Спосіб формування оптичних пучків бесселя за допомогою градієнтного аксікона з керованою фокусною відстанню

Реферат: Винахід стосується оптики і може знайти застосування при розробці оптичних приладів з використанням пучків Бесселя для оптичного захоплення мікрочасток, свердління високоточних отворів та оптичної когерентної томографії. Спосіб формування оптичних пучків Бесселя за допомогою градієнтного аксікона з керованою фокусною відстанню полягає у фокусуванні колімованого лазерного пучка плоским аксіконом з радіальним градієнтним розподілом показника заломлення. Як градієнтний аксікон використовують кристали точкових груп симетрії m3m, 432, 43m, 23, m3, 32, 3m, 3m, 3 та 3, вирізані в напрямку їхніх осей симетрії третього UA 114788 C2 (12) UA 114788 C2 порядку. За допомогою моменту кручення (торсійного напруження), прикладеного навколо осі симетрії третього порядку, в кристалі створюється радіальний градієнтний розподіл показника заломлення. Даний спосіб дозволяє формувати оптичний пучок Бесселя та здійснювати керування фокусною відстанню градієнтного аксікона в широких межах. UA 114788 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до оптики і може знайти застосування при розробці оптичних приладів з використанням пучків Бесселя для оптичного захоплення мікрочасток, свердління високоточних отворів та оптичної когерентної томографії. Крім того, пучки Бесселя високого порядку, які несуть в собі орбітальний момент, можуть застосовуватись для передачі, кодування та декодування інформації в системах оптичного зв'язку. Спосіб формування оптичного пучка Бесселя був запропонований Дж. Маклеодом в 1954 р. [див.: McLeod J.H. The axicon: A New type of optical element // J.Opt.Soc.Am. 1954. V. 44. P. 592592], згідно якого відбувається перетворення гаусівського світлового пучка в недифрагуючий пучок Бесселя за допомогою аксіконічної лінзи (аксікона), в якій одна з поверхонь має конічну форму. При цьому формування світлового пучка аксіконом відбувається в результаті лінійності за поперечною координатою фазової затримки для падаючого пучка. Однак, виготовлення таких лінз із великою фокусною відстанню є дуже складною технічною задачею, оскільки кут при вершині повинен становити близько 180°, а сама вершина має бути виконана з високою точністю для уникнення спотворень фазового фронту. Відомий також спосіб генерації світлових пучків Бесселя за допомогою акустичного градієнтного аксікона [див.: Tsai Т., McLeod E., Craig Β.Α. Generating Bessel beams with a tunable acoustic gradient index of refraction lens // SPIE Proceedings. - 2006. V. 6326. 8 p.]. В основу даного способу покладено використання акустичних коливань, які генеруються круговим п'єзоелектричним перетворювачем у прозорій рідині. При поширенні акустичних хвиль в рідині відбувається осциляція густини та показника заломлення. Як робочу рідину можна використовувати силіконове масло або гліцерин. При падінні гаусівського лазерного пучка на таку збурену рідину формуються пучки Бесселя, які схожі на ті, що утворюються за допомогою аксіконічної лінзи. При цьому зміна частоти і амплітуди акустичної хвилі є еквівалентними зміні кута при основі аксіконічної лінзи, що створює передумови для керування її фокусною відстанню. Разом з тим, таке керування фокусною відстанню обмежується частотним діапазоном п'єзоелектричного перетворювача, який визначається його товщиною і не може бути достатньо широким. Найближчим аналогом є спосіб формування світлових пучків Бесселя за допомогою градієнтного аксікона [Fischer D.J., Harkrider СJ., Moore D.T. Design and manufacture of a gradientindex axicon // Appl.Opt. -2000. - V. 39. - P. 2687-2694], який полягає у фокусуванні колімованого лазерного пучка плоским градієнтним аксіконом, що виготовляється з оптичного скла у формі циліндричного стержня. В поперечному перерізі такого стержня методом іонного обміну або методом хімічного осадження з парової фази створюється радіальний градієнтний розподіл показника заломлення. Однак, даний спосіб має обмежене використання, так як градієнтний аксікон є пасивним оптичним елементом, який не дозволяє здійснювати керування його фокусною відстанню. В основу винаходу поставлена задача вдосконалити спосіб формування оптичних пучків Бесселя за допомогою градієнтного аксікона шляхом використання п'єзооптичних властивостей твердотільних кристалів, що дозволило б розширити межі використання способу та керувати фокусною відстанню аксікона в широких межах. Поставлена задача вирішується тим, що у способі формування оптичних пучків Бесселя за допомогою градієнтного аксікона, що полягає у фокусуванні колімованого лазерного пучка плоским аксіконом з радіальним градієнтним розподілом показника заломлення, згідно з винаходом, як градієнтний аксікон використовують кристали точкових груп симетрії m3m, 432, 43m, 23, m3, 32, 3m, 3m, 3 та 3, вирізані в напрямку осі симетрії третього порядку, в яких за допомогою моменту кручення (торсійного напруження), прикладеного навколо їхніх осей симетрії третього порядку, створюється радіальний градієнтний розподіл показника заломлення та азимутальний розподіл орієнтації оптичної індикатриси. Наявність таких розподілів призводить до того, що при проходженні колімованого лазерного пучка через послідовно встановлені азимутальний поляризатор і градієнтний аксікон відбувається фокусування падаючого пучка та у фокальній області формується оптичний пучок Бесселя. При цьому довжиною фокальної області градієнтного аксікона керують в широких межах за допомогою зміни величини моменту кручення. Вказані переваги дозволяють значно розширити межі використання запропонованого способу, що максимально відповідає умовам поставленої задачі. Спосіб реалізується наступним чином. Беруть кристал однієї із наступних точкових груп симетрії: m3m, 432, 43m, 23, m3, 32, 3m, 3m, 3 та 3, наприклад кристал ніобату літію (точкова група симетрії 3m), вирізаний у вигляді циліндра так, що твірна циліндра d - паралельна осі Ζ (вісь симетрії третього порядку кристала), а основа з радіусом R - паралельна площині ΧΥ. При 1 UA 114788 C2 прикладенні до однієї з основ кристалічного циліндра моменту кручення Мz (скручування навколо осі Ζ), в той час як протилежна основа є зафіксованою, в кристалі виникають дві зсувні компоненти тензора механічних напружень σ32 і σ31, які лінійно залежать від координат X та Υ: 5 32  2 z R 4  i 31  2 z R 4 Y. (1) Внаслідок п'єзооптичного ефекту під дією цих напружень в XY поперечному перетині кристала індукуються конусоподібні розподіли головних показників заломлення n1 і n2 (Фіг. 1), які лінійно залежать від величини Мz і радіальної відстані ρ від центра ΧΥ поперечного перетину: 10 n1  n0  20 Y 2   2  n0  n3 14 0 n 2  n0  15 n3 z 2 2 3 0  14 31  32  n0  n0 14 2 R 4 n3 z 2 2 3 0  14 31  32  n0  n0 14 2 R 4 Y 2   2  n0  n3 14 0 z R 4 z R 4  , (2)  , (3), де n0=2,28647 - початкове значення звичайного показника заломлення, π14 = (8,87±0.28)  -13 2 10 м /Н - п'єзо оптичний коефіцієнт кристала LiNbO3 (для λ = 632,8нм). Крім цього, в кристалі індукується азимутальний розподіл кута повороту оптичної індикатриси ζz навколо осі Ζ, який залежить від знаку Μz (Фіг. 2) та описується співвідношенням: z   1 1 Y arctan 31  arctan   / 2 , (4) 2 32 2  де φ - кут в площині ΧΥ. Як видно з наведеного, розподіл показника заломлення n1 (2) є подібним до радіального розподілу показника заломлення в плоскому градієнтному аксіконі: 25 n   n0  30 35 40 45 50 1  , (5) d f де Δf - довжина фокальної області градієнтного аксікона, ρ1 - максимальний радіус світлового пучка. Таким чином, кристали під дією деформації кручення можуть виступати в якості плоских градієнтних аксіконів. При цьому, поляризації падаючого світлового пучка повинна бути лінійною і розподіленою навколо осі пучка, так щоб цей розподіл відповідав розподілу кута повороту оптичної індикатриси ζz, що описується співвідношенням (1). Крім того, напрямки коливань електричного поля падаючої світлової хвилі повинні збігатися з власними векторами тензора оптичної непроникності (Фіг. 3). З цією метою на шляху світлового променя ставиться спеціальний поляризатор з відповідним азимутальним розподілом напрямків поляризації. Градієнтний аксікон розміщується на шляху лазерного колімованого пучка після азимутального поляризатора. Тоді, внаслідок лінійності за поперечною координатою фазової затримки падаючого пучка, на виході з аксікона у фокальній області відбувається формування світлового пучка Бесселя нульового порядку. Зміна хвильового фронту колімованого світлового пучка при його поширенні через скручений кристалічний циліндр схематично представлена на Фіг. 4. Виходячи із співвідношень (2) і (5), легко встановити, що довжина фокальної області (фокусна відстань) градієнтного аксікона визначається наступним співвідношенням: f  R 4 1 dn 3 14  z 0 . (6) Очевидно, що фокусною відстанню такого аксікона можна керувати в широких межах змінюючи величину прикладеного до кристала механічного моменту. Крім того, фокусна відстань градієнтного аксікона визначається радіусом вхідного пучка, а також геометричними параметрами і оптичними властивостями кристала. Так, для випадку градієнтного аксікона з 2 UA 114788 C2 5 кристала ніобіту літію та при наступних параметрах: R=3 мм, ρ1=2 мм, d=13 мм і Мz=0,1 Η  м, фокусна відстань становить 36,9 м. Заявляється спосіб, що дозволяє формувати оптичні пучки Бесселя за допомогою градієнтного аксікона та здійснювати керування його фокусною відстанню в широких межах, що підвищує функціональні можливості способу та розширює межі його використання при розробці оптичних приладів з використанням пучків Бесселя для оптичного захоплення мікрочасток, свердління високоточних отворів та оптичної когерентної томографії. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 Спосіб формування оптичних пучків Бесселя за допомогою градієнтного аксікона з керованого фокусною відстанню, що включає фокусування колімованого лазерного пучка плоским аксіконом з радіальним градієнтним розподілом показника заломлення, який відрізняється тим, що як градієнтний аксікон використовують кристали точкових груп симетрії m3m, 432, 43m, 23, m3, 32, 3m, 3m, 3 та 3, вирізані в напрямку осі симетрії третього порядку, в яких за допомогою моменту кручення (торсійного напруження), прикладеного навколо їхніх осей симетрії третього порядку, створюється радіальний градієнтний розподіл показника заломлення, а фокусною відстанню градієнтного аксікона керують величиною моменту кручення. 3 UA 114788 C2 4 UA 114788 C2 Комп’ютерна верстка М. Мацело Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5