Устройство для формирования бесселевых пучков электромагнитного излучения в однородной прозрачной среде

Устройство для формирования бесселевых пучков электромагнитного излучения в однородной прозрачной среде

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Использование: в качестве фазового пространственного фильтра для формирования поперечных мод электромагнитных волн свободного пространства с радиальной симметрией. Сущность изобретения электромагнитное излучение от источника когерентного монохроматического излучения расширяется и коллимируется корректором волнового фронта, далее последовательно направляется на фазовый фильтр с азимутально-линейной функцией комплексного пропускания и на фазовый фильтр с радиально-линейной функцией комплексного пропускания. Расстояние между фильтрами удовлетворяет R2 условию 1« -у, где R - радиус поперечного сечения пучка излучения, падающего на фильтры; Я-длина волны излучения. 1 ил. -w Ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з G 02 В 27/46

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСК054У СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4863547/10 (22) 27.07,90 (46) 07.08.92. Бюл. № 29 (71) Центральное конструкторское бюро уникального приборостроения Научно-технического объединения АН СССР и Инсти- тут высоких температур AH СССР (72) Л.Я.Марголин, В,В,Котляр, Л.Я.Половский, Л. Н Л1ятницкий, И, Н. Сиса кя н и В.А.Сойфер (56) 1. Phys. Rev. Lett., 1987, v 58, N 15, р. 1499.

2, JOSA, 1954, ч. 44, ¹ 8, р, 589. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ

БЕССЕЛЕВЫХ ПУЧКОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ОДНОРОДНОЙ ПРОЗРАЧНОЙ СРЕДЕ

Изобретение относится к электромаг- нитным, в том числе оптическим, устройствам, основной частью которых является фазовый пространственный фильтр, и может быть использовано для формирования поперечных мод электромагнитных волн свободного пространства с радиальной симметрией, распространяющихся без изменения своей пространственной структуры, Такие пучки электромагнитного излучения могут быть использованы, например, для создания в прозрачных средах протяженных плазменных образований с неизменной вдоль длины поперечной структурой с помощью пробоя в сильных полях, в том числе оптического пробоя по действием мощного лазерного излучения.

Я2 1753446 А1 (57) Использование: в качестве фазового пространственного фильтра для формирования поперечных мод электромагнитных волн свободного пространства с радиальной симметрией. Сущность изобретения.;. электромагнитное излучение от источника когерентного монохроматического излучения расширяется и коллимируется корректором волнового фронта, далее последовательно направляется на фазовый фильтр с азимутально-линейной функцией комплексного пропускания и на фазовый фильтр с радиально-линейной функцией комплексного пропускания. Расстояние между фильтрами удовлетворяет, г условию («., где R — радиус поперечно 4 Л

ro сечения пучка излучения, падающего на фильтры; (.— длина волны излучения. 1 ил.

Известно устройство для формироваюЪ ния пучков света, распространяющихся без измененйя.-поперечной структуры в свобод- (Л ном пространстве, содержащее последова- (p3 тельно и соосно расположенные источник ф когерентного излучения, коллиматор, узкун ф кольцевую щель в непрозрачном экране, О сферическую собирающую линзу, расстоя-. ние меккду щелью и линаой равно фокусному расстоянию линзы (1).

Такое устройство формирует в свободном пространстве за линзой когерентное монохроматическое световое поле с поперечным распределением интенсивности 1(г),. равным квадрату функции Бесселя первого рода нулевого порядка, l(r) = с(о (а r), (1) где с — постоянная;

1753446

1g О (2) l(r) - с1о P r) (3) 40

l(r) = с I (,Вг), (5) P = — — ((и — 1) у), 2л

Zo = R/tg(arcsIn Qg), Я

Z0

tg ((n — 1))) (4) а =- (— я п О, =2m

О= агсщ(— ); о

2f

А — длина волны излучения; 5

d — диаметр кольцевой щели (диафрагмы);

f — фокусное расстояние линзы;

to(x) — функция Бесселя первого рода нулевого порядка; 10

r - радиальная координата в плоскости линзы.

Расстояние Zo, на котором обесселевый пучок сохраняет свою структуру, равно где R — радиус сферической линзы или радиус диафрагмы, ограничивающей линзу. 20

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для формирования бесселевых пучков нулевого порядка, содержащее последовательно и соосно расположенные источник когерентного 25 излучения, корректор-коллиматор волнового фронта и фазовый фильтр-аксикон с радиально-линейной функцией комплексного пропускания Т.= exp(IP r), где

P —; r — 30 радиальная координата в плоскостй, нормальной к оптической оси устройства (2).

Устройство формирует в свободном пространстве за аксиконом когерентное монохроматическое световое поле с попереч- 35 ным распределением интенсивности l(r), . равным квадрату функции Бесселя первого рода нулевого порядка:

Коэффициент пропорциональности Р можно выразить, наприМер, через угол 1 при основании прозрачного конуса, выполненного из материала с показателем пре- 45 ломления и, по формуле где А — длина волны света, При этом расстояние Zo, на котором после аксикона бесселевый пучок сохраняет свою структуру, равно где R — радиус радиально-линейного фазового фильтра (аксикона), если радиус падающего на аксикон пучка излучения больше, Недостатком известного устройства является его функциональная ограниченность. С помощью такого устройства невозможно сформировать бесселевый пучок высшего порядка..

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей устройства путем формирования бесселевых пучков высших порядков, Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее последовательно и соосно расположенные источник когерентного излучения, корректор-коллиматор волнового фронта и фазовый фильтр-аксикон с радиально-линейной функцией комплексного пропускания Т1 = exp(i /Зг), введен установленный между корректором волнового фронта и фазовым фильтром с пропусканием г< соосно с ним фазовый фильтр с азимутально-линейной функцией комплексного пропускания Tz = exp(lm р), где m— заданный порядок формируемого бесселева пучка, у — азимутальный угол в плоскости, нормальной к оптической оси устройства, причем расстояние I между фазовыми фильтрами удовлетворяет условию

4Х где R — световой радиус устройства;

Л длина волны, Введение фазового фильтра с аэимутальным линейным пропусканием вида

Т = exp(trn р) позволяет сформировать в пространстве эа фильтрами пучок электромагнитного излучения с поперечным распределением интенсивности 1(г), равным где с — постоянная;

I (x) — функция Бесселя первого рода

m-ro порядка, m = О, 1, 2...

Сформйрованный бесселевый пучок распространяется без изменения вида рас-. пределения интенсивности на расстоянии

Zo, равном где R — поперечный радиус пучка излучения после корректора волнового фронта, если он меньше радиусов фазовых фильтров.

1753446

На чертеже показана оптическая схема устройства.

Устройство содержит последовательно ,и соосно расположенные источник 1 когерентного излучения (лазер), корректор-коллиматор 2 волнового фронта, фазовый фильтр 3 с азимутально-линейной функцией комплексного пропускания Tz = exp(imp ), фазовый фильтр 4 с радиально-линейной

:функцией комплексного пропускания Т1 ==ехр(lj3r), при этом расстояние между фазовыми фильтрами удовлетворяет условию

I e —, где R — световой радиус устройства, 4А, А — длина волны, Устройство работает следующим образом, Электромагнитное излучение от источника 1 когерентного монохромэтического излучения расширяегея и коллимируется корректором 2 волйового фронта;

Плоский волновой фронт после корректора 2 попадает на фазовый фильтр 3 с азимутально-линейной функцией комплексного пропускания и, проходя череЗ него, приобретает линейный фазовый набег по азимутальному углу. Далее излучение попадает на фазовый фильтр 4 с радиальнолинейной функцией комплексного пропускания и, проходя через него, приобретает линейный набег фазы по радиусу. Поэтому сразу за фильтром 4 формируется излучение, обладающее поперечным распределением интенсивности l(r) вида

l(r) = clm (Pr), : где с — постоянная;

I (x) — функция Бесселя m-го порядка

Пучок излучения, распространяясь в свободном пространстве между фильтрами

3 и 4, в результате дифракции приобретает в центральной своей части область с пониженной энергией. Диаметр этой области пониженной энергии в пучке излучения увеличивается по мере распространения. После прохождения пучка че рез фильтр 4 часть пучка с низкой энергией не формирует бесселевый пучок. Поэтому, чтобы свести к минимуму искажения бесселевого пучка, нужно потребовать, чтобы расстояние между фильтрами 3 и 4 удовлетворяло условию г.

4Л где! — расстояние между фильтрами;

R — радиус поперечного сечения пучка излучения, падающего на фильтры, если он

1О меньше радиусов самих фильтров;

А- длина волны излучения, Расстояние между фильтрами Т1 и Tz может быть нулевым,. т,е, устройство для формирования бесселевого пучка m-го порядка может состоять всего из одного фазового фильтра с функцией комплексного пропускания Тз вида Тз = Т1 Tz.= exp(l р г+

+ imp).

Формула изобретения

Устройство для формирования бесселе.вых пучков электромагнитного излучения в однородной прозрачной среде, содержащее последовательно и соосно расположенные источник когерентного излучения, корректор-коллиматор волнового фронта и фазовый фильтр-аксикон с радиально-линейной функцией комплексного проускания T> = ехр(фг), где P — коэффициент пропорциональности; г — радиальная координата в плоскости, нормальной к оптической оси устройства, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных воэможностей устройства путем формирования бесселевых пучков высшего порядка, в него введен установленный между корректором волнового фронта и фазовым фильтром с пропусканием Т1 соосно с ними фазовый фильтр с азимутально-линейной функцией комплексного пропускания

Tz = exp(im р), где m — заданный порядок формируемого бесселева пучка; р- азимутальный угол в плоскости; нормальной к оптической оси устройства, причем расстояние I между фазовыми фильтрами удовлетворяет условию

1« —, 4Л

5р Где R сВетоВой радиус устройства, А длина Волны.

1753446

Составитель Л.Марголин

Техред М.Моргентал Корректор М.Максимишинец

Редактор И,Шмакова

Производственно-издательский комби ат "Патент", г. Ужгород. ул.Гагарина, 101

Заказ 2767 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по иэобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35; Раушская наб., 4/5