ПОЛЯРИЗАЦИОННАЯ АПОДИЗИРУЮЩАЯ ДИАФРАГМА Российский патент 2013 года по МПК G02B27/58 

Изобретение относится к устройствам для регулирования интенсивности, фазы или поляризации света и может быть использовано для формирования требуемого пространственного профиля лазерного излучения.

В ряде приложений нелинейной оптики, голографии и лазерной физики необходимо создание определенного пространственного распределения интенсивности лазерного излучения. Одним из методов решения данной задачи является внесение в оптический пучок устройств с радиально зависимыми характеристиками. Аподизирующие диафрагмы относятся к такому типу устройств.

Аподизирующие диафрагмы (АД), как правило, применяются для предупреждения пространственных неоднородностей распределения интенсивности, вызванных дифракцией Френеля на апертурах устройств, входящих в различные лазерные системы. Дифракция Френеля может приводить к градиентам интенсивности, ответственным за самофокусировку пучка как целого и мелкомасштабную самофокусировку, которые приводят к разрушению лазерной оптики. Применение АД в лазерных установках предъявляет к ним ряд требований, в частности наличия пространственного (поперечного) профиля пропускания, близкого к П-образному, но изменяющегося на краях таким образом, чтобы дифракционные выбросы интенсивности подавлялись. То есть, АД должна обеспечивать у прошедшего через нее излучения в поперечном сечении так называемый супергауссовый профиль (см., например, позиция 10 на фигурах 1, 2, 3 в предлагаемой заявке).

К настоящему времени предложен и реализован ряд методов создания АД. Впервые аподизация лазерного излучения была осуществлена с помощью использования фотопленок с переменной степенью почернения. Такие АД обладают существенными недостатками: низким порогом разрушения, высокими потерями, недолговечностью и плохим оптическим качеством, обусловленным неоднородностью толщины фотопластинки, наличием зерен фотоэмульсии, царапинами и т.д. (Лукишова С.Г., Красюк И.К., Пашинин П.П., Прохоров A.M. Труды ИОФ АН, 7, 92 (1987)).

Аподизация линейно поляризованного излучения может быть осуществлена благодаря эффекту Фарадея. Радиальная зависимость угла поворота плоскости поляризации линейно поляризованного излучения, проходящего через магнитооптический элемент, может быть вызвана радиальной неоднородностью магнитного поля, в которое этот элемент помещен. Поэтому, если расположить после магнитооптического элемента поляризатор, то на выходе получится некоторое распределение интенсивности, определяемое неоднородностью магнитного поля.

В патенте № US 3904273 “Apodized aperture using rotation of plane of polarization” МПК G02F 1/01, 1/09, публ. 09.09.1975 описывается известная конструкция устройства для формирования заданных профилей оптических пучков путем пропускания их через магнитооптический элемент, помещенный в неоднородное магнитное поле, создаваемое системой соленоидов. Существенным недостатком такой АД является импульсный режим ее работы, что затрудняет ее применение в лазерных установках, поскольку требует дополнительной синхронизации при работе с ней. Постоянная же работа данного устройства потребует организации отвода значительного количества выделяющегося тепла, т.к. требуется создание магнитных полей значительной напряженности (~2 Тесла). Также недостатком является и необходимость использования громоздких зарядных электрических батарей, благодаря которым возможно создание требуемых импульсов тока. Это влечет за собой дороговизну и громоздкость устройства.

Существуют методы аподизации, позволяющие работать диафрагме в режиме, не требующем синхронизации, основанные на поляризационных эффектах, а не на поглощении излучения, т.е. позволяющие создать долговечные и надежные аподизирующие диафрагмы, способные пропускать излучение высокой мощности. Суть таких методов заключается в том, чтобы создать радиальную зависимость поляризации излучения в пучке при его прохождении через некоторый оптический элемент, и выделить необходимый профиль интенсивности с помощью поляризационного селектора (системы поляризаторов и каких-либо других элементов).

Наиболее близким по технической сущности аналогом заявляемой конструкции является известная конструкция устройства для аподизации излучения с использованием одноосного кристалла переменной толщины и двух поляризаторов. В работе (Крыжановский В.И. Седов, Б.М.Серебряков В.А. Цветков А.Д. Яшин, В.Е., "Формирование пространственной структуры излучения в твердотельных лазерных системах аподизирующими и жесткими апертурами". Квантовая Электроника, Т.10, №2, 1983 г. с.354-359) описывается поляризационная аподизирующая диафрагма (ПАД), выполненная из пластинки кристаллического кварца, оптическая ось в которой ориентирована параллельно оптическим поверхностям, а одна из поверхностей имеет сферическую форму. Пластинка помещается между поляризатором и анализатором, оси которых совпадают. Ось кристалла повернута относительно оси поляризатора и анализатора на угол π/4. Толщина пластинки в центре кратна длине волны излучения, а на краю диафрагмы она меньше на половину длины волны. Таким образом, на выходе из кристалла, вследствие двулучепреломления, происходит изменение поляризации излучения. В центре диафрагмы поляризация остается линейной и ее плоскость совпадает с плоскостью поляризации на входе, т.е. излучение полностью пропускается. На краю диафрагмы поляризация излучения также линейна, но ее плоскость повернута относительно первоначального положения на угол π/2, т.е. излучение не пропускается.

Первым недостатком прототипа является профиль интенсивности, получаемый с ее помощью. Поскольку форма поверхности кристалла задана (любая форма, кроме сферической, технологически трудно реализуема), профиль пропускания не может варьироваться и далек от желаемого П-образного профиля.

Вторым недостатком является наличие сферической поверхности, из-за которой диафрагма действует на пучок еще и как линза, причем астигматичная из-за одноосности кристалла. Поэтому компенсировать ее практически невозможно.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка ПАД, основанной на эффекте Фарадея, способной работать в режиме, не требующем синхронизации, компактной и дешевой, лишенной недостатков прототипа.

Технический результат в разработанной ПАД достигается за счет того, что она, как и прототип, содержит оптический элемент, помещенный в поляризационный селектор, включающий в себя, по крайней мере, один поляризатор. При этом оптический элемент имеет зависимость поляризации прошедшего через него излучения от радиальной координаты.

Новым в разработанной ПАД является то, что в качестве оптического элемента используется магнитооптический элемент, помещенный в неоднородное магнитное поле, создаваемое системой постоянных магнитов. Упомянутая неоднородность магнитного поля создается в соответствии с распределением интенсивности электромагнитного излучения, какое требуется получить на выходе ПАД.

Необходимый неоднородный профиль магнитного поля в разработанной ПАД создается системой постоянных магнитов. Насколько известно авторам, таких устройств в мировой практике реализовано не было. В разработанном приборе (ПАД) предлагается использовать магнитную систему, изготовленную из аксиально и радиально намагниченных колец.

Такое построение ПАД в соответствии с п.1 формулы позволяет создавать профили интенсивности, более близкие к П-образным, поскольку существуют довольно широкие возможности создания магнитных полей с заданной неоднородностью. При этом не возникает указанных выше (у прототипа) проблем с паразитной фокусировкой излучения, т.к. в разработанной ПАД используется магнитооптический элемент цилиндрической формы.

Преимуществом такой системы по сравнению с ранее описанным аналогом (пат. US 3904273 “Apodized aperture using rotation of plane of polarization”) является возможность использования радиально намагниченных колец, эквивалента которым не существует в соленоидальных обмотках. Магнитное поле соленоида эквивалентно магнитному полю коаксиально намагниченного кольца, поэтому применение радиально намагниченных колец дает дополнительные степени свободы, позволяющие создавать профили интенсивности в более широком диапазоне.

В первом частном случае реализации разработанной ПАД целесообразно использовать вместо анализатора поворотное зеркало, обеспечивающее двойное прохождение электромагнитного излучения через магнитооптический элемент.

Во втором частном случае реализации разработанной ПАД целесообразно систему постоянных магнитов, формирующих заданное распределение магнитного поля, изготовить в виде набора коаксиально и радиально намагниченных колец и магнитопроводов - внешних экранов и полюсных наконечников.

В третьем частном случае реализации разработанной ПАД целесообразно поместить магнитооптический элемент и магнитную систему в криостат.

Сущность изобретения поясняется чертежами:

- на фиг.1 представлена в разрезе схема разработанного устройства для аподизации излучения в соответствии с пунктом 1 формулы.

- на фиг.2 представлена в разрезе схема разработанного устройства в соответствии с пунктом 2 формулы.

- на фиг.3 представлена схема разработанного устройства в соответствии с пунктом 3 формулы.

ПАД, изготовленная в соответствии с п.1 формулы и представленная на фиг.1, содержит последовательно расположенные на оптической оси поляризатор 1, магнитооптический элемент 2, помещенный в неоднородное магнитное поле, создаваемое системой постоянных магнитов 3, и анализатор 4. Неоднородность магнитного поля системы постоянных магнитов 3 путем комбинации аксиально и радиально намагниченных колец и магнитопроводов создана в соответствии с тем распределением интенсивности электромагнитного излучения, какое требуется получить на выходе ПАД.

В первом частном случае реализации разработанной ПАД, изготовленной в соответствии с пунктом 2 и представленной на фиг.2, после магнитооптического элемента 2 на оптической оси располагается поворотное зеркало 5, обеспечивающее работу ПАД по двухпроходной схеме.

Во втором частном случае реализации разработанной ПАД, изготовленной в соответствии с пунктом 3 и представленной на фиг.1, система постоянных магнитов 3, формирующих заданное распределение магнитного поля, представляет собой набор коаксиально и радиально намагниченных колец и магнитопроводов - внешних экранов и полюсных наконечников.

В третьем частном случае реализации разработанной ПАД, изготовленной в соответствии с пунктом 4 и представленной на фиг.3, магнитооптический элемент 2 и система постоянных магнитов 3 помещены в криостат 6, позволяющий охладить их до температуры жидкого азота. Криостат 6 снабжен окнами 7 для ввода и вывода лазерного излучения и резервуаром 8, предназначенным для хранения хладагента.

Разработанная ПАД, представленная на фиг.1, работает следующим образом. Интенсивность входного пучка 9 лазерного излучения, направляемого на разработанную поляризационную аподизирующую диафрагму, имеет П-образный профиль. Поскольку поляризатор 1 предназначен для выделения линейно поляризованной компоненты излучения пучка 9, то после поляризатора 1 линейно поляризованное излучение попадает на магнитооптический элемент 2.

Если лазерное излучение в пучке 9 было изначально линейно поляризованным, то поляризатор 1 устанавливают таким образом, чтобы плоскость пропускания поляризатора 1 совпадала с плоскостью поляризации линейно поляризованного излучения. Плоскость поляризации излучения, распространяющегося по оси магнитооптического элемента 2, поворачивается на некоторый угол θ₀. Благодаря имеющейся неоднородности магнитного поля системы постоянных магнитов 3 угол поворота плоскости поляризации излучения, распространяющегося параллельно оси на некотором расстоянии r от нее, отличается от угла θ₀ и составляет θ(r). Причем неоднородность магнитного поля создана таким образом, чтобы угол поворота был близок к θ₀ практически на всей апертуре магнитооптического элемента 2 и резко (но без скачков) изменялся возле его боковой поверхности до значения θ₁. Плоскость пропускания анализатора 4 повернута относительно плоскости пропускания поляризатора 1 на угол $$\left(\frac{\pi }{2}+{\theta }_1\right)$$ . Следовательно, на краю магнитооптического элемента 2 излучение не пропускается, а в центре пропускается некоторая его часть. Тем самым достигается аподизация выходного пучка 10 излучения, а пучок 11 с поляризацией, перпендикулярной ему, отражается от анализатора 4. Таким образом, построение ПАД в соответствии с п.1 формулы позволяет создать устройство, аподизирующее П-образный профиль излучения.

В примере конкретной реализации разработанная поляризационная аподизирующая диафрагма изготовлена по схеме, представленной на фиг.1. Магнитооптический элемент 2 выполнен в виде диска из магнитооптического стекла МОС-10. Система постоянных магнитов 3 представляет собой набор коаксиально и радиально намагниченных колец, выполненных из сплава Nd-Fe-B. При ее изготовлении использовались ранее применяемые материалы и технологии.

Особенностью работы предлагаемой ПАД по п.2 формулы является использование поворотного зеркала 5, расположенного на оптической оси после магнитооптического элемента 2. Тем самым достигается двукратное прохождение излучения через магнитооптический элемент 2.

Особенностью работы предлагаемой ПАД по п.3 формулы (фиг.1) является использование системы постоянных магнитов 3, изготовленной с использованием коаксиально и радиально намагниченных колец и магнитопроводов (внешних экранов и полюсных наконечников), геометрические размеры которых определяются из условия создания необходимого профиля интенсивности выходного пучка.

Особенностью работы предлагаемой ПАД по п.4 формулы (фиг.3) является охлаждение магнитооптического элемента 2 и системы постоянных магнитов 3 до температуры жидкого азота. Охлаждение магнитооптического элемента 2 приводит к увеличению постоянной Верде, а охлаждение магнитов дает увеличение напряженности магнитного поля в системе 3. Оба эти эффекта позволяют сократить длину используемого магнитооптического элемента 2, что упрощает создание требуемой неоднородности магнитного поля.

Изобретение относится к устройствам для регулирования интенсивности света и может быть использовано для формирования требуемого пространственного профиля лазерного излучения. Устройство содержит магнитооптический элемент, помещенный в поляризационный селектор. Неоднородность магнитного поля создается в соответствии с требуемым распределением интенсивности электромагнитного излучения за счет использования набора коаксиально и радиально намагниченных колец и магнитопроводов. Технический результат - обеспечение режима работы, не требующего синхронизации, а также обеспечение профиля пропускания, близкого к супергауссовому. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Поляризационная аподизирующая диафрагма, позволяющая создавать требуемое распределение интенсивности электромагнитного излучения в оптическом диапазоне, содержащая оптический элемент, помещенный в поляризационный селектор, включающий в себя, по крайней мере, один поляризатор, отличающаяся тем, что в качестве оптического элемента используется магнитооптический элемент, помещенный в неоднородное магнитное поле, создаваемое системой постоянных магнитов, при этом упомянутая неоднородность магнитного поля создается в соответствии с требуемым распределением интенсивности электромагнитного излучения.

2. Поляризационная аподизирующая диафрагма по п.1, отличающаяся тем, что поляризационный селектор представляет собой поляризатор, расположенный на оптической оси перед магнитооптическим элементом, и поворотное зеркало, расположенное за ним, обеспечивающее двойное прохождение электромагнитного излучения через магнитооптический элемент.

3. Поляризационная аподизирующая диафрагма по п.1 или 2, отличающаяся тем, что система постоянных магнитов, формирующих заданное распределение магнитного поля, представляет собой набор коаксиально и радиально намагниченных колец и магнитопроводов - внешних экранов и полюсных наконечников.

4. Поляризационная аподизирующая диафрагма по п.1 или 2, отличающаяся тем, что магнитооптический элемент и магнитная система помещены в криостат.