Преобразователь лазерного излучения

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(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) Преобразователь лазерного излучения, содержащий входной поляризатор, первую четвертьволновую пластину, двуосный кристалл, входная грань которого ориентирована перпендикулярно оси входного светового пучка, вторую четвертьволновую пластину,выходной поляризатор и систему сферических линз для изменения расходимости, диаметра, количества кольцевых максимумов интенсивности выходного пучка, отличающийся тем, что выходной поляризатор закреплен жестко таким образом, что плоскость поляризации пропускаемого им света перпендикулярна либо параллельна плоскости поляризации света, пропускаемого входным поляризатором, вторая четвертьволновая пластина закреплена в держателе, обеспечивающем возможность ее поворота точно на 180 вокруг оси,перпендикулярной либо параллельной плоскости поляризации и перпендикулярной оси симметрии падающего на пластину светового пучка, а система сферических линз расположена вне комбинации остальных элементов.(56) 1. Казак Н.С., Хило Н.А., Рыжевич А.А., Кинг Т.А., Хогерворст В. Способ формирования бесселева светового пучка заданного порядка. Патент РБ на изобретение 5444. МПК 02 1/01 // Афцыйны бюлетэнь. -3, частка 1, (38). - 2003. - С. 213.). 2.,.,,83652012.06.30 3. Казак Н.С., Хило Н.А., Рыжевич А.А. Способ формирования многокольцевого светового пучка с винтовой дислокацией волнового фронта заданного порядка. Патент РБ на изобретение 5445. МПК 02 1/01 // Афцыйны бюлетэнь. -3, частка 1, (38). -2003. С. 213-214. 4. Казак Н.С., Катранжи Е.Г., Рыжевич А.А. Формирование и преобразование небесселевых многокольцевых световых пучков // ЖПС. - 2002. - Т. 69,2. - С. 242-247. Предлагаемая полезная модель относится к области оптики и лазерной физики и может быть использована с целью формирования световых пучков с качественным распределением интенсивности для осуществления с их помощью нелинейно-частотных преобразований лазерного излучения в нелинейной оптике, для манипулирования частицами малых размеров в нано-, микро- и биотехнологиях, для лазерной обработки материалов, для профилометрии, в метрологии, 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. С помощью данных пучков реализованы нелинейно-оптические процессы сложения и аннигиляции ВДВФ. Световые пучки с минимумом интенсивности на своей оси могут использоваться для захвата и перемещения частиц с показателем преломления меньшим, чем показатель преломления окружающей среды, а также для управления холодными атомами (ионами). Минимум интенсивности вблизи оси означает, что данные пучки в поперечном сечении имеют кольцевой профиль. Такая конфигурация поля используется для профилометрии цилиндрических и конических изделий, поскольку благодаря осевому минимуму интенсивности уменьшаются искажения пучка при дифракции на торце исследуемых изделий. Минимум интенсивности на оси пучка способствует более равномерному распределению тепла в зоне термического воздействия при лазерной обработке металлов, благодаря чему, например, при лазерной сварке уменьшается вероятность возникновения сквозных прожигов материала вблизи центра светового пятна. Помимо пучков, имеющих кольцевой профиль, в научной и технологической практике необходимы лазерные световые пучки, имеющие гауссов либо приближенный к нему аксиально-симметричный профиль интенсивности. С целью получения качественных пучков применяются так называемые пространственные фильтры либо аподизирующие диафрагмы. Пучки с гладким распределением интенсивности особенно необходимы для создания разнообразных измерительных установок, использующих в качестве рабочего инструмента лазерные пучки. Известно устройство для осуществления способа формирования бесселевых световых пучков высших порядков, описанное в 1 и 2. Переключение порядка дислокации волнового фронта в данном случае производится посредством поворота поляризатораанализатора, расположенного на выходе устройства, вокруг оси, параллельной оси пучка и перпендикулярной входной плоскости поляризатора. При этом вследствие конструктивных особенностей поляризатора, как правило, происходит небольшое, но во многих случаях крайне нежелательное отклонение светового пучка от первоначального, т.е. до прохождения сквозь поляризатор-анализатор, направления распространения. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство 3 для реализации способа формирования многокольцевого светового пучка с 2 83652012.06.30 ВДВФ заданного порядка, включающее входной поляризатор, первую четвертьволновую пластину, двуосный кристалл, бинормаль которого лежит на оси светового пучка, вторую четвертьволновую пластину, выходной поляризатор для выделения пучка с необходимым порядком ВДВФ и систему сферических линз для перестройки расходимости многокольцевого выходного пучка и количества кольцевых максимумов интенсивности в его поперечном сечении. Однако данное устройство, как и устройство 1, 2, в общем случае, в силу необходимости поворота выходного поляризатора, не позволяет при переключении порядка сохранить первоначальное направление распространения светового пучка. Задачей предлагаемой полезной модели является преобразование входного светового пучка в световой пучок с необходимым порядком ВДВФ и необходимым количеством колец с возможностью переключения порядка ВДВФ без смещения направления распространения выходного пучка. Предложенный преобразователь лазерного излучения включает следующие элементы входной поляризатор, первую четвертьволновую пластину, двуосный кристалл, входная грань которого ориентирована перпендикулярно оси входного светового пучка, вторую четвертьволновую пластину, выходной поляризатор и систему сферических линз для изменения расходимости, диаметра, количества кольцевых максимумов интенсивности выходного пучка. Устройство обладает следующими отличительными признаками выходной поляризатор закреплен жестко таким образом, что плоскость поляризации пропускаемого им света перпендикулярна либо параллельна плоскости поляризации света, пропускаемого входным поляризатором, вторая четвертьволновая пластина закреплена в держателе, обеспечивающем возможность ее поворота ровно на 180 вокруг оси, перпендикулярной либо параллельной плоскости поляризации и перпендикулярной оси симметрии падающего на пластинку светового пучка, система сферических линз расположена вне комбинации остальных элементов. Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана оптическая схема предлагаемого преобразователя лазерного излучения на фиг. 2 показан вариант конструкции держателя второй четвертьволновой пластины, обеспечивающего возможность ее точного поворота на 180 на фиг. 3 приведена фотография действующего преобразователя лазерного излучения, собранного авторами настоящей заявки на фиг. 4 показаны два точных положения держателя второй четвертьволновой пластины на фиг. 5 показано распределение интенсивности в поперечном сечении выходного светового пучка с ВДВФ, на фиг. 6 показано распределение интенсивности в поперечном сечении выходного светового пучка без ВДВФ. Предлагаемое устройство состоит из входного поляризатора 1, первой четвертьволновой пластины 2, двуосного кристалла 3, второй четвертьволновой пластины 4, закрепленной в держателе 5, обеспечивающем ее точный поворот на 180 в плоскости, перпендикулярной оси симметрии преобразуемого пучка, выходного поляризатора 6 и опциональной системы сферических линз 7 и 8 (фиг. 1). Устройство работает следующим образом. Начальный лазерный пучок от внешнего источника излучения падает на преобразователь в направлении, показанном стрелкой 9,лежащей на оси симметрии 10 этого пучка. Входной поляризатор 1 придает проходящему сквозь него лазерному излучению линейную поляризацию, после чего соответствующим образом ориентированная первая четвертьволновая пластина 2 придает световому пучку циркулярную поляризацию. Проходя через двуосный кристалл 3 циркулярно поляризованный пучок разделяется в нем на два циркулярно поляризованных в противоположных направлениях пучка, один из которых обладает, а другой не обладает ВДВФ. Второй четвертьволновой пластиной 4 пучки с противоположными циркулярными поляризациями преобразуются в два сонаправленных пучка с ортогональными линейными поляризациями. Четвертьволновая пластина 4 закреплена в держателе 5, с помощью которого ее мож 3 83652012.06.30 но поворачивать точно на 180 вокруг оси, перпендикулярной либо параллельной плоскости поляризации и перпендикулярной оси симметрии 10 падающего на пластину светового пучка. При таком повороте пластины 4 происходит одновременный поворот ориентации плоскостей поляризации обоих выходящих из нее линейно поляризованных пучков на 90 в одном направлении относительно оси симметрии 10 начального пучка. Выходной поляризатор 6 пропускает один из линейно поляризованных пучков. Поворотом держателя 5 выбирают световой пучок с необходимым порядком ВДВФ. Опциональная система сферических линз 7 и 8 регулирует расходимость, поперечный размер и количество кольцевых максимумов интенсивности выходного пучка. При уменьшении фокусного расстояния линзы 7 увеличивается количество кольцевых максимумов интенсивности в выходном пучке. Изменяя расстояние между линзами 7 и 8, регулируют расходимость выходного пучка. Если фокусные плоскости линз 7 и 8 совмещены и фокусное расстояние линзы 8 больше, чем фокусное расстояние линзы 7, диаметр выходного пучка больше, чем диаметр начального пучка, и соответственно наоборот. Если фокусные расстояния линз 7 и 8 одинаковы, при совмещении фокусных плоскостей линз диаметр выходного пучка такой же, как и диаметр входного. Опциональность системы линз 7 и 8 означает, что любая из них в зависимости от расходимости начального пучка либо требований к выходному пучку может либо отсутствовать, либо заменяться системой сферических линз с необходимым фокусным расстоянием. Возможность решения поставленной задачи объясняется следующим. Циркулярно поляризованная волна пучка возбуждает в двуосном кристалле, ориентированном вдоль его бинормали, две циркулярно поляризованные 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. Расходимость исходного пучка обусловливает количество и ширину колец в выходных пучках чем больше расходимость, тем больше количество колец и меньше их ширина 4. Изменяя с помощью линзы 7 расходимость падающего на кристалл 3 пучка и размеры используемого двуосного кристалла 3, можно практически получить количество колец от одного до нескольких десятков. Для получения циркулярно поляризованных пучков и преобразования их в линейно поляризованные оптические оси четвертьволновых пластинок должны составлять с плоскостью поляризации излучения,пропускаемого входным поляризатором 1, угол 45 либо -45. Если ориентации осей первой и второй четвертьволновых пластинок 2 и 4 совпадают (в схематичных обозначениях/и/ или и), то плоскость поляризации пучка с неизмененным порядком дислокации поворачивается на 90 относительно положения плоскости поляризации пучка, выходящего из начального поляризатора 1. Если же направления осей четвертьволновых пластинок перпендикулярны друг другу (/и или и/), плоскость поляризации пучка с неизмененным порядком дислокации совпадает с плоскостью поляризации пучка, пропускаемого входным поляризатором 1. Поворот четвертьволновой пластины 4 на 180 держателем 5 приводит к изменению ориентации ее оси относительно оси пластины 2 на 90. При повороте держателя 5 взаимная ориентация осей /и/ переходит в /и, и - в и/, /и - в /и/, и/ - в и. Это означает, что два определенных положения пластины 4, задаваемые держателем 5, в конечном итоге соответствуют случаям, когда выходной поляризатор 6 пропускает линейно поляризованный пучок либо с преобразованным, либо с непреобразованным порядком ВДВФ. При изменении положения держателя происходит переключение порядка ВДВФ. Один из возможных вариантов реализации поворотного узла держателя 5, служащего для точного поворота четвертьволновой пластины 2 на 180, схематически показан на фиг. 2 (вид сверху). Четвертьволновая пластина фиксируется в оправе 11 с упорной пластиной 12. Оправа 11 жестко крепится к цилиндрическому штоку 13, имеющему возможность вращения относительно неподвижного основания преобразователя вокруг вер 4 83652012.06.30 тикальной оси, совпадающей с осью симметрии штока. В стойке 14 жестко прикрепленного, независимо от оправы, к основанию преобразователя имеются два резьбовых отверстия, в которых вращаются регулировочные шпильки 15 и 16 с закругленными концами,служащие для установки двух точных положений упорной пластины 12. Поз. 17 соответствует второму положению упорной пластины 12. Поворот четвертьволновой пластины вокруг вертикальной оси точно на 180 не приводит к смещению светового пучка от первоначального направления распространения, поскольку четвертьволновая пластина представляет собой одну или две жестко скрепленные тонкие плоскопараллельные пластины,строго параллельные между собой. В то же время поворот выходного поляризатораанализатора в прототипе устройства, как правило, приводит к отклонению выходного пучка. Дело в том, что поляризатор, если это, например, призма Глана, имеет внутри себя прослойку с отличающимся от основного материала показателем преломления, на которую свет падает под углом, отличным от нуля (угол отсчитывается от нормали к поверхности прослойки), что в любом случае приводит к смещению проходящего через призму пучка относительно направления падающего на поляризатор пучка. Поэтому при разных ориентациях выходного поляризатора оси симметрии выходных пучков не совпадают. Если же поляризатор тонкопленочный, пленка обычно фиксируется между двумя достаточно толстыми прозрачными пластинами, которые должны быть плоскопараллельными и должны быть склеены параллельно друг другу. Однако на практике пластины чаще всего не являются строго плоскопараллельными и не точно параллельны друг другу. Оптический клин, возникающий при указанных неточностях, также приводит в общем случае к отклонению направления распространения пучка от направления распространения пучка,падающего на выходной поляризатор, и при разных ориентациях тонкопленочного поляризатора направления распространения выходного пучка, как правило, не совпадают. Возможность реализации предполагаемой полезной модели подтверждена экспериментально. Авторами настоящей заявки изготовлен экземпляр преобразователя на основе двуосного кристалла КТР (титанил фосфат калия 4). На фиг. 3 показана фотография преобразователя без сферических линз. Линзы могут не использоваться в тех случаях,когда лазерный источник генерирует световой пучок с расходимостью, обеспечивающей необходимое количество кольцевых максимумов интенсивности. Именно потому, что параметры линз определяются параметрами лазерного источника и желаемыми характеристиками выходного пучка, система линз в целях унификации и автономности совокупности остальных оптических элементов преобразователя вынесена наружу относительно них. Лазерный пучок должен проходить через оптические элементы преобразователя в направлении справа налево. Стрелкой на фиг. 3 указан держатель второй четвертьволновой пластины, обеспечивающей ее точный поворот. На фиг. 4 показаны два точно устанавливаемые с помощью регулировочных винтов положения оправы с четвертьволновой пластиной. На фиг. 5 показано распределение интенсивности в поперечном сечении выходного светового пучка с ВДВФ 1-го порядка при одном из положений держателя. При естественной расходимости светового пучка, генерируемого гелий-неоновым лазером типа ГН-2 П-1, и длине кристалла КТР 12 мм формировался однокольцевой пучок с ВДВФ. При другом положении держателя формировался световой пучок без ВДВФ, распределение интенсивности в поперечном сечении которого показано на фиг. 6. Центральная область данного выходного пучка, которую можно легко выделить круглой диафрагмой соответствующего диаметра, имеет весьма качественное гладкое распределение интенсивности и расходимость, меньшую, чем расходимость падающего на кристалл преобразователя пучка. При переключении порядка ВДВФ путем поворота второй четвертьволновой пластины ось симметрии выходного пучка не смещается, что очень важно для обеспечения точности при управлении частицами малых размеров и точной ла 5 83652012.06.30 зерной обработке материалов с помощью выходных пучков либо формируемых из них бесселевых световых пучков. Таким образом, изготовленный авторами предлагаемой полезной модели экземпляр устройства подтвердил ее работоспособность. Предлагаемое устройство применимо для выполнения поставленной задачи - преобразования входного светового пучка в световой пучок с необходимым порядком ВДВФ и необходимым количеством колец с возможностью переключения порядка ВДВФ без смещения направления распространения выходного пучка. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7