Моноблочный преобразователь светового пучка с круговой поляризацией в пучок с азимутальной поляризацией Российский патент 2024 года по МПК G02B27/28 

Изобретение относится к области поляризационной оптики, а именно к преобразованию поляризационного состояния светового излучения, и может быть использовано для преобразования излучения с круговой поляризацией в излучение азимутальной поляризацией.

Известны преобразователи поляризации лазерного излучения (см. патенты РФ №2175450, МПК G02B 5/30, опубл. 2000.01.12, №2087020 МПК G02B 27/28, G02B 27/44 опубл. 1997.08.10) на основе субволновых дифракционных решеток для преобразования круговой поляризации в радиальную или азимутальную, а также линейной поляризации в круговую.

Такие устройства не могут быть использованы для преобразования излучения от нелазерных источников света в силу высоких требований к монохроматичности излучения. Кроме того, недостатком таких устройств является технологическая сложность изготовления дифракционных решеток большой площади. Такие решетки изготавливают, как правило, на электронных литографах имеющих малую рабочую область.

Другой подход к преобразования круговой поляризации в радиальную или азимутальную основан на поляризующих свойствах процесса преломления либо отражения света. Известно например устройство (см. Р.В. Скиданов, А.В. Морозов // Дифракционные аксиконы для формирования радиально-поляризованного света на основе использования стопы Столетова / Компьютерная оптика. - 2014. - Т. 38, №4. - С. 614-618), состоящее из высоко-апертурного дифракционного аксикона, дающего конический пучок света с углом расходимости равным углу Брюстера для стопы стеклянных пластинок (стопы Столетова), расположенных за ним и оптически с ним связанных. Такое устройство в силу наличия дифракционного элемента также предъявляет высокие требования по монохроматичности используемого излучения. Кроме того, в силу больших значений угла Брюстера коллимация выходного излучения отдельно стоящим элементом очень затруднена, а выходное распределение интенсивности получается в форме кольца.

Некоторые из перечисленных недостатков устраняются в устройстве на основе интерференционного поляризатора (см. Sergey V Karpeev, Vyacheslav D Paranin and Svetlana N Khonina Generation of a controlled double-ring-shaped radially polarized spiral laser beam using a combination of a binary axicon with an interference polarizer 2017 J. Opt 19 055701). В этом устройстве реализована коллимация излучения с помощью рефракционного аксикона, поскольку углы падения на поляризатор здесь существенно меньше угла Брюстера, а степень поляризации излучения при этом значительно больше. Однако по-прежнему требуется высокая степень монохроматичности излучения и выходное распределение интенсивности получается в форме колец. Кроме того, само устройство состоит из нескольких юстируемых между собой с высокой степенью точности элементов, что затрудняет эксплуатацию.

Наиболее близок по сущности к заявляемому устройству моноблочный преобразователь поляризации для преобразования пучка с круговой поляризацией в пучок с азимутальной поляризацией (см. Degtyarev, S.A. Karpeev, S.V., Ivliev, N.A., Podlipnov, V.V., Khonina, S.N. Refractive Bi-Conic Axicon (Volcone) for Polarization Conversion of Monochromatic Radiation Photonics, 2022, 9(6), 421), представляющий собой радиально симметричный элемент, изготовленный из прозрачного материала с показателем преломления n, образованный двумя коническими поверхностями, внутренняя из которых имеет угол конусности (3, связанный с углом Брюстера (arctan(n)) соотношением β=π/2-arctan(n), а внешняя имеет угол конусности со, обеспечивающий отражение лучей, прошедших через первую поверхность в том же направлении, что и лучей света, падающих на первую поверхность.

Такой элемент один обеспечивает преобразование пучка падающего света с круговой поляризацией в коллимированный пучок света кольцевой формы с азимутальной поляризацией. В основу изобретения поставлена задача получения пучка света с азимутальной поляризацией круглой формы с заданным диаметром.

Данная задача решается за счет того, что моноблочный преобразователь пучка с круговой поляризацией в пучок с азимутальной поляризацией, представляющий собой радиально симметричный элемент, изготовленный из прозрачного материала с показателем преломления n, образованный двумя коническими поверхностями, внутренняя из которых имеет угол конусности β, связанный с углом Брюстера (arctan(n)) соотношением β=π/2-arctan(n), а внешняя имеет угол конусности ω и обеспечивает отражение лучей в направлении на третью поверхность с углом конусности ψ, на которой происходит равномерное распределение энергии поляризованного пучка по круговому сечению, а также коллимация выходящего пучка, причем ω и ψ связаны между собой формулой:

а радиус входящего пучка r и выходящего пучка R связаны формулой:

На фиг. 1 представлен общий вид преобразователя поляризации лазерного излучения, а на фиг. 2 конструкция элемента в разрезе.

Моноблочный преобразователь поляризации 1 изготовлен из преломляющего материала и имеет угол конусности первой конической поверхности β, связанный с углом Брюстера (arctan(n)) соотношением β=π/2-arctan(n), обеспечивающий преобразование пучка с круговой поляризацией, попадающего в раскрыв конуса, в отраженный пучок с азимутальной поляризацией. Вторая коническая поверхность с углом конусности ω образует наружную поверхность элемента и служит для равномерного распределения энергии поляризованного излучения по круговому сечению выходного пучка. Вторая коническая поверхность отражает падающее на нее поляризованное излучения на третью поверхность с углом конусности ψ. После преломления на третьей поверхности лучи поляризованного излучения распространяются в том же направлении, что и лучи света, падающие на первую поверхность, то есть параллельно оптической оси. Третья коническая поверхность образует заднюю поверхность элемента и имеет радиус основания ρ:

При этом ρ является также и внешним габаритным радиусом оптического элемента.

Работает устройство следующим образом: оптическое излучение с круговой поляризацией освещает раскрыв первой конической поверхности, а при падении на поверхность под углом Брюстера отраженный от поверхности луч становится плоскополяризованным с плоскостью поляризации параллельной поверхности отражения. Таким образом, в силу радиальной симметрии конической поверхности все отраженные от нее лучи будут поляризованы перпендикулярно радиальной координате. Преломленные лучи будут частично поляризованы и при распространении пространственно отделены от отраженных. Очевидно, что для получения отраженного пучка с азимутальной поляризацией необходимо освещать поверхность конуса оптическим излучением с круговой поляризацией, обеспечивающей в каждый момент времени нужное поляризационное состояние падающих на поверхность конуса лучей. Далее отраженные лучи падают на противоположную поверхность конуса и проходят через нее с преломлением (см. ход лучей на фиг. 2). Прошедшие лучи падают изнутри на вторую коническую поверхность и в силу полного внутреннего отражения отражаются в направлении на третью коническую поверхность так, чтобы лучи равномерно распределились по круговому сечению выходного пучка без пересечений и круговой пустоты в центре, то есть, чтобы выходной пучок был круглого сечения, а не кольцевого. Отраженные от второй поверхности лучи падают на третью коническую поверхность, угол конусности которой ψ, рассчитанный по формуле (1), обеспечивает параллельность всех выходящих лучей после преломления на третьей конической поверхности. Кроме того, лучи, падающие на крайние точки первой конической поверхности, при соблюдении всех размеров в соответствии с формулами (1), (2), (3) выходят из третьей конической поверхности один на оптической оси, а второй - на расстоянии R от оптической оси. Из этого следует, что падающий радиально поляризованный пучок круглой формы преобразуется в азимутально поляризованный пучок также круглой формы с радиусом R, который может быть рассчитан по формуле (2).

Как следует из описания предлагаемого изобретения, в оптической системе по сравнению с прототипом формируется пучок круглой формы. Положительный эффект при этом достигается за счет того, что выходное излучение коллимируется третьей конической поверхностью, угол конусности которой и расположение дают равномерное распределение выходящих лучей по всему кругу.

Изобретение относится к области поляризационной оптики, а именно к преобразованию поляризационного состояния светового излучения, и может быть использовано для преобразования излучения с круговой поляризацией в излучение азимутальной поляризацией. Моноблочный преобразователь поляризации изготовлен из преломляющего материала и имеет угол конусности первой конической поверхности β, связанный с углом Брюстера (arctan(n)) соотношением β=π/2-arctan(n), обеспечивающий преобразование пучка с круговой поляризацией, попадающего в раскрыв конуса, в отраженный пучок с азимутальной поляризацией. Вторая коническая поверхность с углом конусности ω образует наружную поверхность элемента и служит для равномерного распределения энергии поляризованного излучения по круговому сечению выходного пучка. Вторая коническая поверхность отражает падающее на нее поляризованное излучение на третью поверхность с углом конусности ψ. После преломления на третьей поверхности лучи поляризованного излучения распространяются в том же направлении, что и лучи света, падающие на первую поверхность, то есть параллельно оптической оси. Технический результат - преобразование пучка падающего света с круговой поляризацией в коллимированный пучок света кольцевой формы с азимутальной поляризацией. 2 ил.

Моноблочный преобразователь пучка с круговой поляризацией в пучок с азимутальной поляризацией, представляющий собой радиально симметричный элемент, изготовленный из прозрачного материала с показателем преломления n, образованный двумя коническими поверхностями, внутренняя из которых имеет угол конусности β, связанный с углом Брюстера (arctan(n)) соотношением β=π/2-arctan(n), а внешняя имеет угол конусности ω, обеспечивающий отражение лучей, прошедших через первую поверхность в том же направлении, что и лучей света, падающих на первую поверхность, отличающийся тем, что за второй конической поверхностью добавляется третья коническая поверхность с углом конусности ψ, причем ω и ψ связаны формулой: