Способ формирования перестраиваемого бесселева светового пучка

СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПЕРЕСТРАИВАЕМОГО БЕССЕЛЕВА СВЕТОВОГО ПУЧКА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики им. Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Мащенко Александр Георгиевич Лепарский Владимир Евгеньевич Рыжевич Анатолий Анатольевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики им. Б. И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Способ формирования перестраиваемого бесселева светового пучка путем трансформации исходного когерентного светового пучка, отличающийся тем, что исходный когерентный световой пучок пропускают по оптической оси электрооптического кристалла, в котором создают линейную зависимость показателя преломления от радиальной координаты относительно оси кристалла посредством приложения электрического поля, а перестройку угла конусности выходного бесселева светового пучка осуществляют путем изменения величины приложенного электрического поля. 7243 1 2005.09.30 Предполагаемое изобретение относится к области оптики и лазерной физики и может быть использовано для осуществления нелинейно-частотных преобразований лазерного излучения, для манипулирования нано- и микрообъектами, для воздействия на органические клетки и ее компоненты, для лазерной обработки материалов, а также в системах передачи и обработки оптической информации. В настоящее время наблюдается возрастание интереса к т.н. градиентным световым пучкам, в которых имеются резкие перепады интенсивности в поперечном сечении, обладающие какой-либо (например, аксиальной) симметрией. Одними из наиболее известных пучков такого типа являются бесселевы световые пучки (БСП) нулевого и высших порядков. БСП имеют большое количество концентрично расположенных кольцевых максимумов и минимумов интенсивности и являются аксиально симметричными. Поперечное радиальное распределение интенсивностив них описывается возведенной в квадрат функцией Бесселя соответствующего порядка (2, где- функция Бесселя -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, а в БСП высших порядков (БСП,0) - вид круглого светлого кольца. 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 центре поперечного сечения БСП высших порядков наблюдается минимум интенсивности в виде круглого темного пятна. При использовании БСП в качестве световых ловушек для частиц частицы в зависимости от длины волны излучения могут удерживаться как в минимуме, так и в максимуме интенсивности, где существует значительный градиент интенсивности. Т.к. в центральном максимуме интенсивности БСП, имеющем небольшие размеры, существует наибольшая в поперечном сечении интенсивность излучения, эти пучки могут использоваться для точной лучевой обработки материалов, а также для воздействия на живые клетки и ее компоненты. 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. Иногда целесообразно использовать световые пучки с изменяющимися в зависимости от продольной координаты размерами центрального максимума интенсивности, например, для фокусировки пучков охлажденных частиц в нанотехнологиях. Для формирования БСП наиболее часто используют известные способы на основе конических оптических элементов, например конической линзы - аксикона 1, отражающей конической поверхности - рефлаксикона 2 и голографический способ 3. Однако эти способы для данной длины волны излучения позволяют формировать БСП с единственным конкретным расположением минимумов и максимумов интенсивности, зависящим от угла при основании конусной поверхности аксикона, в то время как для многих приложений, в частности, связанных с манипулированием частицами, бывают необходимы различные размеры, к примеру, центрального, наиболее яркого максимума БСП как в зависимости от продольной координаты, так и в конкретном поперечном сечении бесселева пучка. Существует способ формирования ПБСП с помощью плоских оптических элементов,имеющих радиальный градиент показателя преломления 4, однако данный способ не позволяет перестраивать распределение интенсивности, описываемое квадратом функции Бесселя,в поперечном сечении пучка с точки зрения расстояния между максимумами интенсивности. Известен способ формирования БСП с перестраиваемым углом конусности 5. Пропуская исходный световой пучок через оптическую систему, состоящую из двух сферических линз, которые образуют телескоп, и аксикона, расположенного между ними, получают БСП 0,размеры центрального максимума которого зависят от расположения аксикона по отношению 2 7243 1 2005.09.30 к линзам, но являются постоянными на всем протяжении БСП для конкретного местоположения аксикона. Это значит, что известный способ не позволяет формировать БСП, размеры центрального максимума в котором зависят от продольной координаты. Кроме того, для перестройки необходимо точное позиционирование аксикона на оси схемы, что при практической реализации требует либо использования дорогостоящей быстрой и высокоточной механики, либо существенных затрат времени на юстирование оптической схемы. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ изменения кривизны волнового фронта (фокусирования и дефокусирования) светового пучка посредством пропускания его через электрооптический кристалл, входящий в состав электрооптической сферической линзы с перестраиваемым фокусным расстоянием 6. Однако известный способ не позволяет формировать перестраиваемый по углу конусности БСП. Задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности трансформации исходного когерентного светового пучка, обладающего аксиально симметричным распределением интенсивности в поперечном сечении, в БСП той же длины волны с возможностью перестройки угла конусностии, соответственно, размеров центрального максимума интенсивности. Поставленная задача решается таким образом. В способе формирования перестраиваемого бесселева светового пучка путем трансформации исходного когерентного светового пучка исходный когерентный световой пучок пропускают по оптической оси электрооптического кристалла, в котором создают линейную зависимость показателя преломления от радиальной координаты относительно оси кристалла посредством приложения электрического поля, а перестройку угла конусности выходного бесселева светового пучка осуществляют путем изменения величины приложенного электрического поля. Возможность решения поставленной задачи объясняется следующим. Наложение поля на среду может вызвать в ней как линейный, так и квадратичный электрооптический эффект(соответственно, эффект Поккельса и Керра), выражающийся в изменении показателя преломления. Квадратичный электрооптический эффект в той или иной степени присущ всем веществам, однако он, вообще говоря, в большинстве случаев дает малые изменения показателя преломления. Более сильным является линейный электрооптический эффект, который имеет место, например, в нецентросимметричных кристаллах. В случае линейного электрооптического эффекта электрическое поле с заданным распределением вызывает в кристалле точно такое же распределение показателя преломления. Поэтому для того, чтобы кристалл оказывал такое же преломляющее воздействие на световой пучок, как и коническая линза,использующаяся обычно для формирования БСП, необходимо создать пропорциональное радиальной координате распределение электрического поля в электрооптической среде. Такое распределение может быть создано, например, с помощью системы плоских электродов. На одну грань электрооптической среды наносят сплошной прозрачный электрод, на противоположную - наносят электроды, выполненные в виде концентрических окружностей, к которым подводят питание таким образом, чтобы обеспечить линейную зависимость коэффициента преломления от радиальной координаты. Кроме обычных кристаллов, могут быть использованы жидкие кристаллы. В этом случае электроды необходимо наносить на противолежащие внутренние стенки прозрачной кюветы, в которой содержится жидкий кристалл. Предлагаемый способ поясняется фигурой, на которой показан вариант схемы предлагаемого способа формирования перестраиваемого БСП на основе электрооптического эффекта, где 1 - оптическая ось схемы, 2 - электрооптическая среда в виде плоскопараллельной кристаллической пластины, 3 - система прозрачных электродов в виде концентрических окружностей, 4 - проводники, 5 - сплошной прозрачный электрод. Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Исходный когерентный световой пучок, оптическая ось которого совпадает с оптической осью схемы и кристалла 1, для получения перестраиваемого БСП пропускают через электрооптическую среду 2. Прозрачные электроды 3, напыленные окисью олова в виде концентрических окружностей, с помощью 3 7243 1 2005.09.30 проводников 4 подключают к источнику питания через специальный делитель напряжения таким образом, чтобы потенциал электрода, находящегося на расстоянииот центра конической линзы, был равен /, где- разность потенциалов между электродом, находящимся в центре, и крайним электродом, расположенным на расстоянииот центра. Центральный электрод при этом накоротко соединяют со сплошным электродом 4, находящимся на противоположной стороне кристаллической пластины. Возникающее при этом электрическое поле,благодаря линейному электрооптическому эффекту, создает в кристалле спадающее (возрастающее) по линейному закону с радиальной координатойизменение показателя преломления , что обеспечивает формирование бесселева светового пучка из исходного. Регулируя подаваемое напряжение, изменяют коэффициент пропорциональности в линейном законе зависимостиоти осуществляют таким образом перестройку угла конусности БСП и распределения интенсивности во всех его поперечных сечениях. Вместо концентрических электродов можно использовать сплошной электрод в виде круга с таким распределением проводимости, что напряжение между центральной точкой и произвольной точкой этого электрода линейно зависит от расстояниямежду ними. Возможность осуществления предлагаемого способа и решения поставленной задачи подтверждена расчетным образом. При подключении данной конической линзы к источнику напряжения в объеме кристалла между любым из кольцевых и сплошным электродами возникает электрическое поле следующей величины где- толщина кристалла в направлении распространения света. Данное поле, благодаря линейному электрооптическому эффекту, создает в кристалле изменяющееся по линейному закону с координатойизменение показателя преломления 1 где- показатель преломления кристалла в отсутствии поля,- электрооптический коэффициент. Наведенная неоднородностьприводит к отклонению в радиальном направлении световых лучей, прошедших через кристалл. В рамках параксиального приближения с учетом преломления на выходной грани величина угла отклонения(угла конусности выходного БСП) при этом равна 1 Из (3) следует, что уголне зависит от радиальной координаты и действие электрооптического кристалла на световой пучок эквивалентно действию конической линзы с угломпри основании, равным 30(4) 2(1) Изменяя приложенное к электродам напряжение, легко управлять величиной угла конусности. Область регулировки напряжения изменяется от нуля при 0, когда устройство эквивалентно плоскопараллельной пластинке, до некоторого значения, определяемого пробойным напряжением межэлектродных промежутков либо кристалла. Например, при использовании кристалла ниобата лития, когда его оптическая ось совпадает с осью устройства и оптической осью преобразуемого и формируемого пучков, для исходного пучка света диаметром 5 мм при управляющем напряжении 10 кВ пропускание исходного пучка через описанную схему эквивалентно пропусканию такого же пучка через аксикон, изготовленный из стекла с углом при основании 4,5. Современные технологии не позволяют изготавливать конические линзы с настолько малыми углами при основании конической по 4 7243 1 2005.09.30 верхности, поэтому предлагаемый метод легко найдет применение в областях, где необходимы БСП малых углов конусности, обладающие большой протяженностью, в частности,для контроля и измерения характеристик протяженных прозрачных сред, таких как атмосфера и гидросфера. Полезной особенностью схемы является то, что при данной ориентации кристалла она пригодна для преобразования неполяризованного света. Предлагаемый способ пригоден для той области спектра, в которой используемый электрооптический кристалл является прозрачным. Для кристалла ниобата лития, например, диапазоном пропускания по уровню 0 является область длин волн от 0,4 до 5,5 мкм. Таким образом, полученные результаты подтверждают возможность формирования перестраиваемого БСП посредством предлагаемого способа. Источники информации 1..,.Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5