Устройство для формирования бесселева светового пучка

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ БЕССЕЛЕВА СВЕТОВОГО ПУЧКА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Солоневич Сергей ВасильевичРыжевич Анатолий АнатольевичКазак Николай СтаниславовичТурки Сауд Мохаммед Аль-СаудСолиман Хаммад АльХовайтерМуханна Камал АльМуханна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Устройство для формирования бесселева светового пучка, содержащее оптическую систему для формирования совмещенных вдоль одной оси не интерферирующих между собой бесселевых световых пучков нулевого порядка различных углов конусности, отличающееся тем, что включает в себя конечное количество от 2 долазерных источников с различными длинами волн 1, 2, ,генерируемого ими излучения, удовлетворяющими условию 1/12/2/, где 1, 2, ,- углы конусности соответствующих совмещаемых бесселевых пучков, и такое же количество устройств для независимой вариации интенсивности излучения в совмещаемых пучках.(56) 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. 2. Патент РБ на изобретение 11394, МПК 02 1/01, 2008. 3. Патент РБ на изобретение 11522, МПК 02 1/01, 2009. Предлагаемая полезная модель относится к области оптики и лазерной физики и может быть использована для управления нано- и микрообъектами, для воздействия на органические клетки и ее компоненты, для неразрушающего оптического контроля и лазерной обработки материалов, а также для формирования цветных изображений. 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 т.н. 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 значительно превышающий остальные по пиковому значению осевой максимум интенсивности достаточно малых поперечных, но при этом больших продольных размеров. Малые поперечные размеры осевого максимума интенсивности позволяют с большой точностью воздействовать мощным лазерным излучением на объекты малых размеров или производить обработку конкретного участка объекта, минимизируя воздействие на оставшуюся часть объекта. Как раз такими свойствами обладают бесселевы световые пучки(БСП) нулевого порядка. Поперечное радиальное распределение интенсивностив них описывается возведенной в квадрат функцией Бесселя соответствующего порядка 2(0 ( ) , 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, радиусу центрального максимума соответствует расстояние от оптической оси (радиальная координатаравна 0) до ближайшей точки,где интенсивность равна 0. 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. Известны устройства, например конические оптические элементы, служащие для формирования световых полей в виде БСП 0 1. Однако данные устройства не позволяют формировать бесселев световой пучок нулевого порядка, содержащий свет двух или большего конечного количества различных длин волн. 88302012.12.30 Существует устройство для реализации способа формирования светового поля в виде суперпозиции бесселевых световых пучков 2, включающее два источника лазерного излучения с одинаковыми длинами волн и оптическую систему для формирования и совмещения вдоль одной оси двух когерентных не интерферирующих между собой монохроматических бесселевых световых пучков первого и нулевого порядков с одинаковыми углами конусности и длинами волн. Однако это устройство формирует монохроматическое световое поле с радиальным распределением интенсивности, отличным от квадрата функции Бесселя нулевого порядка. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для формирования светового поля в виде суперпозиции двух когерентных и при этом не интерферирующих между собой соосных бесселевых световых пучков одной длины волны и различных углов конусности 3, но данное устройство формирует выходное поле с радиальным распределением интенсивности, отличающимся от бесселева. Кроме того, выходное поле также является монохроматическим. Задачей предлагаемой полезной модели является формирование светового пучка, радиальное распределение интенсивности в котором описывается квадратом функции Бесселя нулевого порядка, содержащего свет двух либо большего конечного количества различных дискретных длин волн. Поставленная задача решается таким образом, что предлагаемое устройство для формирования мультихроматического бесселева светового пучка, содержащее оптическую систему для формирования совмещенных вдоль одной оси не интерферирующих между собой бесселевых световых пучков нулевого порядка различных углов конусности, которое включает в себя конечное количество от 2 долазерных источников с различными длинами волн 1, 2, ,генерируемого ими излучения, удовлетворяющими условию 1/12/2/, где 1, 2, ,- соответствующие углы конусности совмещаемых бесселевых пучков, и такого же количества устройств для независимой вариации интенсивности излучения в совмещаемых пучках. Предлагаемое устройство состоит из конечного количества от 2 доисточников лазерного излучения, генерирующих световые пучки с различными длинами волн 1, 2, оптическую систему для формированиясовмещенных вдоль одной оси бесселевых световых пучков с различными углами конусности 1, 2, , , удовлетворяющими условию 1/12/2/, и устройств для независимой вариации интенсивности излучения в каждом из совмещаемых бесселевых световых пучков в количестве, равном количеству источников лазерного излучения. Устройство работает следующим образом источники лазерного излучения в количестве от 2 догенерируют световые пучки, имеющие различные длины волн 1, 2, , ,оптическая система для формирования когерентных бесселевых световых пучков и совмещения их вдоль одной оси формирует некогерентную суперпозицию пучков с углами конусности 1, 2, , , удовлетворяющими условию 1/12/2/, имеющую бесселево радиальное распределение интенсивности, устройства для независимой вариации интенсивности излучения в каждом из совмещаемых бесселевых световых пучков регулируют цвет выходного мультихроматического бесселева светового пучка. Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана оптическая схема варианта устройства для формирования мультихроматического бесселева светового пучка с 2 источниками лазерного излучения на фиг. 2 приведено диаметральное распределение интенсивности в поперечном сечении совмещаемых бесселевых световых пучков различных длин волн и результирующего мультихроматического бесселева пучка. Возможность решения поставленной задачи объясняется следующим. Интенсивность суперпозициинеинтерферирующих БСП 0 нулевого порядка различных длин волн 1, 2 и различных углов конусности 1, 2, ,с различными пиковыми значениями осевых мак 3 88302012.12.30 симумов описывается функцией радиальной координаты , представляющей собой сумму 2 2 2 квадратов функций Бесселя нулевого порядка 10 (21 / 1 )20 (22 /2 )2 220 (2/) , где А 1, А 2, ,- амплитуды полейсоставляющих БСП 0. При выполнении условия 1/12/2/интенсивность выходного поля будет 2 2 2 2 описываться выражением 10 (2)20 (2)20 (2)2 2 2(122 ) 0 (2), т.е. радиальное распределение выходного поля будет 2 бесселевым. На практике для получения мультихроматического БСП 0 допустимо выполнение приближенного равенства 1/12/2/. Техническое воплощение предлагаемого устройства также вполне осуществимо. В настоящее время, в принципе, существует широкий выбор источников лазерного излучения различных длин волн, включая источники с выбором из нескольких длин волн генерации и даже с плавно перестраиваемой длиной волны излучения. В их числе всевозможные генераторы гармоник, параметрические генераторы света (ПГС) и перестраиваемые лазеры на красителях. Выпускаются лазерные диоды, генерирующие излучение на очень большом количестве длин волн в красном и ближнем ИК-диапазонах,поэтому не составляет технической трудности выбрать источники лазерного излучения,обеспечивающие необходимое сочетание цветов совмещаемых БСП. Предпочтительно,чтобы лазерные пучки были коллимированными, т.е. имели как можно меньшую расходимость. Возможно создание различных вариантов оптической системы для формирования и совмещения вдоль одной оси нескольких БСП 0 с различными длинами волн 1, 2 и соответствующими углами конусности 1, 2, , , в общем случае состоящей из установленных необходимым образом от 0 дотелескопических систем для уменьшения расходимости и подстройки диаметра пучков, -1 поворотных зеркал или призм, -1 селективных зеркал, светоделительных кубиков или пластин и от 1 дооптических элементов или систем для раздельного либо совместного формирования БСП, например конических элементов или систем кольцевая диафрагма-линза. Независимая регулировка интенсивности совмещаемых БСП 0 может осуществляться посредствоматтенюаторов(фильтров-ослабителей) для каждой из используемых длин волны излучения. Возможность решения поставленной задачи подтверждена экспериментально. Для этого был собран вариант предлагаемого устройства с двумя источниками излучения различных длин волн, оптическая схема которого показана на фиг. 1. В качестве источников лазерного излучения 1 и 2 использовались соответственно гелий-неоновый лазер ГН-25-1(длина волны 1632,8 нм, производство Плазма, Рязань, Россия) и гелий-кадмиевый лазер ГККЛ-25 (длина волны 2441,6 нм, производство Плазма, Рязань, Россия). Для уменьшения расходимости и подстройки диаметра пучков лазера 1 и лазера 2 использовались соответственно телескопы 3 и 4. Для совмещения пучков вдоль одной оси использовалось поворотное зеркало 5 и делительный кубик 6. Для формирования двух соосных БСП с различными длинами волн и углами конусности использовалась система из двухкольцевой диафрагмы 7 и собирающей сферической линзы 8. Кольца двухкольцевой диафрагмы 7 имели диаметры с отношением 1/21,472. На большее кольцо падал красный свет с большей длиной волны, на меньшее кольцо падал синий свет с меньшей длиной волны. Больший диаметр кольца соответствует большему углу конусности БСП 0, формируемого системой из кольцевой диафрагмы и линзы (1/21/2). Поскольку соотношение длин волн 1/2 было равно 1,430, то выполнялось приближенное равенство 1/22/2 и, соответственно, соблюдалось условие 1/12/2. Диафрагма 9 в виде круглого отверстия обеспечивала попадание излучения лазера 2 с меньшей длиной волны только на меньшее кольцо двухкольцевой диафрагмы 7, а диафрагма 10 в виде круглого диска обеспечивала попадание излучения лазера 1 с большей длиной волны только на большее кольцо диафрагмы 7. Аттенюаторы 11 и 12 использовались для вариации интенсивности 88302012.12.30 световых пучков от источников лазерного излучения 1 и 2 соответственно. Вблизи фокусной плоскости линзы 8, производящей оптическое Фурье-преобразование кольцевых световых полей в БСП, с помощью микроскопа 13 и -камеры 14 можно было наблюдать и регистрировать как парциальные монохроматические (при выключении какого-либо из источников лазерного излучения), так и результирующий мультихроматический, в данном случае двухцветный (бихроматический) результирующий БСП 0. На фиг. 2 представлены диаметральные распределения интенсивности в поперечном сечении синего, красного и двухцветного БСП 0. Выполнения приближенного равенства 1,4301,472, как показали исследования, достаточно, чтобы получить результирующее выходное поле в виде БСП 0. Применение третьего источника, генерирующего, например, зеленый свет с длиной волны меньшей, чем у красного, и большей, чем у синего излучения, и трехкольцевой диафрагмы с соответствующими диаметрами колец, позволит сформировать трехцветный результирующий БСП 0. Как известно, источников света трех различных длин волн в красной, зеленой и синей областях спектра при условии независимой вариации их по интенсивности достаточно для синтеза полной гаммы цветов, различаемых человеческим глазом, в рамках аддитивной цветовой модели(от английских слов , , ). Поэтому предлагаемое устройство в силу малого диаметра центрального максимума интенсивности можно использовать для непосредственного формирования высокоразрешающих цветных изображений либо создания так называемых лазерных карандашей с целью последующего нанесения изображений на цветочувствительные материалы, в том числе объемные. Возможно также применение источников излучения с большим конечным числом длин волн излучения. Таким образом, полученные результаты подтверждают возможность формирования мультихроматического бесселева светового пучка и решения поставленной задачи посредством предлагаемого устройства. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5