Способ формирования светового поля с локальными максимумами интенсивности

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СВЕТОВОГО ПОЛЯ С ЛОКАЛЬНЫМИ МАКСИМУМАМИ ИНТЕНСИВНОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Рыжевич Анатолий Анатольевич Солоневич Сергей Васильевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(56) СМИРНОВ А.Г. и др. Современные проблемы физики Сборник научных трудов конференции. - Минск Институт физики им. Б.ИСтепанова НАН Беларуси, 2006. - С. 41-45.6898 С 1, 2005.2061249 1, 1996.1768957 1, 1992.2005244195 , 2005.5943161 , 1999.2004161676 1, 2004.(57) Способ формирования светового поля с локальными максимумами интенсивности, в котором исходный синфазный когерентный монохроматический световой пучок с аксиально симметричным распределением интенсивности разбивают на три части, двум из которых, имеющим в поперечном сечении форму сегментов, симметричных относительно оптической оси пучка, придают отличие фазы наот фазы оставшейся части пучка, а затем пропускают весь пучок через собирающую линзу. 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. 14789 1 2011.10.30 С момента появления таких источников излучения как лазеры, пристальное внимание специалистов, работающих с ними, обращается на конфигурацию лазерных световых полей, являющихся своеобразными инструментами для работы. В настоящее время наблюдается возрастание интереса к т.н. градиентным световым полям, в которых имеются резкие перепады интенсивности в поперечном сечении, обладающим какой-либо симметрией либо являющимся периодическими. Благодаря наличию максимумов интенсивности,имеющих небольшие поперечные размеры по меньшей мере в одном из направлений, эти поля 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 поля, имеющие два и более максимумов интенсивности, расположенных друг относительно друга на определенном расстоянии. Часто такие поля имеют плоскость симметрии, что позволяет подвергать одновременному и одинаковому воздействию светового поля объекты, состоящие из двух и более аналогичных частей, находящиеся на некотором расстоянии друг от друга. Известен способ формирования световых полей с множеством максимумов интенсивности, имеющих форму полос, когда, формируя суперпозицию когерентных световых полей, получают интерференционную картину 1. При этом световая энергия поля распределена на все полосы, и одна максимум-полоса содержит ее сравнительно мало. Более того, энергия распределена еще и по каждой полосе. Существует способ формирования кольцевого светового поля из синфазного когерентного светового пучка с аксиально симметричным распределением интенсивности путем изменения распределения фазы по сечению пучка путем придания ему винтовой дислокации волнового фронта ненулевого порядка, благодаря которой на оси выходного пучка образуется нулевой минимум интенсивности, существующий во всей области существования данного пучка, окруженный максимумом интенсивности 2. Однако область высокой интенсивности данного светового поля в поперечном сечении представляет собой цельное замкнутое кольцо с аксиальной симметрией, по которому в данной плоскости распределена энергия света. Наиболее близким по технической сущности является способ формирования полого светового поля 3, включающий преобразование фазы синфазного когерентного монохроматичного светового пучка с аксиально симметричным распределением интенсивности, центральной круглой в сечении части светового пучка придают отличие фазы наот фазы остальной части пучка, уравнивают мощности частей пучка с противоположными фазами, затем весь пучок пропускают через собирающую линзу. В данном случае также получают световой пучок, в поперечных сечениях которого наблюдается либо один осевой максимум, либо один кольцевой максимум. Задачей настоящего изобретения является формирование светового поля с двумя и тремя локальными максимумами интенсивности в некоторых поперечных сечениях поля,в которых сконцентрирована большая часть его энергии. Поставленная задача решается таким образом, что в способе формирования светового поля с локальными максимумами интенсивности исходный синфазный когерентный монохроматический световой пучок с аксиально симметричным распределением интенсивности разбивают на три части, двум из которых, имеющим в поперечном сечении форму сегментов, симметричных относительно оптической оси пучка, придают отличие фазы наот фазы оставшейся части пучка, а затем пропускают весь пучок через собирающую линзу. 2 14789 1 2011.10.30 Возможность решения поставленной задачи объясняется следующим. Экспериментально вполне реализуемы монохроматичные когерентные синфазные световые пучки с аксиально симметричным распределением интенсивности. Возможно произвести наложение в поперечном сечении исходного, например, коллимированного Гауссова пучка ступенчатой модуляции фазы в областях, имеющих форму симметричных относительно центра сечения сегментов. Формирование двух аксиально симметричных областей светового поля, сдвинутых по фазе относительно друг друга на величину , достигается с помощью, например, специального оптического элемента, представляющего собой плоскопараллельную прозрачную пластину, размер которой существенно превышает диаметр начального пучка, с прямоугольной ступенькой (впадиной либо выступом), продольная ось симметрии которой перпендикулярно пересекает ось падающего пучка. Меньшая сторона ступеньки существенно меньше диаметра исходного пучка, а большая сторона существенно больше диаметра исходного пучка, причем оптическая толщина ступеньки равна/2, где- любое целое число,- длина волны используемого когерентного монохроматического излучения. При последующей фокусировке линзой за счет интерференции вблизи фокусной плоскости по обеим сторонам от оси пучка образуются два максимума интенсивности, между которыми на оси пучка располагается третий, пиковое значение интенсивности которого вблизи фокусной плоскости может быть равно пиковым значениям двух остальных максимумов. После фокусной плоскости энергия осевого максимума плавно уменьшается до нуля, плавно перетекая в боковые максимумы. Таким образом, вблизи фокусной плоскости и за ней основная часть энергии светового поля концентрируется либо в трех, либо в двух максимумах интенсивности. Если имеется оптический элемент с прямоугольной ступенькой определенной ширины и длины, то интенсивности частей пучка с противоположными фазами можно уравнять с помощью, например, круглой диафрагмы, ограничивающей диаметр исходного пучка. До диафрагмы часть пучка, не проходящая через ступеньку, должна иметь суммарную интенсивность, большую, чем суммарная интенсивность части пучка, проходящей через ступеньку. Уменьшая диаметр диафрагмы, можно достичь равенства суммарных интенсивностей частей пучка с противоположными фазами и, соответственно, получить после фокусирования собирающей линзой вблизи фокусной плоскости линзы и за ней сечения поля соответственно с двумя и тремя максимумами интенсивности. Равенства интенсивностей разнофазных частей пучка можно также достичь с помощью одного или двух плоскопараллельных фильтров либо их комбинаций, установленных напротив частей пучка с противоположными фазами. Можно также изменять диаметр исходного пучка посредством перестраиваемого телескопа. Предлагаемый способ поясняется фигурами, где на фиг. 1 показана одна из возможных оптических схем для формирования полого светового пучка (1 - лазер, генерирующий световой пучок с аксиально симметричным распределением интенсивности 2 - телескоп 3 - пластина с прямоугольной полуволновой ступенькой 4 - диафрагма с перестраиваемой апертурой 5 - линза 6 - микроскоп 7 - -камера для регистрации светового поля), на фиг. 2 приведено схематическое изображение пластины с прямоугольной полуволновой ступенькой и контура сечения падающего на нее пучка на фиг. 3 показано экспериментально полученное пространственное распределение интенсивности в зависимости от продольной координаты на фиг. 4 - продольное распределение интенсивности формируемого поля в плоскости, проходящей через ось пучка и локальные максимумы интенсивности, на фиг. 5 - поперечное распределение интенсивности на прямых, проходящих через пиковые значения интенсивности в сечении исходного пучка и в сечениях с тремя и двумя максимумами формируемого поля. Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. С помощью лазера и телескопа формируют монохроматичный коллимированный когерентный синфазный световой пучок необходимого радиуса, имеющий аксиально симметричное распределение 3 14789 1 2011.10.30 интенсивности, направляют его на пластину с полуволновой ступенькой, обеспечивающей сегментарным частям пучка отличие по фазе наот остальной части пучка. Затем уравнивают суммарные интенсивности частей пучка с противоположными фазами, пропуская измененный пучок через круглую диафрагму переменного диаметра (т.н. ирисовая диафрагма) либо через фильтры. После этого пучок пропускают через собирающую линзу и вблизи фокусной плоскости линзы получают световое поле с тремя и двумя максимумами интенсивности в поперечных сечениях. 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. 1, на основе лазера ЛГН-207 А (поз. 1) с аксиально симметричным распределением интенсивности в пучке и длиной волны 0,63 мкм. С помощью телескопа 2 лазерный пучок был расширен и затем направлен на плоскопараллельную пластину 3 с цилиндрической ступенькой-выступом на поверхности, имеющей толщину, кратную половине длины волны лазерного излучения. Затем ирисовой диафрагмой 4 уравнивались интенсивности частей пучка с противоположными фазами. После этого пучок направлялся на собирающую линзу 5 с фокусным расстоянием 16 см, и с помощью микроскопа 6 и -камеры 7 регистрировалось пространственное распределение интенсивности в выходном пучке, показанное на фиг. 3. На фиг. 2 показано положение светового пучка 10 относительно полуволновой ступеньки 9 на плоскопараллельной пластине 8. На расстоянии от линзы, равном ее фокусному расстоянию, вокруг оптической оси благодаря интерференции парциальных световых волн с противоположными фазами существуют сечения с двумя и тремя максимумами интенсивности, причем в некоторых из них пиковые значения интенсивности максимумов равны между собой (см. фиг. 3 и 4). Все используемые в схеме на фиг. 1 оптические элементы являются лучепрочными, благодаря чему при использовании мощного лазера можно получить высокоинтенсивное и высокоградиентное полое световое поле, с помощью которого можно перемещать единичные микрочастицы, показатель преломления которых ниже показателя преломления той жидкой среды, где они находятся. Достоинством предлагаемого способа является то, что в процессе преобразования светового пучка не происходит поглощение энергии, т.е. эффективность преобразования очень высока. Поскольку в определенных поперечных сечениях поля, вблизи от фокусной плоскости линзы, распределение интенсивности поля представляет собой два ярких пятна, находящихся на небольшом расстоянии друг от друга, его можно успешно использовать в процессах лазерной сварки металлов встык. Благодаря малой интенсивности излучения в месте зазора между двумя свариваемыми деталями можно избежать прожига, который зачастую появляется при проведении лазерной сварки обычными гауссовыми пучками, у которых как раз напротив зазора имеется локальный максимум интенсивности. То, что распределения интенсивности локальных максимумов в сечениях сформированного поля с двумя (см. поз. 13 на фиг. 5) и тремя(поз. 12 на фиг. 5) максимумами сходны по форме, размерам, мощности и градиенту интенсивности с распределением интенсивности начального гауссова пучка (поз. 11 на фиг. 5), повышает практическую ценность предлагаемого способа. Таким образом, полученные экспериментально результаты подтверждают возможность формирования светового поля с двумя и тремя локальными максимумами интенсивности в поперечных сечениях поля посредством предлагаемого способа. Источники информации 1. Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. - М. Наука, 1988. - С. 347-352. 2. Патент РБ на изобретение 5445, МПК 02 1/01, 2003. 14789 1 2011.10.30 3. Смирнов А.Г., Рыжевич А.А. Метод формирования полого светового поля. Современные проблемы физики сборник научных трудов конференции. - Минск Институт физики им. Б.И.Степанова НАН Беларуси, 2006. - С. 41-45. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6