Устройство формирования светового пучка с радиальной или азимутальной поляризацией

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ СВЕТОВОГО ПУЧКА С РАДИАЛЬНОЙ ИЛИ АЗИМУТАЛЬНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б. И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Белый Владимир НиколаевичКазак Николай СтаниславовичКренинг МихаэльКурилкина Светлана Николаевна Мащенко Александр Георгиевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б. И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Устройство формирования светового пучка с радиальной или азимутальной поляризацией, содержащее коническую линзу, отличающееся тем, что оно содержит пластинку,выполненную из одноосного кристалла с нанесенным с обеих сторон поляризационным селективным покрытием, при этом оптическая ось кристалла ориентирована параллельно оптической оси устройства, перед пластинкой последовательно установлены четвертьволновая пластинка и телескопическая система, содержащая две линзовые компоненты, между которыми установлена коническая линза с возможностью перемещения вдоль оси телескопической системы. 9801 1 2007.10.30 Изобретение относится к области оптики и лазерной физики и может быть использовано в качестве поляризатора в проекционных аппаратах для формирования тонких образцов, требуемых при изготовления больших интегральных схем, в эллипсометрии при зондировании ряда свойств, включая толщину пленок, морфологию или химический состав, в системах управления движением микрочастиц, при транспортировке энергии лазерного излучения в полых световодах, в оптической микроскопии. Известно устройство для преобразования линейно поляризованного света в свет с радиальной либо азимутальной поляризацией 1, включающее специальный фазовый преобразователь и четвертьволновую пластинку. Фазовый преобразователь изготовлен из одноосного кристалла в виде диска, одна из сторон которого плоская, а вторая выполнена таким образом, что толщина дискаявляется линейной функцией азимутального угла 0(/( - о( -21),0,2,и- необыкновенный и обыкновенный показатели преломления кристалла,- длина волны света. Таким образом, поверхность фазового преобразователя имеет винтовую форму. Использование данного поляризационного устройства ограничено вследствие вносимых фазовым преобразователем искажений светового пучка, а также возможности получения световых пучков только с азимутальной поляризацией. Известно устройство для преобразования падающего светового пучка в радиально поляризованный свет, состоящее из двух (вогнутой и выпуклой) конических линз, имеющих согласованные формы и различные показатели преломления 2. Световой пучок на границе соприкосновения двух конических линз разделяется на- (азимутально) и- (радиально) поляризованные пучки, первый из которых отражается. Данное устройство позволяет получить световые пучки только с радиальной поляризацией, а также имеются значительные технологические сложности при изготовлении линзы с вогнутой конической поверхностью. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство формирования световых пучков с радиальной или азимутальной поляризацией 3, включающее, по крайней мере, одну коническую линзу с нанесенным на коническую поверхность поляризационным селективным покрытием. Данное устройство позволяет получить световой пучок с радиальной, либо азимутальной поляризацией. При необходимости изменения поляризации выходного светового пучка требуется замена формирующего устройства, что приводит к потере оперативности. Задачей данного изобретения является создание управляемого поляризационного устройства, в котором возможно изменение поляризации выходного светового пучка от радиальной до азимутальной и наоборот. Поставленная задача решается следующим образом. Устройство формирования светового пучка с радиальной или азимутальной поляризацией, содержащее коническую линзу,содержит также пластинку, выполненную из одноосного кристалла с нанесенными с обеих сторон поляризационными селективными покрытиями. Оптическая ось кристалла ориентирована параллельно оси устройства. Перед пластиной последовательно установлены четвертьволновая пластинка и телескопическая система, содержащая две линзовые компоненты. Между компонентами телескопической системы установлена коническая линза с возможностью перемещения вдоль оси системы. Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена оптическая схема заявляемого устройства на фиг. 2 приведена пластина из одноосного кристалла с нанесенными на нее поляризационными селективными покрытиями на фиг. 3 приведена зависимость коэффициента пропускания кристаллического элемента с нанесенными селективными покрытиями от угла падения света на фиг. 4 приведено распределение азимутальной поляризации в световом пучке по его сечению фиг. 5 иллюстрирует распределение радиальной поляризации по сечению светового пучка. 9801 1 2007.10.30 Устройство, схематически изображенное на фиг. 1, согласно заявляемому изобретению содержит последовательно расположенные четвертьволновую пластинку 1 и телескопическую систему, состоящую из линзовых компонент 2 и 3. Внутри телескопической системы установлена коническая линза 4 с возможностью перемещаться вдоль оси телескопической системы. После телескопической системы установлена пластина 5 из одноосного кристалла, на торцевые поверхности которого нанесены слоисто-периодические структуры 6 и 7. Оптическая ось кристалла совпадает с оптической осью устройства. На фиг. 1 введены обозначения ОО - оптическая ось устройства 1 - фокусное расстояние линзовой компоненты 2 телескопической системы 2 - фокусное расстояние линзовой компоненты 3- расстояние от точки общего фокуса сферических компонент 2 и 3 до конической линзы 4-угол между плоской поверхностью конической линзы и образующей ее конусной поверхностью- угол конусности плоскопараллельного светового пучка, последовательно прошедшего через линзовый компонент 2 телескопической системы,коническую линзу 4 и линзовый компонент 3 телескопической системы. Для наглядности световой пучок обозначен лучами в виде отрезков прямых со стрелками. На фиг. 2 показана пластинка из одноосного кристалла 5 с нанесенными на нее поляризационными селективными покрытиями 6 и 7, выполненными в виде слоистой периодической структуры. Слоистая периодическая структура покрытий 6 и 7 состоит из чередующихся слоев 8 и 9, причем слои 8 и 9 имеют различный показатель преломления. Ориентация оптической оси одноосного кристалла показана стрелкой 10. Фиг. 3 иллюстрирует зависимость коэффициента пропускания света с длиной волны 0,633 нм через пластинку из кристалла 5 с нанесенными на нее селективными покрытиями 6 и 7 (фиг. 2) от угла падения. Сплошные линии соответствуют пропусканию света с радиальной поляризацией, пунктирные - пропусканию азимутально поляризованного света. Расчет выполнен для случая, когда пластинка 5 изготовлена из одноосного кристалла ниобата лития толщиной 1 мм. Слоистые периодические структуры селективных поляризационных покрытий 6 и 7 имели по восемь слоев, причем слои 8 с показателем преломления 12,0 имеют толщину 90 нм, а для слоев 9 толщиной 120 нм показатель преломления 21,45. Следует отметить, что полное пропускание света с радиальной поляризацией соответствует практически полному отражению волн, имеющих азимутальную поляризацию, и наоборот. На фиг. 4 приведено сечение светового пучка с азимутальной поляризацией. Фиг. 5 иллюстрирует распределение радиальной поляризации по сечению светового пучка. Устройство работает следующим образом Линейно поляризованный монохроматический коллимированный световой пучок, падающий на устройство, после прохождения четвертьволновой пластинки 1 приобретает циркулярную поляризацию. После прохождения четвертьволновой пластинки 1 свет направляется на телескопическую систему с компонентами 2 и 3, между которыми установлена коническая линза 4. Данная оптическая система формирует конический световой пучок с углом конусности , который представляет собой угол между лучами в световом пучке и оптической осью устройства ОО. Угол конусности светового пучка на выходе телескопической системы определяется углом преломленияконической линзы 4 расположением внутри телескопической системы и зависит от оптической силы компонент 2 и 3 телескопической системы 1 1(2 )(1),/2 , 22 где- угол конусности светового пучка после прохождения конической линзы в отсутствие телескопической системы. Его величина находится из уравнения 9801 1 2007.10.30 где- показатель преломления материала, из которого изготовлена коническая линза 4 4. В случае малости углапри основании конической линзы можно ограничиться параксиальным приближением. В этом случае угол конусностиравен(3)(-1),а угол конусности светового пучка, прошедшего через телескопическую систему из компонент 2 и 3 с конической линзой 4, определяется из следующего соотношения(4)/2. Как следует из выражений (1) и (4), величина угла конусностисветового пучка зависит от отрезка , т.е. от расположения конической линзы 4 относительно компонент 2 и 3 телескопической системы. Таким образом, углом конусности светового пучкаможно управлять путем перемещения вдоль оси телескопической системы конической линзы 4. После телескопической системы конический световой пучок с циркулярной поляризацией падает на оптический элемент, представляющий собой пластинку 5 из кристалла с нанесенными на него поляризационными селективными покрытиями 6 и 7. Как видно на фиг. 3, пропускание данного оптического элемента зависит от угла падения света, т.е. от угла конусности светового пучка. При контролируемом управлении углом конусности светового пучка перемещением конической линзы 4 на выходе устройства можно формировать световой пучок с определенным типом поляризации азимутальной - фиг. 4 либо радиальной - фиг. 5. Для подтверждения возможности осуществления предлагаемого устройства и решения поставленной задачи приведены расчеты и экспериментальные исследования при следующих параметрах оптических компонент. Для преобразования исходного светового пучка гелий-неонового лазера с длиной волны излучения 0,632 мкм из линейно в циркулярно поляризованный использовалась стандартная четвертьволновая пластинка. Телескопическая система состояла из двух линз с фокусными расстояниями, равными 1300 мм и 260 мм. При исследованиях использовалась коническая линза с углом преломления , равным 2,1, изготовленная из стекла с показателем преломления 1,5. Пластинка из ниобата лития с селективными покрытиями была изготовлена в соответствии с расчетом, результаты которого приведены на фиг. 3. Пространственное распределение поляризации после устройства анализировалось с помощью поляризатора и фиксировалось ПЗС-матрицей. Перемещение конической линзы 4 осуществлялось от точки общего фокуса линз 2 и 3 телескопической системы до линзы 2. В результате измерений установлено, что при перемещении конической линзы 4 от точки общего фокуса линз 2 и 3 в направлении линзы 2 поляризация выходного пучка изменяется. На выходе устройства поочередно формируется пучок с азимутальной либо радиальной поляризацией. При величине отрезка , равной 168,6 мм, на выходе заявляемого устройства формируется пучок света с азимутальной поляризацией. При увеличении отрезкана величину, равную 7,8 мм, на выходе устройства формируется пучок света с радиальной поляризацией. Результаты этих измерений соответствуют рассчитанным значениям, приведенным на фиг. 3. Данные эксперимента совпадают с проведенным численным расчетом. Таким образом, полученные экспериментальные и теоретические результаты подтверждают возможность формирования световых пучков с радиальной или азимутальной поляризацией. Источники информации Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.