Спиральная зонная пластинка Российский патент 2025 года по МПК G02B5/18 

Настоящее изобретение относится к оптическому устройству, содержащему спиральную зонную пластинку, причем оптическое устройство действует как особый оптический элемент и может найти применение в различных областях техники, где требуется формирование лазерных пучков с ненулевым орбитальным угловым моментом, например, для создания систем оптической передачи данных через свободное пространство (атмосферу), захвата частиц, микрообработки, получения изображений в толстых средах и т. д.

Вихревая (или сингулярная) оптика [Soskin M, Boriskina S, Chong Y, Dennis M, Desyatnikov. A. Singular optics and topological photonics // J Opt 2017; 19(1): 010401. DOI: 10.1088/2040-8986/19/1/010401; А.Х. Султанов. Вихревая оптика // VI Международная конференция и молодёжная школа «Информационные технологии и нанотехнологии» (ИТНТ-2020), с. 734-746] изучает, как ведет себя свет в тех местах, где света нет - в нулях интенсивности. Оптический вихрь, обладающий топологическим зарядом и орбитальным угловым моментом, распространяется в пространстве таким образом, что поток энергии в нем движется по спирали. Термин «оптический вихрь» был впервые введен в 1989 году [Coullet P, Gil L, Rocca F. Optical vortices // Opt. Commun. 1989. V.73. P. 403-408.]. У таких пучков есть точки неопределенности (сингулярности) фазы, в которых интенсивность равна нулю (нули интенсивности). Расстояние между двумя нулями интенсивности может быть сколь угодно малым и не ограничивается дифракционным пределом. Топологический заряд оптических вихрей наиболее устойчивая характеристика, которая сохраняется при амплитудных и простых фазовых искажениях пучка. Вихревые пучки, т. е. пучки с фазовой сингулярностью на своей оси, несут как линейный, так и угловой момент, предлагая уникальные возможности для манипулирования веществом.

Оптические вихревые пучки (ОВП) широко используются во многих сферах (лазерные манипулирование, обработка материалов, оптические и квантовые коммуникации, микроскопия и другие). Это приводит к исследованиям в области разработки методов эффективного формирования ОВП. Однако в большинстве случаев используются элементы, изготовление которых обычно представляет собой сложную последовательность операций с привлечением дорогостоящего оборудования. Сложность этих процессов дополнительно возрастает при изготовлении элементов, формирующих не одиночные, а множественные ОВП с заданными свойствами.

Для формирования оптических вихрей используется спиральная фазовая пластинка. Спиральная фазовая пластинка является оптическим элементом с винтовой поверхностью, оптическая толщина которой увеличивается в зависимости от азимутального положения [M.W. Beijersbergen, R.P.C. Coerwinkel, M. Kristensen, J.P. Woerdman. Helical-wavefront laser beams produced with a spiral phase plate // Opt. Commun., v. 112, No. 6, pp. 321-327, 1994; S.N. Khonina, V.V. Kotlyar, M.V. Shinkaryev, V.A. Soifer a & G.V. Uspleniev. The Phase Rotor Filter // J. Mod. Opt., v. 39, pp. 1147-1154, 1992 Патент РФ 2728214; А. А. Деменев, А. В. Ковальчук, Е. А. Полушкин, С. Ю. Шаповал. Изготовление методом трехмерной фемтосекундной лазерной субмикронной литографии спиральных фазовых пластинок для формирования пучков фотонов с орбитальным угловым моментом // Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 2, стр. 212-219; Lai W.J., Lim В.С., Phua Р.В., Tiaw K.S., Тео Н.Н., Hong М.Н. Generation of radially polarized beam with a segmented spiral varying retarder // Optics Express. - 2008. - T. 16. - №. 20. - C. 15694-15699]. Спиральная фазовая пластинка, преобразует падающую плоскую волну в вихревую, в пучок бубликовой моды.

Недостатком спиральной фазовой пластинки является ее сложность, обусловленная ее трехмерностью, невозможность оптимизации ее преобразующих свойств для заданного количества винтовых поверхностей.

Среди жидкокристаллических устройств, используемых для формирования вихревых световых полей, известны жидкокристаллические спиральные фазовые пластинки [Jorge Albero, Pascuala Garcia-Martinez, Noureddine Bennis, Eva Oton, Beatriz Cerrolaza, Ignacio Moreno, and Jeffrey A. Davis, Liquid crystal devices for the reconfigurable generation of optical vortices // J. Lights. Technol, vol. 30, No. 18, pp. 3055-3060, Sep. 15, 2012], в конструкцию которых входят слой нематического жидкого кристалла, расположенного между двумя подложками с нанесенными высокорезистивными электродами и низкоомными покрытиями.

Недостатком спиральной фазовой пластинки является ее сложность, активный характер функционирования и невозможность оптимизации ее преобразующих свойств для заданного количества винтовых поверхностей.

Из существующего уровня техники известны устройства формирования вихревых световых полей, например, стационарные дифракционные оптические элементы (ДОЭ) [S. Li, and Z. Wang. Generation of optical vortex based on computer-generated holographic gratings by photolithography // Appl. Phys. Lett. -2013. - Vol. 103. - P 141110-1-141110-3.] либо вихревые аксиконы [S.N. Khonina, V.V. Kotlyar, V.A. Soifer, M.V. Shinkaryev, G.V. Uspleniev. Trochoson // Opt. Commun., v. 91, No. 3-4, 1992], устройства на основе деформируемого зеркала [Tyson, R.K. Generation of an optical vortex with segmented deformable mirror / R.K. Tyson, M. Scipioni, J. Viegas // Appl. Optics. - 2008. - Vol. 47. - No.33. - P 6300-6306], устройства на основе пространственного модулятора света [Yao, A.M. Orbital angular momentum: origins, behavior and applications / A.M. Yao, M.J. Padgett // Adv. Opt. and Photonics. - 2011. - Vol. 3. - P 161-204] или голографического элемента [Heckenberg, N. Generation of optical phase singularities by computer-generated holograms. / N. R. Heckenberg, R. McDuff, C.P Smith, and A. White // Opt. Lett. - 1992. - Vol. 17. - P 221-223].

Известно оптическое устройство по патенту РФ № 2458367, содержащее пару пластиноподобных дифракционных оптических элементов, последовательно установленных параллельно друг другу. При размещении двух дифракционных оптических элементов (ДОЭ) рядом и параллельно друг другу на определенном расстоянии комбинация оптически соответствует единичному дифракционному оптическому элементу, действующему как спиральная фазовая пластинка [S. S. R. Oemrawsingh, J. A. W. van Houwelingen, E. R. Eliel, J. P. Woerdman, E. J. K. Verstegen, J. G. Kloosterboer, and G. W.’t Hooft. Production and characterization of spiral phase plates for optical wavelengths // Applied Optics, Vol. 43, No. 3, pp. 688-694, 20 January 2004]. Конструкция пары ДОЭ, действует как так называемая спиральная фазовая пластинка с регулируемым спиральным индексом, трансформирующая падающий световой пучок в так называемый пучок бубликовой моды с переменным спиральным зарядом.

Недостатками известных устройств является невозможность оптимизации их фокусирующих и преобразующих свойств для заданного количества спиралей.

Широкое распространение в телекоммуникации, спектроскопии, микроскопии [US patent 7864415 B2, Use of a focusing vortex lens as the objective in spiral phase contrast microscopy], для характеризации материалов получил класс вихревых пучков, в которых применяются спиральные зонные пластины [Huaping Zang, Jingzhe Li, Chenglong Zheng, Yongzhi Tian, Lai Wei, Quanping Fan, Shaoyi Wang, Chuanke Wang, Juan Xie and Leifeng Cao. The Generation of Equal-Intensity and Multi-Focus Optical Vortices by a Composite Spiral Zone Plate // Photonics 2024, 12, 466; Е.С. Козлова, С.С. Стафеев, В.В. Подлипнов, С.А. Фомченков, В.В. Котляр. Теоретическое и экспериментальное исследование спиральной зонной пластинки в тонкой пленке алюминия // Компьютерная оптика и нанофотоника VII Международная конференция и молодёжная школа «Информационные технологии и нанотехнологии» (ИТНТ-2021), с. 010022-010023; А.А. Савельева, E.C. Козлова. Сравнение формы фокусных пятен по интенсивности и потоку энергии для высокоапертурных зонной пластинки и спиральной зонной пластинки // Компьютерная оптика. - 2022. - Т. 46, No 4. - С. 531-536. - DOI: 10.18287/2412-6179-CO-934; Nan Gao; Changqing Xie; Chun Li; Chunshui Jin, Ming Liu. Square optical vortices generated by binary spiral zone plates // Appl. Phys. Lett. 98, 151106 (2011) https://doi.org/10.1063/1.3581044; Tian Xia, Shubo Cheng, ShaohuaTao. Two polygon-like beams generated by a modified interfering vortex spiral zone plate // Results in Physics Volume 29, October 2021, 104762; Lai Wei, Yulin Gao, Xianlun Wen, Zongqing Zhao, Leifeng Cao, and Yuqiu Gu, Fractional spiral zone plates // J. Opt. Soc. Am. A 30, 233-237 (2013) https://opg.optica.org/josaa/abstract.cfm?URI=josaa-30-2-233; Ziwen Ji, Huaping Zang, Chunzhen Fan, Junqiao Wang, Chenglong Zheng, Lai Wei, Chuanke Wang, and Leifeng Cao. Fractal spiral zone plates // Journal of the Optical Society of America A, Vol. 35, Issue 5, pp. 726-731 (2018) https://doi.org/10.1364/JOSAA.35.000726]. В 1992 году был предложен голографический метод синтеза спиральной зонной пластины [N. R. Heckenberg, R. McDuff, C. P. Smith, and A. G. White. Generation of optical phase singularities by computer-generated holograms // Opt. Lett. 1992. V.17. P. 221-223.]. Известны акустические спиральные зонные пластинки [Noé Jiménez, R. Pic, V. Sánchez-Morcillo, V. Romero-García, L. M. García-Raffi, and K. Staliunas. Formation of high-order acoustic Bessel beams by spiral diffraction gratings // Physical Review E 94, 053004 (2016) DOI: 10.1103/PhysRevE.94.053004; N. Jimneza, V. J. Sánchez-Morcilloa, R. Pica, L. M. Garcia-Raffib, V. Romero-Garciac, K. Staliunas. High-order acoustic Bessel beam generation by spiral gratings // Physics Procedia 70 (2015) 245 - 248].

Известна бинарная зонная фазовая пластина со спиральным узором [Boris Volodkin, Yulia Choporova, Boris Knyazev, Gennady Kulipanov, Vladimir Pavelyev, Victor Soifer, Nikolay Vinokurov. Fabrication and characterization of diffractive phase plates for forming high-power terahertz vortex beams using free electron laser radiation // Optical and Quantum Electronics, March 2016, 48:223], преобразующая падающую плоскую волну в вихревую и выполненную в виде дифракционного оптического элемента с границами зон которые описываются уравнением:

где r_period - период аксикона, определяющий угол дифракции падающего излучения, параметр β, где β = 0; 1;…; 2l-1, относится к 2l ветвям спиральных границ, разделяющих зоны с разницей высот Δh = λ/2(N-1), где N - показатель преломления материала оптического элемента.

Недостатками известных устройств является невозможность оптимизации их фокусирующих и преобразующих свойств для заданного количества спиралей.

Известна зонная пластина по [А.С. (СССР) 1617398], выполненная в виде концентрических кольцевых зон Френеля, радиусы которых выполнены в соответствии с условием, при преобразовании плоского падающего волнового фронта в сходящийся сферический:

где R - радиус первой зоны Френеля; В - фокусное расстояние; λ₀ - расчетная длина волны; m=1, 2, …, M - количество уровней квантования фазы, K=2, 3,…, N - номер зоны Френеля.

Выполнение зонной пластины с заранее заданным радиусом первой зоны Френеля позволяет ввести дополнительную степень свободы и благодаря этому увеличить глубину резкости, а также расширить диапазон и скорость перефокусировки при девиации частоты освещающего излучения.

Недостатком данного технического решения является невозможность преобразования плоской освещающей волны в вихревую.

В качестве прототипа выбрана спиральная зонная пластина по патенту [А.С. (СССР) 1730606, Устройство для фокусировки в кольцо, опубл. 30.04.1992], выполненная в виде дифракционного оптического элемента, фазовый профиль которого образован изофазными линиями, выполненными в виде одно- или многозаходной спирали.

Недостатками известного устройства является невозможность оптимизации его фокусирующих и преобразующих свойств для заданного количества спиралей.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, а именно разработка спиральной зонной пластины с дополнительным параметром, обеспечивающей фокусировку излучения в кольцевую область, преобразующей падающую плоскую волну в вихревую и позволяющего производить оптимизацию ее характеристик.

Технический результат - разработка спиральной зонной пластины с дополнительным параметром, обеспечивающей фокусировку излучения в кольцевую область, преобразующей падающую плоскую волну в вихревую и позволяющего производить оптимизацию ее характеристик

Указанная задача решена благодаря тому, что в спиральной зонной пластине, выполненной в виде дифракционного оптического элемента, фазовый профиль которого образован изофазными линиями, выполненными в виде одно- или многозаходной спирали новым является то, что границы непрозрачной m-й спирали расположены в соответствии с условием:

,

где (r, θ) полярные координаты; М - количество многозаходной спирали; F - фокусное расстояние спиральной зонной пластины, λ - длина волны излучения и r₀ - радиус центральной непрозрачной зоны произвольной величины, не превышающий радиуса первой зоны Френеля эквивалентной классической зонной пластины Френеля.

Заявляемое устройство спиральной зонной пластины обладает совокупностью существенных признаков, неизвестных из уровня техники для изделий подобного назначения и неизвестных из доступных источников научной, технической и патентной информации на дату подачи заявки на изобретение.

Изобретение поясняется чертежами.

На Фиг. 1 представлен пример формы изофазных линий известной спиральной зонной пластинки: а - однозаходная спираль; б - двухзаходная спираль.

На Фиг. 2 представлен пример формы изофазных линий предлагаемой спиральной зонной пластинки: а - однозаходная спираль; б - пятизаходная спираль.

На Фиг. 3 показаны экспериментальные распределения интенсивности электромагнитного поля в фокусе спиральной зонной пластинки: а - однозаходная спираль; б - пятизаходная спираль.

Устройство работает следующим образом.

Спиральная зонная пластина состоит из системы спиралей которые чередуются между собой на прозрачные и не прозрачные для освещающего излучения. Обычно спиральная зонная пластина может иметь М спиралей. Спиральная зонная пластина освещается электромагнитной волной с плоским фронтом. Преобразованная спиральной зонной пластиной электромагнитная волна на расстоянии от спиральной зонной пластины формирует кольцеобразное распределение интенсивности.

Общее математическое выражение для кривой, описывающей М многозаходной архимедовой спирали, исходящей из начала координат, можно выразить в полярных координатах как

где 0≤ l ≤М - 1 - индекс m-й спирали, а a - радиальное расстояние между границами спиралей.

Спиральная форма зон зонной пластины накладывает спиральность, вращая фазу дифрагированных волн и создавая фазовую дислокацию вдоль оси. В фокальной плоскости деструктивная интерференция дифрагированных волн на спиральной зонной решетке приводит к образованию полого сфокусированного пучка.

Фазовый профиль спиральной зонной пластины образован изофазными линиями, выполненными в виде одно- или многозаходной спирали. Границы непрозрачной m-й спирали задается уравнением:

,

где (r, θ) полярные координаты; М - количество многозаходной спирали; F - фокусное расстояние спиральной зонной пластины, λ - длина волны излучения и r₀ - радиус центральной непрозрачной зоны произвольной величины и не превышающий радиуса первой зоны Френеля эквивалентной классической зонной пластины Френеля.

Введение нового параметра d₀=2r₀ не превышающего величины первой зоны Френеля приводит к изменению структуры спирали. Выбором величины r₀ возможно оптимизировать форму области фокусировки излучения и реализовать случай нулевой интенсивности электромагнитного поля на оптической оси устройства.

Для частного случая с однозаходной спиралью уравнение для границ спирали переходит в классическое выражение для границ зон зонной пластинки Френеля, если каждый угловой поворот заменить дискретной последовательностью кольцевых колец, θ=2π, т. е. с n = 0; 1; 2; ….

Экспериментальные исследования спиральной зонной пластиной были проведены в диапазоне 100 ГГц для однозаходной спирали и пятизаходной спирали. Диаметр спиральной зонной пластины D≈75λ, фокусное расстояние F≈45λ и D/2r₀≈4. В обоих случаях была достигнута интенсивность поля на оптической оси устройства равная нулю.

Для повышения эффективности спиральной зонной пластины ее непрозрачные для излучения зоны могут быть выполнены фазоинверсными.

Предлагаемая зонная пластина спирального типа может применяться в микроволновом, инфракрасном, видимом, ультрафиолетовом диапазогах и в акустике.

Изобретение относится к оптическому устройству, содержащему спиральную зонную пластину, причем оптическое устройство действует как особый оптический элемент и может найти применение там, где требуется формирование лазерных пучков с ненулевым орбитальным угловым моментом, например, для создания систем оптической передачи данных через свободное пространство (атмосферу), захвата частиц, микрообработки, получения изображений в толстых средах и т. д. В спиральной пластине, выполненной в виде дифракционного оптического элемента, фазовый профиль которого образован изофазными линиями, выполненными в виде одно- или многозаходной спирали, новым является то, что границы непрозрачной m-й спирали расположены в соответствии с условием: где r, - полярные координаты; М - количество многозаходной спирали; F - фокусное расстояние спиральной зонной пластины, - длина волны излучения и r₀ - радиус центральной непрозрачной зоны произвольной величины, не превышающий радиус первой зоны Френеля эквивалентной классической зонной пластины Френеля. Технический результат - разработка пластины с дополнительным параметром, обеспечивающей фокусировку излучения в кольцевую область, преобразующей падающую плоскую волну в вихревую и позволяющей производить оптимизацию ее характеристик. 3 ил.

Спиральная зонная пластина, выполненная в виде дифракционного оптического элемента, фазовый профиль которого образован изофазными линиями, выполненными в виде одно- или многозаходной спирали, отличающаяся тем, что границы непрозрачной m-й спирали расположены в соответствии с условием:

,

где r, - полярные координаты; М - количество многозаходной спирали; F - фокусное расстояние спиральной зонной пластины, - длина волны излучения и r₀ - радиус центральной непрозрачной зоны произвольной величины и не превышающий радиус первой зоны Френеля эквивалентной классической зонной пластины Френеля.