close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY9801

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2007.10.30
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
G 02B 5/30
G 02B 27/28
УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ СВЕТОВОГО ПУЧКА
С РАДИАЛЬНОЙ ИЛИ АЗИМУТАЛЬНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ
(21) Номер заявки: a 20050698
(22) 2005.07.11
(43) 2007.04.30
(71) Заявитель: Государственное научное учреждение "Институт физики
имени Б. И. Степанова Национальной академии наук Беларуси " (BY)
(72) Авторы: Белый Владимир Николаевич (BY); Казак Николай Станиславович (BY); Кренинг Михаэль (DE);
Курилкина Светлана Николаевна
(BY); Мащенко Александр Георгиевич (BY)
BY 9801 C1 2007.10.30
BY (11) 9801
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт физики имени Б. И. Степанова Национальной академии наук Беларуси " (BY)
(56) US 4755027, 1988.
RU 2100832 C1, 1997.
SU 1746351 A1, 1992.
SU 1538726 A1, 1999.
US 2002/0176166 A1.
JP 02081035 A, 1990.
(57)
Устройство формирования светового пучка с радиальной или азимутальной поляризацией, содержащее коническую линзу, отличающееся тем, что оно содержит пластинку,
выполненную из одноосного кристалла с нанесенным с обеих сторон поляризационным
селективным покрытием, при этом оптическая ось кристалла ориентирована параллельно
оптической оси устройства, перед пластинкой последовательно установлены четвертьволновая пластинка и телескопическая система, содержащая две линзовые компоненты, между которыми установлена коническая линза с возможностью перемещения вдоль оси
телескопической системы.
Фиг. 1
BY 9801 C1 2007.10.30
Изобретение относится к области оптики и лазерной физики и может быть использовано в качестве поляризатора в проекционных аппаратах для формирования тонких образцов, требуемых при изготовления больших интегральных схем, в эллипсометрии при
зондировании ряда свойств, включая толщину пленок, морфологию или химический состав, в системах управления движением микрочастиц, при транспортировке энергии лазерного излучения в полых световодах, в оптической микроскопии.
Известно устройство для преобразования линейно поляризованного света в свет с радиальной либо азимутальной поляризацией [1], включающее специальный фазовый преобразователь и четвертьволновую пластинку. Фазовый преобразователь изготовлен из
одноосного кристалла в виде диска, одна из сторон которого плоская, а вторая выполнена
таким образом, что толщина диска b является линейной функцией азимутального угла
ϕ: b = b0 + (λ/(ne - nо))( ϕ-2π + 1), ϕ ∈ [0,2π], ne и no - необыкновенный и обыкновенный
показатели преломления кристалла, λ - длина волны света. Таким образом, поверхность
фазового преобразователя имеет винтовую форму. Использование данного поляризационного устройства ограничено вследствие вносимых фазовым преобразователем искажений
светового пучка, а также возможности получения световых пучков только с азимутальной
поляризацией.
Известно устройство для преобразования падающего светового пучка в радиально поляризованный свет, состоящее из двух (вогнутой и выпуклой) конических линз, имеющих
согласованные формы и различные показатели преломления [2]. Световой пучок на границе соприкосновения двух конических линз разделяется на s - (азимутально) и p - (радиально) поляризованные пучки, первый из которых отражается. Данное устройство
позволяет получить световые пучки только с радиальной поляризацией, а также имеются
значительные технологические сложности при изготовлении линзы с вогнутой конической поверхностью.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство
формирования световых пучков с радиальной или азимутальной поляризацией [3], включающее, по крайней мере, одну коническую линзу с нанесенным на коническую поверхность поляризационным селективным покрытием. Данное устройство позволяет получить
световой пучок с радиальной, либо азимутальной поляризацией. При необходимости изменения поляризации выходного светового пучка требуется замена формирующего устройства, что приводит к потере оперативности.
Задачей данного изобретения является создание управляемого поляризационного устройства, в котором возможно изменение поляризации выходного светового пучка от радиальной до азимутальной и наоборот.
Поставленная задача решается следующим образом. Устройство формирования светового пучка с радиальной или азимутальной поляризацией, содержащее коническую линзу,
содержит также пластинку, выполненную из одноосного кристалла с нанесенными с обеих сторон поляризационными селективными покрытиями. Оптическая ось кристалла ориентирована параллельно оси устройства. Перед пластиной последовательно установлены
четвертьволновая пластинка и телескопическая система, содержащая две линзовые компоненты. Между компонентами телескопической системы установлена коническая линза с
возможностью перемещения вдоль оси системы.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где: на фиг. 1 изображена оптическая
схема заявляемого устройства; на фиг. 2 приведена пластина из одноосного кристалла с
нанесенными на нее поляризационными селективными покрытиями; на фиг. 3 приведена
зависимость коэффициента пропускания кристаллического элемента с нанесенными селективными покрытиями от угла падения света; на фиг. 4 приведено распределение азимутальной поляризации в световом пучке по его сечению; фиг. 5 иллюстрирует
распределение радиальной поляризации по сечению светового пучка.
2
BY 9801 C1 2007.10.30
Устройство, схематически изображенное на фиг. 1, согласно заявляемому изобретению содержит последовательно расположенные четвертьволновую пластинку 1 и телескопическую систему, состоящую из линзовых компонент 2 и 3. Внутри телескопической
системы установлена коническая линза 4 с возможностью перемещаться вдоль оси телескопической системы. После телескопической системы установлена пластина 5 из одноосного кристалла, на торцевые поверхности которого нанесены слоисто-периодические
структуры 6 и 7. Оптическая ось кристалла совпадает с оптической осью устройства. На
фиг. 1 введены обозначения: ОО' - оптическая ось устройства; ƒ1 - фокусное расстояние
линзовой компоненты 2 телескопической системы; ƒ2 - фокусное расстояние линзовой
компоненты 3; L - расстояние от точки общего фокуса сферических компонент 2 и 3 до
конической линзы 4; α -угол между плоской поверхностью конической линзы и образующей ее конусной поверхностью; β - угол конусности плоскопараллельного светового пучка, последовательно прошедшего через линзовый компонент 2 телескопической системы,
коническую линзу 4 и линзовый компонент 3 телескопической системы. Для наглядности
световой пучок обозначен лучами в виде отрезков прямых со стрелками.
На фиг. 2 показана пластинка из одноосного кристалла 5 с нанесенными на нее поляризационными селективными покрытиями 6 и 7, выполненными в виде слоистой периодической структуры. Слоистая периодическая структура покрытий 6 и 7 состоит из
чередующихся слоев 8 и 9, причем слои 8 и 9 имеют различный показатель преломления.
Ориентация оптической оси одноосного кристалла показана стрелкой 10.
Фиг. 3 иллюстрирует зависимость коэффициента пропускания света с длиной волны
λ = 0,633 нм через пластинку из кристалла 5 с нанесенными на нее селективными покрытиями 6 и 7 (фиг. 2) от угла падения. Сплошные линии соответствуют пропусканию света
с радиальной поляризацией, пунктирные - пропусканию азимутально поляризованного
света. Расчет выполнен для случая, когда пластинка 5 изготовлена из одноосного кристалла ниобата лития толщиной 1 мм. Слоистые периодические структуры селективных поляризационных покрытий 6 и 7 имели по восемь слоев, причем слои 8 с показателем
преломления n1 = 2,0 имеют толщину 90 нм, а для слоев 9 толщиной 120 нм показатель
преломления n2 = 1,45. Следует отметить, что полное пропускание света с радиальной поляризацией соответствует практически полному отражению волн, имеющих азимутальную поляризацию, и наоборот.
На фиг. 4 приведено сечение светового пучка с азимутальной поляризацией.
Фиг. 5 иллюстрирует распределение радиальной поляризации по сечению светового
пучка.
Устройство работает следующим образом Линейно поляризованный монохроматический коллимированный световой пучок, падающий на устройство, после прохождения
четвертьволновой пластинки 1 приобретает циркулярную поляризацию.
После прохождения четвертьволновой пластинки 1 свет направляется на телескопическую систему с компонентами 2 и 3, между которыми установлена коническая линза
4. Данная оптическая система формирует конический световой пучок с углом конусности β, который представляет собой угол между лучами в световом пучке и оптической
осью устройства ОО'. Угол конусности светового пучка на выходе телескопической системы определяется углом преломления α конической линзы 4 расположением внутри
телескопической системы и зависит от оптической силы компонент 2 и 3 телескопической системы
 1
1 
 tgδ, tgβ = L ⋅ tgδ / ƒ 2 ,
tgβ = (L + ƒ 2 )
−
(1)
 ƒ2 L + ƒ2 
где δ - угол конусности светового пучка после прохождения конической линзы в отсутствие телескопической системы. Его величина находится из уравнения
(2)
sin(α + δ) = n⋅sinα,
3
BY 9801 C1 2007.10.30
где n - показатель преломления материала, из которого изготовлена коническая линза 4
[4]. В случае малости угла α при основании конической линзы можно ограничиться параксиальным приближением. В этом случае угол конусности δ равен
(3)
δ = (n-1)α,
а угол конусности светового пучка, прошедшего через телескопическую систему из компонент 2 и 3 с конической линзой 4, определяется из следующего соотношения:
(4)
β = L⋅δ/ƒ2.
Как следует из выражений (1) и (4), величина угла конусности β светового пучка зависит от отрезка L, т.е. от расположения конической линзы 4 относительно компонент 2 и 3
телескопической системы. Таким образом, углом конусности светового пучка β можно
управлять путем перемещения вдоль оси телескопической системы конической линзы 4.
После телескопической системы конический световой пучок с циркулярной поляризацией падает на оптический элемент, представляющий собой пластинку 5 из кристалла с
нанесенными на него поляризационными селективными покрытиями 6 и 7. Как видно на
фиг. 3, пропускание данного оптического элемента зависит от угла падения света, т.е. от
угла конусности светового пучка. При контролируемом управлении углом конусности
светового пучка перемещением конической линзы 4 на выходе устройства можно формировать световой пучок с определенным типом поляризации: азимутальной - фиг. 4 либо
радиальной - фиг. 5.
Для подтверждения возможности осуществления предлагаемого устройства и решения
поставленной задачи приведены расчеты и экспериментальные исследования при следующих параметрах оптических компонент. Для преобразования исходного светового
пучка гелий-неонового лазера с длиной волны излучения 0,632 мкм из линейно в циркулярно поляризованный использовалась стандартная четвертьволновая пластинка. Телескопическая система состояла из двух линз с фокусными расстояниями, равными
ƒ1 = 300 мм и ƒ2 = 60 мм. При исследованиях использовалась коническая линза с углом
преломления α, равным 2,1°, изготовленная из стекла с показателем преломления n = 1,5.
Пластинка из ниобата лития с селективными покрытиями была изготовлена в соответствии с расчетом, результаты которого приведены на фиг. 3. Пространственное распределение поляризации после устройства анализировалось с помощью поляризатора и
фиксировалось ПЗС-матрицей. Перемещение конической линзы 4 осуществлялось от точки общего фокуса линз 2 и 3 телескопической системы до линзы 2.
В результате измерений установлено, что при перемещении конической линзы 4 от
точки общего фокуса линз 2 и 3 в направлении линзы 2 поляризация выходного пучка изменяется. На выходе устройства поочередно формируется пучок с азимутальной либо радиальной поляризацией. При величине отрезка L, равной 168,6 мм, на выходе заявляемого
устройства формируется пучок света с азимутальной поляризацией. При увеличении отрезка L на величину, равную 7,8 мм, на выходе устройства формируется пучок света с радиальной поляризацией. Результаты этих измерений соответствуют рассчитанным
значениям, приведенным на фиг. 3. Данные эксперимента совпадают с проведенным численным расчетом.
Таким образом, полученные экспериментальные и теоретические результаты подтверждают возможность формирования световых пучков с радиальной или азимутальной
поляризацией.
Источники информации:
1. Патент США 3,892,470, МПК G 02B 27/28, опубл. 01.07.1975.
2. Патент США 5,436,761, МПК G 02B 5/30, опубл. 25.07.1995.
3. Патент США 4,755,027, МПК G 02B 5/30, G 02B 27/28, опубл. 05.07.1988.
4
BY 9801 C1 2007.10.30
4. R.M. Herman, T.A. Wiggins. Production and user of diffractionless beams. J. Opt. Soc.
Am. A/Vol. 8, No. 6. June 1991. P. 932-942.
Фиг. 2
Фиг. 3
Фиг. 4
Фиг. 5
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
5
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
127 Кб
Теги
by9801, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа