Способ формирования суперпозиции бесселевых световых пучков и устройство для его осуществления

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СУПЕРПОЗИЦИИ БЕССЕЛЕВЫХ СВЕТОВЫХ ПУЧКОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Солоневич Сергей Васильевич Рыжевич Анатолий Анатольевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Способ формирования суперпозиции бесселевых световых пучков, включающий формирование и совмещение вдоль одной оси двух когерентных неинтерферирующих друг с другом монохроматических бесселевых световых пучков нулевого порядка, отличающийся тем, что указанные пучки формируют с одинаковыми углами конусности, равными интенсивностями в осевых максимумах и различными длинами волн 1 и 2,выбранными из соотношения 1,41/21,5. 2. Устройство для формирования суперпозиции бесселевых световых пучков, содержащее два источника лазерного излучения и оптическую систему для формирования из световых пучков, создаваемых указанными источниками, и совмещения вдоль одной оси двух когерентных неинтерферирующих друг с другом монохроматических бесселевых световых пучков с одинаковыми углами конусности и заданным соотношением интенсивностей в осевых максимумах, отличающееся тем, что указанные два источника выполнены с двумя различными рабочими длинами волн 1 и 2, выбранными из соотношения 1,41/21,5, а указанная оптическая система выполнена с возможностью формирования бесселевых световых пучков нулевого порядка с указанными длинами волн и одинаковыми интенсивностями в осевых максимумах. 17217 1 2013.06.30 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. 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. Известен способ формирования световых полей в виде бесселевых световых пучков(БСП) нулевого порядка 1. Поперечное радиальное распределение интенсивностив них описывается возведенной в квадрат функцией Бесселя соответствующего порядка 2 0 ( ) , где 0 - функция Бесселя нулевого 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. Однако БСП 0 в силу своих фундаментальных свойств всегда имеют некоторое количество концентрично расположенных кольцевых максимумов и минимумов интенсивности, что зачастую является их недостатком, поскольку кольцевые максимумы, особенно ближайший к осевому, соизмеримы по градиенту интенсивности с центральным и могут оказывать на некоторое процессы или объекты нежелательное воздействие. Существует способ формирования светового поля в виде суперпозиции нескольких когерентных и интерферирующих между собой соосных бесселевых световых пучков различных углов конусности 1, однако на оси данного поля в силу изменяющейся при увеличении продольной координаты разницы фаз между парциальными волнами различных углов конусности может происходить как конструктивная интерференция (возрастание интенсивности), так и деструктивная (уменьшение интенсивности вплоть до нуля), т.е. центральный максимум интенсивности суперпозиции вдоль оси претерпевает пульсации и каждая пульсация является намного менее протяженной, чем осевой максимум интенсивности любого из БСП, составляющих суперпозицию. 2 17217 1 2013.06.30 Известен способ формирования светового поля в виде суперпозиции бесселевых световых пучков 2, в котором вдоль одной оси накладывают два когерентных неинтерферирующих между собой монохроматических бесселевых световых пучка нулевого порядка одной длины волны с одинаковыми амплитудами поля и с углами конусности 1 и 2, где 12, удовлетворяющими соотношению 1,4721/ 21,473. Недостатком способа является то, что область светового поля, где амплитуды БСП 0, участвующих в формировании суперпозиции требуемого вида, равны друг другу, существенно короче области существования любого из них. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для реализации способа формирования светового поля в виде суперпозиции бесселевых световых пучков 3, включающее два источника лазерного излучения с одинаковыми длинами волн и оптическую систему для формирования и совмещения вдоль одной оси двух когерентных неинтерферирующих между собой монохроматических бесселевых световых пучков первого и нулевого порядков с одинаковыми углами конусности и длинами волн. С помощью данного устройства формируется световое поле с недостаточно высоко градиентным осевым максимумом интенсивности. Задачей настоящего изобретения является формирование светового пучка с высокоградиентным, протяженным и узким осевым максимумом интенсивности, значительно превышающим по пиковому значению остальные максимумы интенсивности, и со сниженными по сравнению с составляющими БСП 0 значениями контраста интенсивности ближайших к осевому кольцевых максимумов. Поставленная задача решается таким образом, что в способе формирования суперпозиции бесселевых световых пучков, включающем формирование и совмещение вдоль одной оси двух когерентных неинтерферирующих друг с другом монохроматических бесселевых световых пучков нулевого порядка, указанные пучки формируют с одинаковыми углами конусности, равными интенсивностями в осевых максимумах и различными длинами волн 1 и 2, выбранными из соотношения 1,41/21,5. Предлагаемое устройство для формирования суперпозиции бесселевых световых пучков содержит два источника лазерного излучения и оптическую систему для формирования из световых пучков, создаваемых указанными источниками, и совмещения вдоль одной оси двух когерентных интерферирующих друг с другом монохроматических бесселевых световых пучков с одинаковыми углами конусности и заданным соотношением интенсивностей в осевых максимумах,причем указанные два источника выполнены с двумя различными рабочими длинами волн 1 и 2, выбранными из соотношения 1,41/21,5, а указанная оптическая система выполнена с возможностью формирования бесселевых световых пучков нулевого порядка с указанными длинами волн и одинаковыми интенсивностями в осевых максимумах. Возможность решения поставленной задачи объясняется следующим. Интенсивность суперпозиции двух неинтерферирующих БСП 0 различных длин волн 1 и 2 и одинаковых углов конусностис одинаковыми пиковыми значениями осевых максимумов описывается функцией, представляющей собой сумму квадратов функций Бесселя нулевого порядка 2 220 (2/ 1 )20 (2/2 ) , где- амплитуда поля обоих составляющих БСП 0. Данная функция имеет осевой максимум интенсивности, значительно превышающий по значению кольцевые, при этом контраст интенсивности ближайших к осевому кольцевых максимумов зависит от соотношения длин волн конусности БСП 0, составляющих суперпозицию. Посредством проведенных расчетов показано, что при выполнении соотношения 1/21,4723, где 1 и 2 - соответственно большая и меньшая длины волн БСП, достигается наименьший контраст по интенсивности для ближайших к осевому кольцевых максимумов, поскольку кольцевые максимумы и минимумы составляющих БСП 0 находятся на различных расстояниях от оси. Под контрастом локального максимума интенсивности в данном случае подразумевается разница значений между максимумом интенсивности и ближайшим к нему локальным минимумом интенсивности. Эта разница, 3 17217 1 2013.06.30 в свою очередь, определяет градиент интенсивности в области локального максимума, который важен для практических применений светового поля. Небольшие отличия отношения длин волн от оптимального значения, примерно равного 1,4723, увеличивают контраст осевого и ближайшего кольцевого максимумов интенсивности незначительно. Таким образом, для решения поставленной задачи необходимо сформировать бихроматический, т.е. двухцветный световой пучок, радиальное распределение интенсивности в котором представляло бы собой сумму квадратов функций Бесселя нулевого порядка с соотношением их длин волн 1,401/21,55. Техническое воплощение способа посредством 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 для реализации предлагаемого способа с точки зрения их подбора по длине волны для обеспечения соотношения 1,401/21,55, расходимости и интенсивности лазерного излучения. Предпочтительно, чтобы начальные лазерные пучки имели одинаковые расходимости и распределения интенсивности. Возможно создание различных вариантов оптической системы для формирования и совмещения вдоль одной оси двух БСП 0 с длинами волн 1 и 2, с одинаковыми углами конусности и одинаковыми значениями осевых максимумов интенсивности, в общем случае состоящей из установленных необходимым образом одной или более поворотных призм (или зеркал), одного или более телескопов(или комплектов линз), одного или более аттенюаторов (или фильтров-ослабителей), селективного зеркала (светоделительной пластины или кубика), одного или более оптических элементов или систем для формирования БСП, например аксикона или системы кольцевая диафрагма - линза. Предлагаемый способ поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена одна из возможных оптических схем устройства для формирования бихроматической суперпозиции БСП 0, реализованная экспериментально на фиг. 2 показана фотография экспериментально реализованного устройства для формирования бихроматической суперпозиции БСП 0 на 2 фиг. 3 показаны графики трех функций вида поз. 12 -20 (2/ 1 ) с большей дли 2 ной волны 1, поз. 13 -20 (2/2 ) с меньшей длиной волны 2, поз. 14 2 220 (2/ 1 )20 (2/2 ) при выполнении условия 1/21,4723 на фиг. 4 показаны распределения интенсивности в экспериментально полученных пучках поз. 15 в БСП 0 с большей длиной волны (красный свет), поз. 16 - в БСП 0 с меньшей длиной волны(синий свет), поз. 17 - в бихроматической суперпозиции БСП 0 с одинаковыми углами конусности и равными значениями осевых максимумов интенсивности. Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Формируют два бесселевых световых пучка нулевого порядка с одинаковыми углами конусности и равными значениями осевых максимумов интенсивности различных длин волн 1 и 2 с соотношением 1/2, удовлетворяющим неравенству 1,401/21,55 и предпочтительно максимально близким к 1,4723, затем совмещают их вдоль одной оси либо одновременно формируют соосные БСП с указанными параметрами. Предлагаемое для реализации способа устройство включает в себя два источника лазерного излучения, имеющего длины волн 1 и 2 с соотношением между ними 1/2, удовлетворяющим неравенству 1,401/21,55 и предпочтительно максимально близким к 1,4723, оптическую систему для формирования и совмещения вдоль одной оси двух коге 4 17217 1 2013.06.30 рентных бесселевых световых пучков двух длин волн 1 и 2 с одинаковыми углами конусности и одинаковыми значениями осевых максимумов интенсивности. Возможность осуществления предлагаемого способа и решения поставленной задачи подтверждена не только расчетным образом, но и экспериментально. Для этого был собран вариант предлагаемого устройства для реализации способа, оптическая схема которого показана на фиг. 1. Фотография собранного экземпляра устройства приведена на фиг. 2. Лазеры 1 и 2 генерируют излучение с длинами волн 1 и 2 соответственно. В качестве источников лазерного излучения 1 и 2 использовались соответственно гелийнеоновый 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). В данном случае соотношение длин волн 1/2 оказалось равным 1,433 при желаемом в идеале 1,473. Однако этого оказалось достаточно, чтобы получить достаточно близкий к максимальному контраст осевого пика интенсивности по отношению к пиковому значению интенсивности первого кольцевого максимума. Подстройка пучков по расходимости и ширине осуществляется с помощью телескопа 3, установленного на пути пучка от лазера 2. При необходимости схема может быть дополнена телескопом на пути пучка от лазера 1. Подстройка лазерного излучения по интенсивности осуществляется аттенюатором 5, установленным на пути пучка от лазера, имеющего изначально более высокую пиковую интенсивность (конкретно в нашем случае это был лазер 1). С помощью поворотного зеркала 4 и зеркала 6 пучки от лазеров 1 и 2 сводятся вместе и пропускаются через телескоп 7, служащий для увеличения ширины пучков и для уменьшения разницы в их расходимостях. После прохождения через аттенюатор 8 соосные пучки направляются на аксикон 9, формирующий два БСП нулевого порядка двух длин волн,которые, накладываясь друг на друга, образуют бихроматическую суперпозицию. Система для формирования и коаксиального совмещения двух БСП 0, состоящая в данном варианте схемы из оптических элементов поз. 2-7 и 9, может быть собрана из других элементов,другого количества элементов или этих же элементов, установленных иным образом. Выходное поле увеличивается микроскопом 10 и регистрируется -камерой 11. Аттенюатор 8 служит для выведения суммарной интенсивности выходного поля в диапазон линейного восприятия датчика . Оптимальное радиальное распределение интенсивности в составляющих БСП 0 (поз. 12 и 13), а также в их суперпозиции (поз. 14) показано на фиг. 3 (длина волны у БСП 0 12 в 1,4723 раза больше, чем длина волны БСП 0 13). На фиг. 4 представлено экспериментально полученное распределение интенсивности вдоль линии, проходящей через общую ось световых пучков и лежащую в их поперечном сечении. Поз. 15 показывает диаметральное распределение интенсивности красного излучения, поз. 16 - синего излучения, поз. 17 соответствует распределению интенсивности в сформированной бихроматической суперпозиции двух БСП 0. Распределение интенсивности подтверждает практическое достижение желаемого результата. Важной структурной особенностью полученной бихроматической суперпозиции БСП, формируемой посредством описанной схемы, является протяженный,как и у составляющих его БСП 0, осевой максимум интенсивности, имеющий микронные поперечные размеры, очень высокий градиент интенсивности и существенно уменьшенный (почти в 2 раза) по сравнению с исходными БСП 0 контраст интенсивности в области кольцевых максимумов, ближайших к осевому, что чрезвычайно важно для всевозможных практических применений. Таким образом, полученные результаты подтверждают возможность формирования светового пучка с протяженным узким высокоградиентным максимумом интенсивности посредством предлагаемого способа и устройства для его реализации. 1. Белый В.Н., Казак Н.С., Хило Н.А. Квазибездифракционные световые пучки Свойства и методы получения // Весц Нацыянальнай акадэм навук Беларус. Серыя фзкаматэматычных навук. - 2005. -4. - С. 23. 2. Патент на изобретение 11522, 2009 3. Патент на изобретение 11394, МПК 02 1/01, 2008. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.