Способ формирования многокольцевого светового пучка с винтовой дислокацией волнового фронта заданного порядка

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МНОГОКОЛЬЦЕВОГО СВЕТОВОГО ПУЧКА С ВИНТОВОЙ ДИСЛОКАЦИЕЙ ВОЛНОВОГО ФРОНТА ЗАДАННОГО ПОРЯДКА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Казак Николай Станиславович Хило Николай Анатольевич Рыжевич Анатолий Анатольевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Способ формирования многокольцевого светового пучка с винтовой дислокацией волнового фронта (ВДВФ) заданного порядка, заключающийся в преобразовании исходного светового пучка, при котором исходный пучок циркулярно поляризуют, пропускают циркулярно поляризованный пучок через двухосный кристалл, бинормаль которого параллельна оптической оси пучка, для его трансформации в два линейно поляризованных в ортогональных направлениях световых пучка, один из которых имеет ВДВФ такого же порядка, как и исходный пучок, а другойВДВФ, порядок которой изменен на единицу,формируют выходной пучок, отличающийся тем, что для формирования необходимого количества и ширины колец в выходном пучке посредством системы линз до пропускания через двухосный кристалл изменяют размер и радиус кривизны волнового фронта циркулярно поляризованного пучка, а выходной пучок формируют путем выделения посредством поляризатора-анализатора пучка, имеющего ВДВФ с измененным порядком, при этом выходной пучок может быть использован в качестве исходного при повторном преобразовании до формирования многокольцевого пучка с ВДВФ заданного порядка. 5445 1 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для формирования многокольцевого светового пучка с ВДВФ, порядок которой на единицу больше, чем порядок ВДВФ исходного пучка, осуществляют право-циркулярную поляризацию исходного пучка. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для формирования многокольцевого светового пучка с ВДВФ, порядок которой на единицу меньше, чем порядок ВДВФ исходного пучка, осуществляют лево-циркулярную поляризацию исходного пучка.(56) Казак Н.С. и др. // Квантовая электроника. - 1999. - Т.29. -2. - С.184-188.92/06401 1. Изобретение относится к области оптики и лазерной физики и может быть использовано для осуществления нелинейно-частотных преобразований лазерного излучения в нелинейной оптике, для манипулирования атомными пучками и частицами микро-размеров в нано- и биотехнологиях, а также в системах обработки и передачи оптической информации. В настоящее время наблюдается возрастание интереса к световым пучкам, обладающим винтовой дислокацией волнового фронта (зависимость фазы электромагнитной волны в различных секторах волнового фронта пучка от азимутальной координаты) порядка(ВДВФ), где- целое число, показывающее, на сколько периодов изменяется фаза в пучке при изменении азимутальной координаты на угол 2. Наличие ВДВФ делает эти пучки уникальными объектами для реализации новых классов линейных и нелинейных оптических явлений. Известен способ формирования пучков с ВДВФ (ПВДВФ) ненулевого порядка (равенство порядка дислокации 0 означает отсутствие дислокации) из гауссовых и П-образных световых пучков с помощью компьютерно-синтезированных голограмм, а также посредством лазерной генерации с помощью специальных резонаторов (1 и работы, на которые даны ссылки в 1). Известные способы не позволяют получить из пучка с ВДВФ данного порядка пучок с ВДВФ любого заданного порядка. Применяется также способ формирования ПВДВФ, основанный на придании световому пучку ВДВФ с использованием фазовой спиральной пластинки 2. Однако этот способ, во-первых, не позволяет формировать ПВДВФ из светового пучка с произвольной длиной волны, т.к. фазовая пластинка изготавливается для конкретной длины волны, во-вторых, не позволяет получать пучки, содержащие более одного кольца, в-третьих, не позволяет получить из конкретного пучка с ВДВФ и пучок с ВДВФ 1 и пучок с ВДВФ-1. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ формирования бесселева светового пучка второго порядка, описанный в работе авторов настоящей заявки 3. Однако известный способ предназначен для формирования пучков с распределением интенсивности, соответствующим квадрату функции Бесселя определенного порядка, и не позволяет формировать пучки с другими распределениями интенсивности, варьировать кривизну волнового фронта и поперечный размер выходного пучка, количество и ширину колец в нем. Задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности трансформации светового пучка произвольной длины волны с ВДВФ произвольного порядка в световой пучок той же длины волны с ВДВФ большего или меньшего порядка с необходимым количеством колец. Поставленная задача решается таким образом, что в 1) способе формирования многокольцевого светового пучка с ВДВФ заданного порядка, заключающемся в преобразовании исходного светового пучка, при котором исходный пучок циркулярно поляризуют, пропускают циркулярно поляризованный пучок через двухосный кристалл, бинормаль которого параллельна оптической оси пучка, для его 2 5445 1 трансформации в два линейно поляризованных в ортогональных направлениях световых пучка, один из которых имеет ВДВФ такого же порядка, как и исходный пучок, а другой ВДВФ, порядок которой изменен на единицу, формируют выходной пучок, отличающийся тем, что для формирования необходимого количества и ширины колец в выходном пучке посредством системы линз до пропускания через двухосный кристалл изменяют размер и радиус кривизны волнового фронта циркулярно поляризованного пучка, а выходной пучок формируют путем выделения посредством поляризатора-анализатора пучка,имеющего ВДВФ с измененным порядком, при этом выходной пучок может быть использован в качестве исходного при повторном преобразовании до формирования многокольцевого пучка с ВДВФ заданного порядка 2) способе по п. 1, отличающемся тем, что для формирования многокольцевого светового пучка с ВДВФ, порядок которой на единицу больше, чем порядок ВДВФ исходного пучка, осуществляют право-циркулярную поляризацию исходного пучка 3) способе по п. 1, отличающемся тем, что для формирования многокольцевого светового пучка с ВДВФ, порядок которой на единицу меньше, чем порядок ВДВФ исходного пучка, осуществляют лево-циркулярную поляризацию исходного пучка. Возможность решения поставленной задачи объясняется следующим. Поляризация собственных волн в окрестности бинормали двухосного кристалла является линейной и зависит от азимута. При изменении азимутального угла на величинувекторы поляризации поворачиваются на угол /2 в противоположных направлениях. Вследствие этого циркулярно поляризованная волна исходного пучка возбуждает в двухосном кристалле две циркулярно поляризованных в различных направлениях волны, причем одна из этих волн, направление поляризации которой не совпадает с направлением поляризации исходной волны, после преобразования ее в линейно поляризованную будет иметь ВДВФ,порядок которой будет больше или меньше на единицу, чем порядок дислокации исходного пучка. Радиус кривизны волнового фронта исходного пучка обусловливает количество и ширину колец в выходных пучках чем меньше радиус кривизны, тем больше количество колец и меньше их ширина. Изменяя с помощью системы линз радиус кривизны от двух сантиметров до бесконечности (плоский фронт), можно получить количество колец от нескольких сотен до одного соответственно. Предлагаемый способ по пп. 1-3 поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана оптическая схема установки, на которой реализуется предлагаемый способ по пп. 1-3 на фиг. 2- изображение выходного пучка с ВДВФ 1, полученного при преобразовании исходного гауссова светового пучка без ВДВФ, на фиг. 3 - изображение интерференционной картины выходного пучка, имеющего ВДВФ 1, и опорной плоской волны, подтверждающее наличие винтовой дислокации, на фиг. 4 - изображение выходного пучка с ВДВФ 2, полученного при преобразовании исходного светового пучка с ВДВФ 1, на фиг. 5 - изображение ПВДВФ 2 со светлой перемычкой в центральном минимуме, возникшей в результате внесения примеси света без дислокации, что подтверждает наличие в пучке ВДВФ 2, на фиг. 6 - изображение многокольцевого светового пучка с ВДВФ 1, на фиг. 7 - изображение интерференционной картины многокольцевого светового пучка, имеющего ВДВФ 1, и опорной сферической волны, подтверждающее наличие винтовой дислокации волнового фронта, на фиг. 8 - однокольцевой ПВДВФ 1 с длиной волны 1,06 мкм. Предлагаемый способ по п. 1 осуществляется следующим образом. Исходный пучок с ВДВФ 1 пропускают через поляризатор 1, затем циркулярно поляризуют с помощью четвертьволновой пластинки 2 (вместо нее можно также использовать ромб Френеля). Системой линз 3 изменяют поперечный размер и радиус кривизны волнового фронта необходимым образом, чтобы получить на выходе пучок с нужными параметрами. После этого пучок направляют на двухосный кристалл 4, установленный так, что его бинормаль совпадает с оптической осью входного пучка, а затем для трансформации циркулярно поляризованного пучка в два линейно поляризованных со взаимно ортогональными направле 3 5445 1 ниями поляризации прошедший через кристалл 4 пучок направляют на четвертьволновую пластинку (либо ромб Френеля) 5. Один из полученных пучков в результате фазовополяризационных эффектов, имевших место в кристалле 4, представляет собой пучок с ВДВФ, а другой - с ВДВФ 1 либо ВДВФ-1 в зависимости от ориентации четвертьволновой пластинки 2. Если четвертьволновая пластинка 2 обеспечивает право-циркулярную поляризацию, то осуществляется способ по п. 2, т.е. на выходе из кристалла 4 будет ВДВФ порядка большего, чем , на единицу. Если четвертьволновая пластинка 2 обеспечивает лево-циркулярную поляризацию, то осуществляется способ по п. 3, т.е. на выходе из кристалла 4 будет ВДВФ порядка меньшего, чем , на единицу. В зависимости от параметров системы линз 3 выходной пучок будет иметь некоторое количество колец и определенной ширины. Выделяют пучок, имеющий ВДВФ с измененным порядком (1 или -1) с помощью поляризатора-анализатора 6. Системой линз 7 выходному пучку придают необходимый радиус кривизны волнового фронта. Для получения из ПВДВФ пучка с ВДВФ порядка 2,3 и т.д. производят изменение порядка на единицу путем выделения ПВДВФ с порядком 1,2 и т.д. и последующее пропускание его через аналогичную схему соответствующее количество раз. Возможность осуществления предлагаемого способа по пп. 1-3 и решения поставленной задачи подтверждена экспериментально. Исходный гауссов световой пучок гелийнеонового лазера с длиной волны излучения 0,632 мкм приобретал после прохождения тонкопленочного поляризатора 1 и четвертьволновой пластинки 2 право-циркулярную поляризацию и системой линз 3 направлялся на двухосный кристалл КТР (4) 4 длиной 12 мм, шириной и высотой по 6 мм, со входной гранью, ориентированной перпендикулярно бинормали и оптической оси пучка без изменения в данном случае поперечных размеров и радиуса кривизны исходного пучка. Радиус гауссова пучка по уровню 1/е,формируемого лазером, в пределах расположения кристалла составил величину порядка 0,5 мм. После выхода из кристалла 4 право- и лево-циркулярно поляризованные компоненты пучка преобразовывались в линейно поляризованные ПВДВФ 0 и ПВДВФ 1 с помощью четвертьволновой пластинки 5, затем поляризатором-анализатором 6 выделялся один из них. Роль системы линз 7 выполняла положительная линза с фокусным расстоянием 16 см, которая придавала выходному пучку необходимый радиус кривизны волнового фронта. Для выявления ВДВФ 1 был применен метод интерференции полученных пучков с опорной плоской волной, не имеющей дислокации. На фиг. 2 приведено изображение полученного ПВДВФ 1, имеющего в данном случае одно кольцо. Изображение интерференционного поля ПВДВФ 1 и опорной плоской волны приведено на фиг. 3. Известно, что в случае интерференции с плоской опорной волной характерным признаком ВДВФ 1 является наличие дополнительного максимума в центре картины. Указанная особенность интерференции как раз и наблюдалась экспериментально. Процесс трансформации порядка ВДВФ был продлен экспериментально до получения ВДВФ 2 путем пропускания ПВДВФ 1 через схему, аналогичную описанной. ПВДВФ 2 показан на фиг. 4. Наличие ВДВФ 2 подтверждается разделением ее на две ВДВФ 1 при внесении в ПВДВФ 2 небольшой (до 5 по энергии) примеси света, не обладающей дислокационными особенностями (фиг. 5). При изменении радиуса кривизны волнового фронта исходного гауссова пучка и его поперечных размеров посредством положительной линзы с фокусным расстоянием 5 см,установленной перед кристаллом 4 на расстоянии 4-6 см, был получен многокольцевой световой пучок с ВДВФ 1 (фиг. 6). Необходимо заметить, что распределение интенсивности в пучке (максимальные интенсивности всех колец примерно одинаковы) кардинальным образом отличается от распределения интенсивности в бесселевом световом пучке первого и других высших порядков, где интенсивность описывается квадратом функции Бесселя соответствующего порядка. Наличие ВДВФ 1 проверено наложением опорной 5445 1 сферической волны без дислокации. Интерференционная картина в данном случае должна иметь вид спирали, что и было зафиксировано экспериментально (фиг. 7). При обеспечении четвертьволновой пластинкой 2 лево-циркулярной поляризации исходного пучка с ВДВФ 1 он был преобразован в световой пучок, не обладающий ВДВФ. Было также произведено формирование многокольцевых световых пучков с различным количеством колец с ВДВФ 1 для лазерного излучения с длиной волны 1,06 мкм. На фиг. 8 показан однокольцевой ПВДВФ 1 с длиной волны 1,06 мкм. Таким образом, полученные экспериментально данные подтверждают возможность трансформации данного пучка произвольной длины волны с ВДВФ определенного порядка в пучок с ВДВФ заданного порядка, имеющий необходимое количество и ширину колец. Источники информации 1.,,//119 (1995). - . 604-612. 2.,,.,//112, 1994. . 321-327. 3. Казак , Хило Н.А., Рыжевич А.А Формирование бесселевых световых пучков в условиях внутренней конической рефракции // Квантовая электроника. - Т. 29. -2. 1999. - С. 184-188. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6