close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY16680

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2012.12.30
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
G 02F 1/01
(2006.01)
СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ РАДИАЛЬНО ИЛИ АЗИМУТАЛЬНО
ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТОВОГО ПУЧКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ
ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
(21) Номер заявки: a 20101280
(22) 2010.08.30
(43) 2012.04.30
(71) Заявители: Государственное научное учреждение "Институт физики
имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси" (BY);
Центр Наук и Технологий Короля
Абдулазиза (SA)
(72) Авторы: Хило Николай Александрович (BY); Рыжевич Анатолий
Анатольевич (BY); Солоневич Сергей Васильевич (BY); Казак Николай Станиславович (BY); Турки
Сауд Мохаммед Аль-Сауд (SA); Солиман Хаммад Аль-Ховайтер (SA);
Муханна Камал Аль-Муханна (SA)
BY 16680 C1 2012.12.30
BY (11) 16680
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатели: Государственное
научное учреждение "Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси" (BY);
Центр Наук и Технологий Короля Абдулазиза (SA)
(56) BY 9801 C1, 2007.
BY 11180 C1, 2008.
RU 2175450 C2, 2001.
US 5375130 A, 1994.
US 6856379 B2, 2005.
(57)
1. Способ формирования радиально или азимутально поляризованного светового пучка,
включающий пропускание исходного поляризованного монохроматического конусного светового пучка с заданной длиной волны λ через кристалл, отличающийся тем, что в качестве
указанного кристалла используют двуосный кристалл заданной длины L, бинормаль которого
параллельна оси симметрии светового пучка и перпендикулярна входной грани кристалла,
световой пучок формируют с углом конусности γ = arcsin ((2n + 1)λ / 4Lα , где α и n - соответственно параметр анизотропии кристалла и любое целое число, и поляризуют таким образом,
чтобы обеспечить на входе в кристалл колебания вектора напряженности электрического поля пучка в направлении оси X или оси Y кристалла, лежащей в плоскости его входной
грани и соответственно параллельной или перпендикулярной плоскости бинормалей, для
получения на выходе радиально или азимутально поляризованного светового пучка соответственно в первом и во втором случае.
Фиг. 1
BY 16680 C1 2012.12.30
2. Устройство для формирования радиально или азимутально поляризованного светового пучка, содержащее источник когерентного монохроматического света, оптическую
систему для формирования поляризованного конусного светового пучка, а также установленный на выходе оптической системы кристалл, отличающееся тем, что указанный кристалл выполнен двуосным с бинормалью, перпендикулярной его входной грани и
параллельной оптической оси устройства, а оптическая система выполнена с возможностью формирования светового пучка, линейно поляризованного в заданной плоскости.
Изобретение относится к области оптики и лазерной физики и может быть использовано для осуществления нелинейно-частотных преобразований лазерного излучения, для
управления микро- и наночастицами, высокоразрешающей микроскопии, в системах обработки и передачи оптической информации, для неразрушающего оптического контроля
качества цилиндрических и конических поверхностей, а также для прецизионной лазерной
обработки материалов, в том числе металлов.
В настоящее время наблюдается возрастание интереса к световым пучкам, обладающим азимутальной (векторы электрической составляющей перпендикулярны направлению распространения электромагнитной волны и при этом лежат на касательных к
окружностям, центры которых находятся на оптической оси пучка) и особенно радиальной (векторы электрической составляющей поля лежат на лучах, радиально расходящихся
от оптической оси пучка) поляризацией. Интерес к данным пучкам объясняется, прежде
всего, инвариантностью особенностей их отражения от цилиндрических и конических поверхностей даже при больших углах падения, благодаря чему можно производить контроль качества изделий, имеющих аксиальную симметрию с большей точностью, а также
формировать аксиально симметричные перетяжки линзовыми системами с высокой числовой апертурой. Радиально поляризованные пучки, сфокусированные объективами с высокой числовой апертурой, имеют в фокусе сильную нераспространяющуюся продольную
составляющую электрического поля и могут обеспечить существенно меньшие размеры
светового пятна в фокусной плоскости по сравнению с линейно и циркулярно поляризованными пучками, благодаря чему позволяют обеспечить высокую точность лазерной обработки материалов, высокую плотность мощности в месте взаимодействия излучения с
веществом. Кроме того, они могут быть использованы для захвата манипуляции частиц
меньших размеров, чем это возможно с пучками, имеющими линейную или циркулярную
поляризацию.
Существуют способ и устройство для формирования световых пучков, имеющих радиальную поляризацию с использованием конической призмы Брюстера [1]. Для реализации данного способа необходим сложный в изготовлении и, как следствие, дорогостоящий оптический элемент с многослойными покрытиями. Кроме того, этот способ не
предоставляет возможности получения азимутально поляризованного светового пучка.
Известны способ и устройство для внутрирезонаторного формирования радиально поляризованного светового пучка с использованием двулучепреломляющего активного элемента, изготовленного из кристалла Nd:YVO4 [2]. Как и предыдущий, этот способ не
позволяет формировать световой пучок с азимутальной поляризацией. Кроме того, этот
способ также сложен с технической точки зрения, поскольку требует равномерной, т.е.
осесимметричной накачки активного элемента. Кроме того, в силу наличия поглощающей
диафрагмы внутри резонатора КПД данного устройства для генерации радиально поляризованного пучка будет существенно ниже, чем у источника линейно поляризованного лазерного излучения без такого селектирующего элемента.
Существуют способ и устройство для формирования световых пучков с радиальной
или азимутальной поляризацией на основе жидкокристаллического геля [3]. Однако данный способ и соответствующее устройство не позволяют формировать выходные свето2
BY 16680 C1 2012.12.30
вые пучки достаточно хорошего качества. Кроме того, жидкие кристаллы в силу довольно
высокого поглощения не позволяют преобразовывать мощные лазерные пучки, пригодные
для последующей обработки материалов и управления частицами.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является
устройство формирования светового пучка с радиальной или азимутальной поляризацией
[4], основанное на оптических свойствах одноосного кристалла, ориентированного вдоль
его оптической оси. Устройство содержит коническую линзу, 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 система, обеспечивающая формирование конусного светового пучка с необходимым углом конусности. Однако известное устройство и осуществляемый с его помощью способ
требуют наличия одноосного кристалла с двусторонним селективным покрытием, состоящим из нескольких чередующихся слоев, имеющих два различных показателя преломления. Необходимость нанесения многослойного покрытия существенно увеличивает время
изготовления и стоимость устройства. При этом выходные пучки с различной поляризацией имеют различные углы конусности.
Задачей предлагаемого изобретения является формирование конусного светового пучка с радиальной или азимутальной поляризацией с одним и тем же углом конусности.
Поставленная задача решается таким образом, что в способе формирования радиально
или азимутально поляризованного светового пучка, включающем пропускание исходного
поляризованного монохроматического конусного светового пучка с заданной длиной волны λ через кристалл, в качестве указанного кристалла используют двуосный кристалл заданной длины L, бинормаль которого параллельна оси симметрии светового пучка и
перпендикулярна входной грани кристалла, световой пучок формируют с углом конусности γ = arcsin((2n + 1)λ/4Lα), где α и n соответственно параметр анизотропии кристалла и
любое целое число, и поляризуют таким образом, чтобы обеспечить на входе в кристалл
колебания вектора напряженности электрического поля пучка в направлении оси X или
оси Y кристалла, лежащей в плоскости его входной грани и соответственно параллельной
или перпендикулярной плоскости бинормалей, для получения на выходе радиально или
азимутально поляризованного светового пучка соответственно в первом и во втором случае. В устройстве для формирования радиально или азимутально поляризованного светового пучка, содержащем источник когерентного монохроматического света, оптическую
систему для формирования поляризованного конусного пучка, а также установленный на
выходе оптической системы кристалл, указанный кристалл выполнен двуосным с бинормалью, перпендикулярной его входной грани и параллельной оптической оси устройства,
а оптическая система выполнена с возможностью формирования светового пучка, линейно поляризованного в заданной плоскости.
Возможность решения поставленной задачи объясняется следующим. Имеется достаточно большое количество серийно выпускаемых источников лазерного излучения, обеспечивающих получение исходного когерентного монохроматического светового пучка.
Лазерное излучение в зависимости от конструкции лазера может быть линейно поляризованным или неполяризованным. Неполяризованное лазерное излучение может быть преобразовано в линейно поляризованное посредством соответствующего поляризатора. Не
представляет технической трудности сформировать из линейно поляризованного светового пучка, например, с использованием конической линзы конусный световой пучок с необходимым углом конусности. Возможно, наоборот, сделать линейно поляризованным
неполяризованный конический пучок, если конический пучок был сформирован из неполяризованного исходного лазерного пучка. Двуосные кристаллы также являются вполне
доступным оптическим материалом. В настоящее время методы ориентации и обработки
кристаллов хорошо отработаны в промышленности. Технически возможно изготовить
3
BY 16680 C1 2012.12.30
двуосный кристалл, ось X которого лежит в плоскости оптических осей (бинормалей)
двуосного кристалла и перпендикулярна той бинормали, вдоль которой ориентирован
кристалл. Ось Y кристалла перпендикулярна оси X кристалла и перпендикулярна плоскости оптических осей (бинормалей) кристалла. Ориентация осей X и Y кристалла однозначно задается при его изготовлении. Как правило, боковые грани кристалла,
ориентированного вдоль бинормали, попарно параллельны соответственно оси X и оси Y,
однако могут быть ориентированы и по-другому, что не повлияет на выполнение задачи
предлагаемого изобретения. Достаточно, чтобы входная и выходная грани кристалла были
перпендикулярны одной из двух бинормалей (оптических осей) двуосного кристалла, а
входящий в кристалл свет мог быть линейно поляризован как в плоскости, параллельной
оси X, так и в плоскости, параллельной оси Y. При падении на кристалл линейно поляризованного конического светового пучка, поляризованного вдоль оси X, в кристалле возбуждаются две волны с поляризацией
r
r
r
с+ = (1 + cos(ϕ))e1 + sin(ϕ))e2
r
r
r
с− = (1 − cos(ϕ))e1 + sin(ϕ))e2
и различающимися фазовыми скоростями.
Результирующее поле в кристалле представляет собой интерференцию указанных конических пучков и поле на выходе зависит от толщины кристалла. Расчет дифракционного интеграла дает для амплитуды выходного поля
r
r
r
A ( ρ , L) = M 0 (q in ρ )cos( α q in L) e 1 - M 1 (q in ρ )sin( α q in L) e ρ .
(1)
Здесь ρ - радиальная цилиндрическая координата, L - толщина кристалла, α - параметр
анизотропии кристалла (например, для кристалла КТР α = 1,6*10-2), q in = k 0 sin( γ ) , γ - угол
r
r
конусности падающего БСП, e1 - вектор поляризации падающего пучка, eρ - единичный
вектор радиальной поляризации, k0 = 2πλ, λ - длина волны излучения, M 0 (q in ρ) и
M1 (q in ρ) - аксиально симметричные функции, определяемые функцией распределения
амплитуды входного поля.
Из (1) следует, что при выходное поле будет полностью радиально поляризовано при
соблюдении условия
(2)
αq in L = (2n + 1)π/2 .
Аналогично для случая поляризации падающего пучка вдоль оси Y получим для выходного поля
r
r
r
(3)
A(ρ, L) = M 0 (q in ρ)cos(αq in L)e2 - M1 (q in ρ)sin(αq in L)eϕ ,
r
где eϕ - единичный вектор азимутальной поляризации.
Как видно из (3), в данном случае имеет место преобразование линейно поляризованного конического светового пучка в пучок азимутальной поляризации. Условие полного
преобразования состояния поляризации в азимутальную совпадает с условием (2). При
использовании в качестве входного линейно поляризованного Бесселева светового пучка
нулевого порядка с соответствующим условию (2) углом конусности радиально и азимутально поляризованные компоненты представляют собой БСП первого порядка. Таким
образом, в кристалле происходит преобразование как состояния поляризации падающего
пучка, так и порядка бесселевой функции:
r
r
r
(4)
A(ρ, L) = a 0 J 0 (q in ρ)cos(αq in L)e2 + a 0 J1 (q in ρ)sin(αq in L)eϕ ,
r
r
r
(5)
A(ρ, L) = a J (q ρ)cos(αq L)e + a J (q ρ)sin(αq L)e ,
0 0
in
in
1
0 1
in
in
ρ
где J0 и J1 - функции Бесселя нулевого и первого порядков соответственно, а0 - постоянный амплитудный множитель. Таким образом, если вдоль бинормали кристалла распространяется линейно поляризованный конический пучок с углом конусности, указанным в
формуле, и направление электрического вектора электромагнитной волны этого пучка па4
BY 16680 C1 2012.12.30
раллельно оси X кристалла, то пучок преобразуется в радиально поляризованный световой пучок. Если направление электрического вектора перпендикулярно оси X кристалла
(т.е. параллельно оси Y кристалла), то пучок преобразуется в азимутально поляризованный.
Предлагаемый способ поясняется фигурами, где на фиг. 1 показана схема экспериментальной установки для реализации предлагаемого изобретения, на фиг. 2 - радиально поляризованный выходной пучок, распределение интенсивности в сечении которого
описывается функцией Бесселя первого порядка, на фиг. 3 - экспериментально зарегистрированная зависимость распределения интенсивности в радиально поляризованном
световом пучке после прохождения анализатора от угла поворота анализатора относительно плоскости колебаний напряженности электрического поля исходного пучка, на
фиг. 4 - экспериментально зарегистрированная зависимость распределения интенсивности
в азимутально поляризованном световом пучке после прохождения анализатора от угла
поворота анализатора относительно плоскости колебаний напряженности электрического
поля исходного пучка.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Линейно поляризованный
конический пучок направляют на двуосный кристалл, ось X или Y которого ориентирована параллельно входной грани кристалла и плоскости колебаний напряженности электрического поля входящего светового пучка таким образом, что ось конуса волновых
векторов светового пучка перпендикулярна входной грани кристалла, при этом, если
плоскость колебаний напряженности электрического поля входного пучка параллельна
оси X кристалла, на выходе получают радиально поляризованный конический световой
пучок, если плоскость колебаний напряженности электрического поля входящего светового пучка параллельна оси Y кристалла, на выходе получают азимутально поляризованный
конический световой пучок. Устройство для реализации предлагаемого способа, включающее источник лазерного излучения и двуосный кристалл, бинормаль которого параллельна оси симметрии входного пучка и перпендикулярна входной грани кристалла,
содержит систему оптических элементов, обеспечивающую формирование входного линейно поляризованного конического светового пучка.
Возможность осуществления предлагаемого способа и решения поставленной задачи
подтверждена экспериментально. Для реализации предлагаемых способа и устройства использовалась экспериментальная установка, схема которой показана на фиг. 1. В качестве
лазера 1 использовался гелий-неоновый лазер ЛГН-207А. Его выходной пучок, имеющий
линейную поляризацию, расширяли 5-кратным телескопом 2 и направляли на стеклянную
коническую линзу (аксикон) 3 с углом при основании конуса примерно 1,12 градуса, который формировал из него конический световой пучок с углом конусности примерно
0,56 градуса. После этого конический световой пучок направляли на двуосный кристалл 4,
причем конус волновых векторов входящего в кристалл конусного светового пучка соответствовал конусу направлений для полного преобразования в пучок с чисто азимутальной поляризацией. Кристалл при этом был ориентирован своей входной гранью
перпендикулярно оси конуса волновых векторов входного конического пучка. Выходной
пучок пропускали через поляризатор-анализатор 5, ослабляли светофильтром 6, увеличивали микроскопом 7 и регистрировали CCD-камерой 8. На фиг. 2 показано экспериментально зарегистрированное распределение интенсивности в поперечном сечении
радиально поляризованного выходного пучка. Распределение интенсивности в азимутально поляризованном световом пучке выглядело аналогичным образом. На фиг. 3 и 4 показаны зарегистрированные зависимости распределения интенсивности в экспериментально
полученных соответственно радиально и азимутально поляризованных выходных пучках
от угла поворота анализатора (в градусах). Зависимость распределения интенсивности в
азимутально поляризованном световом пучке от угла поворота анализатора аналогична
таковой в радиально поляризованном пучке, но ориентация светлых и темных секторов
5
BY 16680 C1 2012.12.30
отличается на 90 градусов. Зарегистрированные распределения подтверждают наличие в
выходных пучках радиальной и азимутальной поляризации. Для создания оптической
схемы использовались оптические элементы с высокой лучевой прочностью, поэтому
предлагаемые способ и устройство пригодны для преобразования мощных лазерных световых пучков. Таким образом, полученные экспериментально данные подтверждают возможность формирования радиально и азимутально поляризованного светового пучка
посредством предлагаемого способа.
Источники информации:
1. Yuichi Kozawa and Shunichi Sato. Generation of a radially polarized laser beam by use of
a conical Brewster prism. - November 15. - 2005. - Vol. 30. - No. 22. - Р. 3063-3065.
2. Kazuhiro Yonezawa, Yuichi Kozawa, and Shunichi Sato. Generation of a radially polarized laser beam by use of the birefringence of a c-cut Nd:YVO4 crystal. - July 15. - 2006. - Vol.
31. - No. 14. - P. 2151-2153.
3. Hongwen Ren, Yi-Hsin Lin, and Shin-Tson Wu. Linear to axial or radial polarization
conversion using a liquid crystal gel. APPLIED PHYSICS LETTERS 89, 051114 2006.
4. Патент Республики Беларусь 9801.
Фиг. 2
6
BY 16680 C1 2012.12.30
Фиг. 3
Фиг. 4
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
7
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
1 602 Кб
Теги
by16680, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа