП 1 и опорной сферической волны, имеющего спиральную структуру,приведено на фиг. 7. Процесс трансформации БСП 0 был продлен экспериментально до получения БСП 2 путем пропускания БСП 1 через схему, аналогичную описанной. Фотография центральной части БСП 2 представлена на фиг. 8, а радиальное распределение интенсивности в нем в сопоставлении с квадратом функции Бесселя второго порядка - на фиг. 9. Таким образом, полученные экспериментально данные подтверждают возможность трансформации БСП заданного порядка в БСП большего либо меньшего порядка. Источники информации 1..,.-.1992. - . 31. - . 12. - . 2640-2643. 2. Нее . , , . , . ..1994. - . 49. - . 6. - . 4922-4927. 3. , , . , ..112. - 1994. - . 321-327. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5