close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY11522

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2009.02.28
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 11522
(13) C1
(19)
G 02F 1/01
СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СВЕТОВОГО ПОЛЯ В ВИДЕ
СУПЕРПОЗИЦИИ БЕССЕЛЕВЫХ СВЕТОВЫХ ПУЧКОВ
(21) Номер заявки: a 20061205
(22) 2006.11.30
(43) 2008.06.30
(71) Заявитель: Государственное научное учреждение "Институт физики
имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Рыжевич Анатолий Анатольевич; Солоневич Сергей Васильевич (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(56) БЕЛЫЙ В.Н. и др. Весцi Нацыянальнай акадэмii навук Беларусi. - 2003. № 4. - С. 23.
BY 6898 C1, 2005.
US 5943161 A, 1999.
BY 11522 C1 2009.02.28
(57)
Способ формирования светового поля в виде суперпозиции бесселевых световых пучков, в котором вдоль одной оси накладывают два когерентных не интерферирующих между собой монохроматических бесселевых световых пучка нулевого порядка одной длины
волны с углами конусности γ1 и γ2, где γ1>γ2, удовлетворяющими соотношению:
1,472 ≤ γ1 / γ 2 ≤ 1,473.
Фиг. 1
Предлагаемое изобретение относится к области оптики и лазерной физики и может
быть использовано для управления нано- и микрообъектами, для воздействия на органические клетки и ее компоненты, а также для неразрушающего оптического контроля и лазерной обработки материалов.
С момента появления таких источников излучения, как лазеры, пристальное внимание
специалистов, работающих с ними, обращается на конфигурацию лазерных световых пуч-
BY 11522 C1 2009.02.28
ков, являющихся своеобразными инструментами для работы. В настоящее время наблюдается возрастание интереса к так называемым градиентным световым пучкам, в которых
имеются резкие перепады интенсивности в поперечном сечении, обладающие какой-либо
(например, аксиальной) симметрией и имеющие высокую интенсивность в центральном
максимуме, расположенном, как правило, на их оптической оси. Благодаря наличию центрального максимума интенсивности, имеющего небольшие поперечные размеры, эти
пучки могут использоваться для точной лучевой обработки материалов, а также для воздействия на живые клетки и ее компоненты. Зачастую такие пучки применяются для
управления частицами малых размеров. Частицы в зависимости от соотношения показателей преломления среды и частиц могут либо втягиваться в максимум интенсивности
(показатель преломления частиц больше, чем показатель преломления среды), либо выталкиваться из него (показатель преломления частиц меньше, чем показатель преломления среды). Особый практический интерес с этих точек зрения вызывают пучки,
имеющие значительно превышающий остальные по пиковому значению осевой максимум интенсивности достаточно малых поперечных, но при этом больших продольных
размеров.
Общеизвестным является способ формирования светового пучка с узкой перетяжкой
из обычного гауссова светового пучка посредством сферической линзы. Однако данный
способ в силу фундаментальных свойств света (дифракционная расходимость) не позволяет получить узкую и при этом достаточно протяженную перетяжку. Посредством короткофокусных линз возможно сформировать пучок с узкой, но короткой перетяжкой, а
посредством длиннофокусных - более протяженную, но при этом и более широкую.
Известен также способ формирования световых полей в виде бесселевых световых
пучков (БСП) нулевого порядка. Поперечное радиальное распределение интенсивности
I(ρ) в них описывается возведенной в квадрат функцией Бесселя соответствующего порядка ( I(ρ) ~ J 02 (ρq ) , где J0 - функция Бесселя 0-го порядка, ρ - радиальная координата,
q = k sinγ, k = 2π/λ - модуль волнового вектора, γ - угол конусности БСП, λ - длина волны
излучения). Центральный наиболее яркий максимум интенсивности в поперечном сечении
БСП нулевого порядка (БСП0) имеет вид светлого круглого пятна. На кривой, описывающей радиальное распределение интенсивности, размеру - радиусу - центрального максимума соответствует расстояние от оптической оси (радиальная координата ρ равна 0) до
ближайшей точки, где интенсивность равна 0. Диаметр максимума равен удвоенному радиусу максимума. В обычном БСП расположение минимумов и максимумов интенсивности не зависит от продольной координаты, а центральный максимум интенсивности
сохраняет свои размеры практически неизменными во всей зоне существования БСП. Однако БСП0 в силу своих фундаментальных свойств всегда имеют некоторое количество
концентрично расположенных кольцевых максимумов и минимумов интенсивности, что
зачастую является их недостатком, поскольку кольцевые максимумы, особенно ближайший к осевому, соизмеримы по градиенту интенсивности с центральным и могут оказывать на некоторое процессы нежелательное воздействие.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является
способ формирования светового поля в виде суперпозиции нескольких когерентных и интерферирующих между собой соосных бесселевых световых пучков различных углов конусности [1], однако на оси данного поля в силу изменяющейся при увеличении
продольной координаты разницы фаз между парциальными волнами различных углов конусности может происходить как конструктивная интерференция (возрастание интенсивности), так и деструктивная (уменьшение интенсивности вплоть до нуля), т.е.
центральный максимум интенсивности суперпозиции вдоль оси претерпевает пульсации и
каждая пульсация является намного менее протяженной, чем осевой максимум интенсивности любого из БСП, составляющих суперпозицию.
2
BY 11522 C1 2009.02.28
Задачей настоящего изобретения является формирование светового пучка с протяженным и узким осевым максимумом интенсивности, значительно превышающим по пиковому значению остальные максимумы интенсивности, и со сниженными по сравнению с
составляющими БСП0 значениями контраста интенсивности ближайших к осевому кольцевых максимумов.
Поставленная задача решается таким образом, что в способе формирования светового
поля в виде суперпозиции бесселевых световых пучков вдоль одной оси накладывают два
когерентных не итерферирующих между собой монохроматических бесселевых световых
пучка нулевого порядка одной длины волны с углами конусности γ1 и γ2, где γ1 > γ2, удовлетворяющими соотношению: 1,472 ≤ γ1/γ2 ≤ 1,473.
Возможность решения поставленной задачи объясняется следующим. Интенсивность
суперпозиции двух неинтерферирующих БСП0 с одинаковыми пиковыми значениями осевых максимумов описывается функцией, представляющей собой сумму квадратов функций Бесселя нулевого и первого порядка: A 2 J 02 (2πρ sin γ1 / λ1 ) + A 2 J12 (2πρ sin γ 2 / λ 2 ) , где
A - амплитуда поля, λ2 и λ1 - длины волн излучения, γ1 и γ2 - углы конусности составляющих БСП0. Данная функция имеет осевой максимум интенсивности, значительно превышающий по значению кольцевые, при этом контраст интенсивности ближайших к осевому
кольцевых максимумов зависит от соотношения углов конусности БСП0, составляющих
суперпозицию. Посредством проведенных расчетов показано, что при выполнении соотношения γ1/γ2≈1,4723, где γ1 и γ2 - соответственно больший и меньший углы конусности
бесселевых световых пучков, достигается наименьший контраст по интенсивности для
ближайших к осевому кольцевых максимумов, поскольку кольцевые максимумы и минимумы составляющих БСП0 находятся на различных расстояниях от оси. Под контрастом
локального максимума интенсивности в данном случае подразумевается разница значений
между максимумом интенсивности и ближайшим к нему локальным минимумом интенсивности. Эта разница, в свою очередь, определяет градиент интенсивности в области локального максимума, который важен для практических применений светового поля.
Таким образом, для решения поставленной задачи необходимо сформировать световой
пучок, радиальное распределение интенсивности в котором представляло бы собой сумму
квадратов функций Бесселя нулевого порядка с указанным соотношением их углов конусности.
Предлагаемый способ поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена одна из возможных оптических схем для формирования световых пучков, реализованная экспериментально; на фиг. 2 показана двухкольцевая диафрагма для формирования суперпозиции
БСП0; на фиг. 3 показано радиальное распределение интенсивности: поз. 14 - в бесселевом
пучке нулевого порядка большего угла конусности, поз. 15 - в бесселевом пучке нулевого
порядка меньшего угла конусности, поз. 16 - в пучке, описываемом суммой квадратов
бесселевых функций нулевого порядка с соотношением углов конусности примерно
1,4723.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Формируют не интерферирующие между собой два бесселевых световых пучка нулевого порядка одинаковых
длин волн и с соотношением углов конусности, максимально близким к 1,4723, затем совмещают их вдоль одной оси либо одновременно формируют соосные БСП с необходимыми параметрами конусности.
Возможность осуществления предлагаемого способа и решения поставленной задачи
подтверждена не только расчетным образом, но и экспериментально. Для этого была собрана оптическая схема, показанная на фиг. 1, на основе двухкольцевой диафрагмы (ее фотография приведена на фиг. 2). Излучение лазера ЛГН-207А (поз. 1) с аксиально
симметричным распределением интенсивности светоделительным элементом 2 разделяется на две части. Та, которая отходит в сторону от первоначального направления, проходит
3
BY 11522 C1 2009.02.28
дополнительный путь, больший, чем длина когерентности для используемого лазера, т.е.
более 2 м. Затем посредством поворотных зеркал 4 и отделенная часть излучения направляется на телескоп 8 для увеличения диаметра пучка, после чего круглой затемняющей
диафрагмой 7 закрывается центральная часть отделенного пучка. Светоделительным элементом 6 отделенный пучок направляется соосно другой части излучения на двухкольцевую диафагму 10, внутреннее пропускающее кольцо которой меньше по диаметру, чем
круглая пропускающая диафрагма 5 и круглая затемняющая диафрагма 7, а внешнее пропускающее кольцо больше, чем затемняющая диафрагма 7 и круглая пропускающая диафрагма 5. Внешнее кольцо диафрагмы по диаметру примерно в 1,4723 раза больше, чем
внутреннее, благодаря чему линза 11, установленная на расстоянии от диафрагмы 10, равном ее фокусному расстоянию, формирует из излучения, прошедшего за диафрагму 7, два
соосных и когерентных вообще, но некогерентных между собой БСП0, имеющие углы конусности, отличающиеся в 1,4723 раза. Регулируемый светофильтр 3 используется для
выравнивания пиковой интенсивности центральных максимумов БСП0, составляющих суперпозицию. С помощью микроскопа 12 и CCD-камеры 13 производится регистрация
сформированного пучка. Распределение интенсивности в составляющих БСП0 (поз. 14 и
15), а также в их суперпозиции (поз. 16) показано на фиг. 3 (угол конусности у БСП0 14 в
1,4723 раза больше, чем угол конусности БСП0 15). Важной структурной особенностью
полученного светового пучка, формируемого посредством описанной схемы, является
протяженный, как и у составляющих его БСП0, осевой максимум интенсивности, имеющий микронные поперечные размеры, и существенно уменьшенный по сравнению с исходными БСП0 контраст интенсивности в области кольцевых максимумов, ближайших к
осевому, что чрезвычайно важно для всевозможных практических применений.
Таким образом, полученные результаты подтверждают возможность формирования
светового пучка с протяженным узким максимумом интенсивности посредством предлагаемого способа.
Источники информации:
1. Белый В.Н., Казак Н.С., Хило Н.А. Квазибездифракционные световые пучки: свойства и методы получения // Весцi Нацыянальнай акадэмii навук Беларусi. - № 4. - 2005:
Серыя фiзiка-матэматычных навук. - С. 23.
Фиг. 2
Фиг. 3
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
4
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
433 Кб
Теги
by11522, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа