Адаптивный преобразователь поляризации лазерного излучения

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ АДАПТИВНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОЛЯРИЗАЦИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Конойко Алексей Иванович Жданович Сергей Николаевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Адаптивный преобразователь поляризации лазерного излучения, содержащий последовательность оптических элементов, которая состоит из оптически связанных двуосного кристалла с конической рефракцией, комбинированного фазового элемента, выполненного из расположенных рядом в одной плоскости первого и второго фазовых элементов /4,одноименные оси анизотропии которых повернуты друг относительно друга на угол 90,градиентного фазового элемента, обеспечивающего непрерывное изменение разности фаз между ортогональными составляющими электрического вектора световой волны по апертуре светового пучка от 0 до , электрооптического элемента, оси анизотропии которого повернуты относительно осей анизотропии комбинированного фазового элемента на угол 45 и третьего фазового элемента /4 с осями анизотропии, параллельными одноименным 43652008.04.30 осям анизотропии одного из фазовых элементов /4 комбинированного фазового элемента, причем плоскость градиента разности фаз между ортогональными составляющими световой волны градиентного фазового элемента параллельна плоскости, в которой лежат оптические оси двуосного кристалла с конической рефракцией, одной из осей анизотропии первого и второго фазового элемента /4 комбинированного фазового элемента и границе раздела между ними, которая совпадает с диаметром кольца конической рефракции,а оси анизотропии параллельны осям анизотропии наведенной анизотропии электрооптического элемента, отличающийся тем, что содержит фокусирующую линзу, расположенную между третьим фазовым элементом и техническим объектом, и цепь обратной связи,содержащую фотоприемник, оптически связанный с техническим объектом и расположенный в области максимума рассеянного лазерного излучения, пороговое устройство,электрически связанное с выходом фотоприемника, блок управления, электрически связанный с выходом порогового устройства и входом электрооптического элемента.(56) 1. Патент США 4755027, МПК 02 В 5/30. 2. Патент 9303 С 1, МПК 02 5/30, 2007. Полезная модель относится к оптическому приборостроению, в частности к системам лазерной технологической обработки материалов, и может быть использована в лазерной технике, лазерной связи, локации, в научном, технологическом и медицинском приборостроении в качестве амплитудного оптического модулятора. Известен преобразователь поляризации лазерного излучения 1, который состоит из последовательности оптических элементов, представляющих собой стеклянные конические призмы. Причем проходящий световой пучок падает на конические поверхности этих призм под углом Брюстера. Такое устройство обладает достаточно высокими оптическими потерями за счет поглощения излучения в материале призм. Наиболее близким по технической сущности является преобразователь поляризации лазерного излучения 2, содержащий последовательность оптических элементов, которая состоит из оптически связанных двуосного кристалла с конической рефракцией, одна из оптических осей которого перпендикулярна входной и выходной граням, комбинированного фазового элемента, выполненного из расположенных рядом в одной плоскости первого и второго фазовых элементов /4, одноименные оси анизотропии которых повернуты друг относительно друга на угол 90, градиентного фазового элемента, обеспечивающего непрерывное изменение разности фаз между ортогональными составляющими электрического вектора световой волны по апертуре светового пучка от 0 до , электрооптического элемента, оси анизотропии которого повернуты относительно осей анизотропии комбинированного фазового элемента на угол 45 и третьего фазового элемента /4 с осями анизотропии, параллельными одноименным осям анизотропии одного из фазовых элементов/4 комбинированного фазового элемента, причем плоскость градиента разности фаз между ортогональными составляющими световой волны градиентного фазового элемента параллельна плоскости, в которой лежат оптические оси двуосного кристалла с конической рефракцией, одной из осей анизотропии первого и второго фазового элемента /4 комбинированного фазового элемента и границе раздела между ними, которая совпадает с диаметром кольца конической рефракции, а оси анизотропии параллельны осям анизотропии наведенной анизотропии электрооптического элемента. Данное устройство обладает ограниченными функциональными возможностями, так как не обеспечивает изменения поляризации лазерного излучения в процессе действия лазерного излучения на технический объект. 2 43652008.04.30 Технической задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей устройства за счет управления поляризацией лазерного излучения в процессе воздействия лазерного излучения на технический объект. Поставленная техническая задача решается тем, что адаптивный преобразователь поляризации лазерного излучения состоит из последовательности оптически связанных двуосного кристалла с конической рефракцией, одна из оптических осей которого перпендикулярна входной и выходной граням, комбинированного фазового элемента, выполненного из расположенных рядом в одной плоскости первого и второго фазовых элементов /4, одноименные оси анизотропии которых повернуты друг относительно друга на угол 90, градиентного фазового элемента, обеспечивающего непрерывное изменение разности фаз между ортогональными составляющими электрического вектора световой волны по апертуре светового пучка от 0 до , электрооптического элемента, оси анизотропии которого повернуты относительно осей анизотропии комбинированного фазового элемента на угол 45 и третьего фазового элемента /4 с осями анизотропии, параллельными одноименным осям анизотропии одного из фазовых элементов /4 комбинированного фазового элемента, причем плоскость градиента разности фаз между ортогональными составляющими световой волны градиентного фазового элемента параллельна плоскости, в которой лежат оптические оси двуосного кристалла с конической рефракцией, одной из осей анизотропии первого и второго фазового элемента /4 комбинированного фазового элемента и границе раздела между ними, которая совпадает с диаметром кольца конической рефракции, а оси анизотропии параллельны осям анизотропии наведенной анизотропии электрооптического элемента содержит фокусирующую линзу, расположенную между третьим фазовым элементом и техническим объектом, и цепь обратной связи, содержащую фотоприемник, оптически связанный с техническим объектом и расположенный в области максимума рассеянного лазерного излучения, пороговое устройство, электрически связанное с выходом фотоприемника, блок управления, электрически связанный с выходом порогового устройства и входом электрооптического элемента. Совокупность указанных признаков позволяет расширить функциональные возможности устройства за счет управления поляризацией лазерного излучения в процессе воздействия лазерного излучения на технический объект. Сущность полезной модели поясняется на фигуре, где 1 - двуосный кристалл с конической рефракцией 2 - комбинированный фазовый элемент 3 - первый фазовый элемент /4 4 - второй фазовый элемент /4 5 - градиентный фазовый элемент 6 - электрооптический элемент 7 - третий фазовый элемент /4 8 - фокусирующая линза 9 - технический объект 10 - цепь обратной связи 11 - фотоприемник 12 - пороговое устройство 13 - блок управления. Устройство содержит двуосный кристалл с конической рефракцией 1, одна из оптических осей которого перпендикулярна входной и выходной граням, комбинированный фазовый элемент 2, состоящий из расположенных рядом в одной плоскости первого 3 и второго 4 фазовых элементов /4, одноименные оси анизотропии которых повернуты друг относительно друга на угол 90 градиентный фазовый элемент 5, обеспечивающий непрерывное изменение разности фаз между ортогональными составляющими электриче 3 43652008.04.30 ского вектора световой волны по апертуре светового пучка от 0 до , электрооптический элемент 6, оси анизотропии которого повернуты относительно осей анизотропии комбинированного фазового элемента 2 на угол 45, и третий фазовый элемент /4 7 с осями анизотропии параллельными одноименным осям анизотропии одного из фазовых элементов /4 комбинированного фазового элемента 2, причем плоскость градиента разности фаз между ортогональными составляющими световой волны градиентного фазового элемента 5 параллельна плоскости, в которой лежат оптические оси двуосного кристалла с конической рефракцией 1, одной из осей анизотропии первого 3 и второго 4 фазового элемента/4 комбинированного фазового элемента 2 и границе раздела между ними, которая совпадает с диаметром кольца конической рефракции, а оси анизотропии параллельны осям наведенной анизотропии электрооптического элемента 6. Двуосный кристалл с конической рефракцией 1 выполнен в виде прямоугольной призмы из кристалла БФЦ, одна из оптических осей которого перпендикулярна входной и выходной граням. Комбинированный фазовый элемент 2 выполнен в виде расположенных рядом первого 3 и второго 4 фазовых элементов /4, оптические оси которых повернуты друг относительно друга под углом 90. Первый 3, второй 4 и третий 7 фазовые элементы /4 выполнены в виде плоскопараллельных кристаллических кварцевых пластин, оптическая ось которых параллельна входной и выходной граням. Градиентный фазовый элемент 5 выполнен в виде составной призмы из двух оптических кристаллических кварцевых клиньев, разноименные кристаллографические оси которых параллельны между собой. Электрооптический элемент 6 выполнен на базе кристалла-среза. Фотоприемник 10 выбирается исходя из требований спектральной чувствительности для выбранной длины волны лазерного излучения. Блок управления 12 выполнены в виде стандартного блока МГИН-5. Преобразователь поляризации светового излучения работает следующим образом. В исходном состоянии на двуосный кристалл с конической рефракцией 1 падает неполяризованный лазерный пучок. В результате конической рефракции на выходе двуосного кристалла с конической рефракцией 1 световой пучок приобретает кольцевое сечение с соответствующим распределением плоскости поляризации (на фиг. стрелками показаны ориентации плоскости поляризации в четырех точках кольца конической рефракции). Таким образом, на выходе двуосного кристалла с конической рефракцией 1 мы имеем по кольцу конической рефракции изменение ориентации плоскости поляризации в диапазоне 90 от вертикали. Поэтому дальнейшее рассмотрение работы радиального поляризатора светового излучения мы проведем на примере светового излучения соответствующего двум элементарным произвольным участкам кольца конической рефракции, обладающих ориентацией плоскостей поляризаций 0. После двуосного кристалла с конической рефракцией 1 излучение с плоскостью поляризации ориентированной под углом 0 падает на первый 3 и второй 4 фазовые элементы /4-комбинированного фазового элемента 2. После двулучепреломления на входных гранях мы будем иметь две пары ортогональных составляющих распространяющихся в первом 3 и втором 4 фазовых элементах /4 комбинированного фазового элемента 2. При прохождении световой волны через комбинированный фазовый элемент 2 между ортогонально поляризованными компонентами электрического вектора 2 и 2 в первом 3 и втором 4 фазовых элементах /4 наводится разность фаз равная соответственно /2 и - /2. При преломлении последних на входной грани градиентного фазового элемента 5, оси индикатрисы показателей преломления которого х 5 и у 5 развернуты относительно осей комбинированного фазового элемента 2 на угол 1/4 ортогональные компоненты электрического вектора световой волны, поля 4 43652008.04.30 ризованные вдоль осей х 5 и у 5 равны между собой по абсолютной величине. При прохождении световой волны через градиентный фазовый элемент 5 между ортогонально поляризованными компонентами электрического вектора 5 и 5 наводится разность фаз равная 2, где- величина угла необходимого поворота плоскостей поляризаций. Ортогонально поляризованные компоненты на выходе градиентного фазового элемента 5 будут иметь вид где х 5, у 5 - главные оси координат градиентного фазового элемента 5 0 - максимальная амплитуда электрического вектора световой волны 0 - круговая частота падающей световой волны 0 - волновое число падающей световой волны- время существования волны- расстояние, пройденное световой волной- постоянная фазовая задержка. В отсутствии управляющего поля электрооптический элемент не вносит никаких фазовых изменений. При преломлении последних на входной грани третьего фазового элемента /4 7, оси индикатрисы показателей преломления которого х 7 и у 7 развернуты относительно осей градиентного фазового элемента 5 на угол 2/4 амплитуды ортогональных компонент описываются гармоническими функциями, имеющими одинаковый период, и сдвинутыми друг относительно друга на /4. При прохождении световой волны через третий фазовый элемент /4 7 между ортогонально поляризованными компонентами электрического вектора 7 и 7 наводится разность фаз равная /2. В результате на вы ходе третьего фазового элемента /4 7 происходит синфазное совмещение ортогонально поляризованных компонент. Суперпозиция ортогональных компонент и дает результирующие плоско поляризованные световые волны, углы наклона плоскости поляризации которых к вертикали можно получить из отношения амплитуд ортогонально поляризованных компонент на выходе третьего фазового элемента /4 77 ( 3)(0) . Таким образом, на выходе третьего фазового элемента /4 7 излучение рассматриваемых участков кольца конической рефракции приобретет ориентацию плоскостей поляризации равную соответственно(0), что соответствует, например, радиальной поляризации. При подаче на электрооптический элемент 6 управляющего электрического напряжения /2 в нем наводится анизотропия показателей преломления, достаточная для наведения в световом пучке перед третьим фазовым элементом /4 7 дополнительной разности фаз между ортогональными составляющими электрического вектора проходящего излучения, равной . Ортогонально поляризованные компоненты на выходе электрооптического элемента 6 будут иметь вид Это обеспечивает поворот плоскостей поляризации всех участков кольца конической рефракции после третьего фазового элемента /4 7 на угол 90. Следовательно, мы получаем вместо радиальной поляризации азимутальную. Подача управляющего электрического напряжения /2 на электрооптический элемент 6 обеспечивается с помощью цепи обратной связи 10. Контроль над состоянием технического объекта 9 в процессе воздействия лазерного излучения осуществляют с помощью фотоприемника 11 цепи обратной связи 10, установленного в области максимума рассеянного излучения. Сигнал с фотоприемника 11 подается на вход порогового устройства 12. При равенстве сигнала фотоприемника с заданной величиной пороговое устройство вырабатывает синхроимпульс запуска для блока управления 13. На электрооптический элемент 6 подается электрическое напряжение /2. Изменение состояния поляризации происходит во время действия лазерного излучения на технический объект и позволяет оптимизировать процесс воздействия на материалы при изменении теплофизических характеристик и возникновении анизотропии оптических и теплофизических параметров. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.