Способ формирования перестраиваемого бесселева светового пучка

(51)02 27/30 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПЕРЕСТРАИВАЕМОГО БЕССЕЛЕВА СВЕТОВОГО ПУЧКА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б. И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Казак Николай СтаниславовичМащенко Александр ГеоргиевичКренинг Михаель Ропот Петр Иосифович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б. И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(56) Лепарский В.Е. Электрооптические конические линзы для формирования бесселевых световых пучков // Известия Гомельского государственного университета им. Ф. Скорины. - 2001.6. - С. 9-12.6419 1, 2004.07261027 , 1995.05164988 , 1993.06082720 , 1994.(57) Способ формирования перестраиваемого бесселева светового пучка, заключающийся в пропускании когерентного светового пучка через электрооптический кристалл, в котором создают линейную зависимость показателя преломления от радиальной координаты относительно оси кристалла посредством приложения электрического поля, а перестройку угла конусности выходного бесселева светового пучка осуществляют путем изменения величины приложенного электрического поля, отличающийся тем, что пропускаемый когерентный световой пучок поляризован, электрооптический кристалл одноосный, приложенное электрическое поле является поперечным, а изменение величины приложенного 9241 1 2007.04.30 электрического поля, которое дополнительно воздействует на распределение интенсивности выходного бесселева светового пучка, достигается изменением прикладываемого к электродам напряжения. Предлагаемое изобретение относится к области оптики и лазерной физики и может быть использовано для осуществления нелинейно-частотных преобразований лазерного излучения, для манипулирования нано- и микрообъектами, для воздействия на органические клетки и ее компоненты, для лазерной обработки материалов, а также в оптической профилометрии, в системах передачи и обработки оптической информации. Фурье-спектр спектр бесселевого светового пучка (БСП) представляет собой кольцевое поле, а пространственный спектр - конус волновых векторов. Следовательно, для получения БСП пригодны оптические схемы, позволяющие формировать как кольцевое поле(кольцевая диафрагма, оптическое волокно), так и набор плоских волн, характеризующийся конусом волновых векторов (голограмма, аксикон, линза со сферической аберрацией). Для получения бесселевых световых пучков (БСП) нулевого порядка широко используются конические линзы, так называемые аксиконы 1. Недостатком таких устройств является постоянство угла схождения волновых векторов светового пучка за аксиконом. Для изменения угла конусности бесселевых световых пучков требуется наличие нескольких линз с различными углами. Замена аксикона требует определенное время, а оптическая система нуждается в повторной юстировке. Известен также способ 2, когда аксикон помещается между двумя сферическими линзами, образующими телескопическую систему. В данном методе коллимированный гауссов пучок проходит через первую линзу и трансформируется аксиконом в световое кольцо, расположенное в фокальной плоскости линз. Вторая линза преобразует данное кольцевое распределение поля в БСП. При перемещении аксикона вдоль оси оптической системы происходит изменение радиуса светового кольца в фокальной плоскости первой линзы, что вызывает изменение угла конусности БСП на выходе. Недостатком такого способа является низкая скорость перестройки угла конусности. Ближайшим техническим решением к предлагаемому является способ формирования перестраиваемого бесселевого светового пучка 3, основанный на изменении показателя преломления кристалла под действием электрического поля, создаваемого с помощью системы плоских электродов. Устройство, используемое в способе, представляет собой плоскопараллельную кристаллическую пластинку, на одну грань которой нанесена система прозрачных электродов в виде концентрических окружностей, а на другую - сплошной электрод. Электроды подключены к источнику питания через специальный делитель напряжения таким образом, чтобы потенциал электрода, находящегося на расстоянииот центра конической линзы, был равен / ( - разность потенциалов между крайними электродами,- расстояние между ними). Угол отклонения устройства изменяется от нуля при 0 , когда устройство эквивалентно плоскопараллельной пластинке, до некоторого значения, определяемого пробойным напряжением межэлектродных промежутков. Устройство пригодно для управления излучением произвольной поляризации, включая неполяризованный свет. К недостаткам способа следует отнести наличие проводящих электродов на пути светового луча, что увеличивает отражающую способность поверхности и уменьшает лучевую прочность кристалла. Низкие напряжения, прикладываемые к электродам для исключения пробоя, ограничивают пределы регулировки угла конусности. Задачей изобретения является обеспечение управления углом конусности бесселевых световых пучков путем изменения показателя преломления кристалла с помощью квадрупольных полей. Поставленная задача решается следующим образом. В способе формирования перестраиваемого бесселева светового пучка, включающем пропускание светового пучка за 2 9241 1 2007.04.30 данной поляризации через одноосный электрооптический кристалл, согласно изобретению, в кристалле посредством наложения поперечного электрического поля создают линейную зависимость показателя преломления от радиальной координаты и перестраивают угол конусности и распределение интенсивности выходного бесселева светового пучка путем изменения прикладываемого к электродам напряжения. Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана электрооптическая линза с цилиндрическими электродами гиперболической формы,на фиг. 2 - распределение поляризации входного пучка по сечению, необходимое для работы управляемой конической линзы, когда- нечетное,на фиг. 3 - распределение поляризации входного пучка по сечению, необходимое для работы управляемой конической линзы, когда- четное,на фиг. 4 - управляемая коническая линза, формирующая бесселев световой пучок нулевого порядка из линейно поляризованного излучения. В качестве примера рассмотрим кристаллы класса 3, когда свет распространяется вдоль оптической оси, являющейся осью третьего порядка, а вектор напряженности элек трического полялежит в плоскости, перпендикулярной этому направлению. С помощью электродов гиперболической формы фиг. 1, конфигурация которых в плоскости ху определяется из уравнений 20 / 2 ,(1) в цилиндрической области радиусом 0 создается неоднородное электрическое поле с потенциалом 0,(2) 2 0 где 0 - разность потенциалов между электродами, 0 - расстояние от центра до вершин электродов. При этом напряженность электрического поля в кристалле в направлениях осей ОХ иравна 002 ,2 .(3)00 При такой геометрии взаимодействия в кристаллах класса 3 наблюдается двойной поперечный эффект Поккельса. Суть данного эффекта состоит в том, что коэффициенты оптической индикатрисы в каждой точке апертуры зависят не только от амплитуды электрического поля Е, но и от его направления. Сечением оптической индикатрисы является эллипс, главные оси которого повернуты относительно осей ОХ ина угол , причем Изменение показателей преломления вдоль главных направлений эллипса определяется соотношениями 1 1, 203,(5) 0 2 где 220 - показатель преломления невозмущенного кристалла- электрооп тический коэффициент (для кристалла 3 в данном случае 22). Подставляя выражения для компонент поля (3) в (5), получим 1 1 9241 1 2007.04.30 Из (6) видно, что при подаче напряжения на электроды предлагаемого устройства фиг. 1 зависимость показателя преломления от координатыявляется линейной. Наведенная неоднородность показателя преломления приводит к отклонению прошедших через кристалл световых лучей в радиальном направлении. В рамках параксиального приближения определим угол отклонения лучей в средеиз соотношения 1(7)0 При линейном изменении показателя преломления среды и малых отклонениях его относительно 0 величина остается неизменной. Подставим выражение (6) в (7) и, интегрируя, получим 1 20 22 0 2 ,(8) 2 0 где- длина области электрооптического взаимодействия. Полученное выражение (8) определяет величину угла , на которую отклонится луч в кристалле от своего первоначального направления после прохождения области взаимодействия . При выходе луча из кристалла этот угол увеличится в 0 раз из-за преломления на торцевой поверхности и станет равным 1 где- апертура входного пучка. Согласно (9), угол отклонения конической линзы пропорционален электрооптическому коэффициенту , длине устройстваи разности потенциалов 0, прикладываемых к электродам, а также обратно пропорционален квадрату апертуры . Как отмечалось выше, ориентация эллипса поляризации и коэффициенты оптической индикатрисы по сечению в кристалле зависят от соотношения компонент электрического поля Ех и Еу. Подставляя значение компонент Ех и Еу из (3) в выражение (4), находим 1 ,(10) 2 где- угол между радиальной линией, проведенной из начала координат, и осью ОХ,произвольное целое число, причем, еслинечетное, входной пучок имеет один тип(фиг. 2), есличетное - другой тип поляризации (фиг. 3). Угол поворота индикатрисы(10) показателя преломления кристалла линейно изменяется с изменением азимутального углаи не зависит от величины потенциала на электродах. На прямыхугол поворота индикатрисы остается постоянным (фиг. 2). Поэтому для света, поляризация которого в каждой точке апертуры совпадает с соответствующей осью индикатрисы, данное устройство эквивалентно конической линзе с угломпри основании, где 3 00(11) 2 2( 01)0 Обычно лазерные пучки имеют линейную поляризацию, что не обеспечивает работу предлагаемого устройства. Для получения заданного распределения поляризации света(см. фиг. 2) в поперечном сечении падающего на кристалл пучка необходим специальный преобразователь. Например, в работе 4 для получения винтовой дислокации при формировании БСП высших порядков предложено использовать спиральную фазовую пластинку. Такая пластинка изготавливается путем нанесения на подложку диэлектрического слоя, толщина которого изменяется с азимутом. Необходимый для работы устройства преобразователь поляризации можно изготовить и из гиротропного кубического кристалла, например силленит-типа. 9241 1 2007.04.30 Ниже рассматривается еще один способ получения необходимого распределения поляризации в падающем пучке по апертуре, а на фиг. 4 изображено предлагаемое устройство в сборе. Поляризационная система состоит из фазового преобразователя 1 для получения эллиптической поляризации с заданной ориентацией эллипса и четвертьволновой пластинки 2, преобразующей эллиптический свет в линейно поляризованный. Фазовый преобразователь изготавливается из одноосного кристалла в виде диска, одна из сторон которого плоская, а вторая выполняется таким образом, что толщина дискаизменяется линейно в области 2 радиан как функция углаот 0 до 0/(0 ) , т.е.(12) 2(0 ) 2(0 ) гдеи 0 - необыкновенный и обыкновенный показатели преломления кристалла. Данная поверхность фазового преобразователя представляет собой не что иное, как часть винтовой поверхности в пределах одного шага. Как известно, любая двулучепреломляющая пластинка, главные оси которой составляют угол 45 с электрическим вектором падающего на нее плоско поляризованного светового пучка, вызывает относительный сдвиг фаз Г 2(0 ) /между основными компонентами пучка, превращая его в общем случае в эллиптически поляризованный. В описываемом случае, учитывая (12), имеем Г 4 .(13) Эллипс поляризации света при этом ориентирован таким образом, что одна из осей его параллельна плоскости поляризации падающего света. Установленная за диском четвертьволновая пластинка, главные оси которой параллельны осям эллипса поляризации,превращает эллиптический свет в линейно поляризованный. При этом плоскость поляризации света на выходе будет составлять угол, равный половине сдвига фаз Г/2 относительно его первоначального направления, и следовательно совпадает с (10). Для устранения преломления на диске его следует поместить в иммерсионную жидкость. Применение диэлектрической иммерсионной среды можно использовать и для повышения рабочего напряжения на электродах, что позволит увеличить пределы изменения угла отклонения в несколько раз. В случае, когда для дальнейшего использования требуется линейно поляризованный свет, на выходе конической линзы п. 3, фиг. 4 помещается еще один преобразователь поляризации п. 4, 5, фиг. 4. Численные оценки показывают, что для кристалла ниобата лития (3) при апертуре пучка 5 мм и длине кристалла 10 см угол отклонениябудет составлять не менее 20 минут при управляющем напряжении 10 кВ. Таким образом, полученные результаты подтверждают возможность формирования перестраиваемого БСП посредством предлагаемого способа. Источники информации 1. .// . . - 1986. - . 39. - . 1-8. 2. . , . , . ,. .-// . . - 1995. - . 34,33. - . 7670-7673. 3. Лепарский, А.Г. Мащенко. Электрооптические конические линзы для формирования бесселевых световых пучков // Известия Гомельского государственного университета им. Ф. Скорины. - 2001.-6. - С. 9-12. 4. М , , М.С. , .// . . - 1994. - . - 112. - . 321-327. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6