Транспарант для формування профільних сингулярних лазерних пучків вищих порядків

Технічне рішення, що належить до області мікро- і нанотехнологій, призначено для формування структурно стійких оптичних вихорів вищих порядків з високим орбітальним кутовим моментом, і може бути використане в лазерних технологіях, медицині й мікробіології. Відомий пристрій для створення сингулярних лазерних пучків [Баженов В.Ю., Васнецов М.В., Соскин М.С. Лазерні пучки із гвинтовими дислокаціями хвильового фронту // Листа в ЖЭТФ. - 1990. - Т.52. - В.8. - С.10371039], виконаний у вигляді фотоплівки з контрастним фазовим рельєфом ґрат з вбудованими інтерференційними "вилками", що містить джерело лазерного випромінювання, діафрагму й прилад, що реєструє. Транспарант виготовляєтся таким чином. Створюється інтерферограма хвильової функції пучка, що переносить оптичний вихор з необхідним топологічним зарядом. Така інтерферограма роздруковується на комп'ютерному принтері, а потім перефотографовується в розмірі 2х2мм на фотоплівку з надвисоким дозволом. Потім проводиться хімічна обробка плівки. При відтворенні хвильового поля за допомогою комп'ютерно-синтезованої голограми, гаусов пучок направляється на голограму й у результаті дифракції виникає цілий спектр додаткових пучків, так що енергія первісного пучка розподіляється між ними. Вихори з необхідним топологічним зарядом пучка виділяються за допомогою діафрагми. Одним з головних недоліків цього пристрою є дуже низька дифракційна ефективність, не вище 10%. Крім того, різні дефекти голограм, що виникають при технічній обробці транспарантів, приводять до ще більшого зниження енергетичної ефективності. Перекручування форми інтерференційних смуг на голограмі, що з'являється в результаті технологічної обробки голограми приводить до істотного перекручування форми серцевини вихря й зниженню дифракційної інтенсивності. У цьому випадку оптична техніка припускає використати винятково низьку потужність випромінювання, через руйнування фазового транспаранта. Так, щоб створити оптичний вихор потужністю в 10мВ необхідно направити на голографічний транспарант лазерний пучок потужністю 100мВ. Більше сильна потужність буде руйнувати голограму. Відомий пристрій для формування сингулярних лазерних пучків, обране як прототип, засноване на використанні спіральної фазової пластинки [Oemrawsingh S., Houwelingen J., Eliel E., Woerdman J., Verstegen E., Kloosterboer J., Hooft G. Production and characterization of spiral phase plate for optical wavelengths // Appl.Opt. 2004. - V.43, №3. - P.688-694], що виконується у вигляді просторово фазового модулятора методом фотолітографії (тобто метод одержання малюнка (фотошаблона) на товстій плівці матеріалу). Для виготовлення фазової пластинки спочатку теоретично розраховується на комп'ютері фазовий хвильовий фронт оптичного вихру з необхідною градацією відтінків і роздруковується в збільшеному розмірі з лінійними розмірами 10х10см. Потім малюнок перефотографується в розмірі 2х2мм на фотоплівку з надвисоким дозволом. Мінімальний розмір деталів малюнка повинен бути не більше половини довжини хвилі. Плівка виконується прозорою для видимого світла, з малюнком, виконаним непрозорим барвником. Процес фотолітографії відбувається таким чином. На товсту підкладку (часто використають LiNbO3) кладуть товсту плівку з високим дозволом, на якому необхідно відобразити малюнок. На цей шар наноситься фоторезист - спеціальний матеріал, що змінює свої фізико-хімічні властивості при опроміненні ультрафіолетовим світлом (звичайно використають AZ-R60 Shipleg). Виробляється опромінення фоточутливого матеріалу ультрафіолетовим світлом через малюнок. У результаті на товстій плівці проявляється заготовлений малюнок у вигляді фазового хвильового фронту із градацією відтінків. Так на виявленому малюнку світлі ділянки стають темними, а темні - світлими. Заключна стадія - опромінені ділянки фоторезисту змінюють свою розчинність і їх можна видалити хімічним способом (процес травлення). Далі для відтворення сингулярного пучка на виготовлену спіральну фазову пластинку направляють фундаментальний гаусов пучок і в далекому полі дифракції формується оптичний вихор. Величина топологічного заряду вихря визначається висотою профілю транспаранта. Отримана спіральна фазова пластина відрізняється високою розв'язною здатністю, однак неточності у висоті профілю транспаранта й слабкі відхилення від прямого гелікоїда, які виникають при виготовленні такого оптичного транспаранта, приводять до істотних перекручувань структури сингулярного пучка в далекому полі при його відтворенні, а високі вимоги до якості виготовлення спіральних фазових пластинок приводять до збільшення собівартості пристрою. В основу корисної моделі поставлене завдання вдосконалити транспарант для формування профільних сингулярних лазерних пучків вищих порядків шляхом виготовлення транспаранта, що складає із системи N оптичних клинів, що забезпечує синтез сингулярних пучків у широкій області спектра з використанням випромінювання до 5Вт. Поставлене завдання вирішується тим, що транспарант для формування профільних сингулярних лазерних пучків вищих порядків, що включає оптичну прозору пластину, відповідно до корисної моделі, пластина виконана з N клинів з лінійною зміною товщини 2-2,5мм і однаковими кутами сходження граней, розташованих під кутом b=n/N одна відносно одної, і жорстко скріпленим між собою, що забезпечує можливість створення сингулярних пучків з дуже високим орбітальним кутовим моментом, пристрій забезпечує можливість використання випромінювання до 5 Вт і зниження його собівартості. Пристрій містить [Фіг.1] N клинів 1. Транспарант виготовлений з оптично прозорого матеріалу, клини виконані зі скла з лінійною зміною товщини 2-2,5мм і однаковими кутами сходження граней. Клини з однаковими кутами сходження граней розташовані під кутом b=n/N друг щодо друга й жорстко скріплені між собою оптично прозорою речовиною (наприклад, клеєм або канадським бальзамом). Для формування оптичного вихру на готовий транспарант направляли фундаментальний лазерний пучок з радіусом перетяжки від 1,5 до 2мм, причому для синтезу даних сингулярних пучків можна використати широку область спектра, у тому числі й ІЧ. Розподіл поля, що виникає при дифракції гаусова пучка на системі клинів, реєструвалося за допомогою CCD камери. Величина топологічного заряду оптичного вихру, що формується після транспаранта, дорівнює числу клинів. На Фіг.1 зображена система двох клинів, де один клин щодо іншого повернуть на кут в p/2. На Фіг.2 (а, г) представлений експериментальне отриманий розподіл інтенсивності після такого транспаранта. Дві галузі інтерференційної спіралі на Фіг.2Г указують на наявність подвійного топологічного заряду, а напрямок закручення характеризує його знак. У випадку стопи із трьох клинів, грані якого утворять кути взаємної орієнтації b 1=b 2=b3=p/3 формується оптичний вихор з потрійним топологічним зарядом (Фіг.2б,д). У теж час система, що містить чотири клини з кутами b 1=b 2=b 3=p/4 (Фіг.2в, е) формує сингулярний пучок на осі з топологічним зарядом чотири. Запропонований транспарант для формування сингулярних пучків з високими топологічними зарядами істотно відрізняється від аналогів і має наступні переваги: практично вся потужність падаючого випромінювання переводиться в сингулярний пучок вищого порядку (втрати не більше 5% на відбиття й на розсіювання); сингулярні пучки є структурно стійкими щодо поширення й фокусування; дозволяє використання випромінювання до 5Вт; забезпечує синтез сингулярних пучків у широкій області спектра, у тому числі й ІЧ; дає можливість створити сингулярні пучки с дуже високим орбітальним кутовим моментом; пристрій має низьку собівартість у порівнянні з іншими аналогами.