Рефракционная метаповерхность для формирования и фокусировки азимутально поляризованного лазерного пучка Российский патент 2024 года по МПК G02B27/28 

Изобретение относится к области поляризационной дифракционной оптики и может быть использовано для формирования и одновременной фокусировки азимутально поляризованного лазерного пучка при освещении устройства лазерным пучком с круговой поляризацией.

Существует несколько подходов к формированию поляризационно-структурированных лазерных пучков. Широко используются полуволновые пластинки с искривленной быстрой осью: это субволновые решетки (патент РФ №2175450, МПК G02B5/30, опубл. 2000.01.12) и кристаллические пластинки с индуцированной анизотропией (Andrea Rubano, Filippo Cardano, Bruno Piccirillo, and Lorenzo Marrucci, "Q-plate technology: a progress review [Invited]," J. Opt. Soc. Am. В 36, D70-D87 (2019)). Данные подходы сложны тем, что требуют дорогостоящей процедуры наноструктурирования материала. Интерференционные схемы (патент РФ №2428725, МПК G02B 5/30, опубл. 2011.09.10) требуют делителей и сумматоров пучков, а также сложны в юстировке.

Особое место занимают рефракционные преобразователи пучка с круговой поляризацией в пучок с азимутальной поляризацией (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). На выходе получается конический пучок, который необходимо коллимировать дополнительной схемой.

Прототипом предлагаемого элемента может служить фокусирующая металинза на основе субовлновых решеток (см. Котляр В.В. Высокоапертурная металинза для формирования обратного потока энергии / В.В. Котляр, С.С. Стафеев, Л. О'Фаолейн, М.В. Котляр // Компьютерная оптика. - 2020. Т. 44, №5. С. 691-698. DOI: 10.18287/2412-6179-СО-742). Данный элемент представляет собой бинарную линзу Френеля, в соседних зонах которой расположены субволновые решетки с ортогональными штрихами, что позволяет преобразовать падающий линейно поляризованный плоскопараллельный пучок в сфокусированный пучок с векторной поляризацией. При этом субволновые решетки служат для преобразования поляризации, а комбинирование в соседних зонах Френеля субволновых решеток с ортогональными штрихами вносит в пучок фокусирующую фазу.

В основу заявляемого изобретения поставлена задача получения пучка сфокусированного света с азимутальной поляризацией с помощью нового элемента. Данный элемент может быть изготовлен с помощью менее требовательной технологии, к примеру, путем нанесения микрорельефа на пластик с помощью металлических штампов (патент РФ №2010133910, МПК В32В 18/00, опубл. 2012.02.27).

Поставленная задача решается в два этапа: во-первых, это преобразование поляризации, во-вторых - фокусировка. Отличие от прототипа состоит в том, что преобразование поляризации производится с помощью рефракционных элементов биконической формы (фиг. 1), а фокусировка производится путем размещения данных элементов в кольцевых зонах Френеля (фиг. 2).

На фиг. 1 изображен единичный биконический элемент (см. Хорин П.А. Исследование возможности применения рефракционного биконического аксикона для распознавания азимутальной и радиальной поляризации / П.А. Хорин, С.А. Дегтярев, С.Н. Хонина // Фотоника. 2023. Т. 17, №5. С. 394-407. DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2023.17.5.394.406). Данный элемент преобразует излучение с круговой поляризацией в излучение с азимутальной поляризацией.

Заявляемая рефракционная метаповерхность представляет собой плоскопараллельную подложку из преломляющего материала, на которую нанесен рельеф, состоящий из совокупности биконических элементов. Каждый биконический элемент обеспечивает преобразование пучка с круговой поляризацией в пучок с азимутальной поляризацией.

На фиг. 2 изображена схема расположения элементов, при которой элементы образуют структуру, напоминающую пчелиные соты. Данная структура формируется таким образом, чтобы круглые биконические элементы располагались на концентрических кольцах и образовывали соседние зоны Френеля классической дифракционной линзы. В силу того, что совокупно элементы образуют собой дифракционную линзу, вдоль оптической оси структуры формируется сфокусированный азимутально поляризованный пучок.

Расстояния между центрами биаксиконов равны Т. Длина волны падающего излучения равна λ, а количество колец линзы равно N. Заявляемая линза имеет протяженный фокус, т.е. пучок формируется сразу за элементом и существует вплоть до расстояния F, определяемого формулой:

Основным преимуществом перед прототипом является то, что атом сотовой структуры может быть исполнен в значительно большем масштабе, чем элементы субволновой решетки или кварцевой q-пластинки. К тому же структура состоит из набора пространственно повторяющихся элементов, что обеспечивает простоту изготовления как одного атома, так и их совокупности, образующей заявляемый элемент.

Схема работы заявляемого элемента в динамике представлена на фиг. 3. Коллимированный лазерный пучок (2) с круговой поляризацией падает плоскопараллельно на поверхность элемента (1). Элемент состоит из отдельных биконических аксиконов, которые преобразуют падающее излучение в пучки с круговой поляризацией. Таким образом, каждый биконический аксикон формирует малый пучок с азимутальной поляризацией (3). В силу схемы расположения биконических аксиконов, при дальнейшем распространении малые пучки конструктивно интерферируют друг с другом на оптической оси элемента, где формируется сфокусированный азимутально поляризованный пучок (4).

В качестве преимущества стоит отметить, что для юстировки заявляемого элемента не требуется точное совмещение оси падающего пучка с осью элемента. Юстировка требуется только при поиске сфокусированного поля за элементом.

Изобретение относится к области поляризационной дифракционной оптики. Рефракционная метаповерхность для формирования и фокусировки азимутально поляризованного лазерного пучка, представляющая собой подложку из оптического пропускающего материала с нанесенным микрорельефом, который образован биконическими аксиконами, расположенными в узлах гексагональной сетки по типу пчелиных сот, преобразующая излучение с круговой поляризацией в сфокусированное излучение с азимутальной поляризацией. Технический результат: получение пучка сфокусированного света с азимутальной поляризацией. 3 ил.

Рефракционная метаповерхность для формирования и фокусировки азимутально поляризованного лазерного пучка, представляющая собой подложку из оптического пропускающего материала с нанесенным микрорельефом, который образован биконическими аксиконами, расположенными в узлах гексагональной сетки по типу пчелиных сот, преобразующая излучение с круговой поляризацией в сфокусированное излучение с азимутальной поляризацией.