Устройство для формирования бесселевых пучков электромагнитного излучения в однородной прозрачной среде Советский патент 1992 года по МПК G02B27/46 

Изобретение относится к электромагнитным, 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.

Известно устройство для формирования пучков света, распространяющихся без изменения поперечной структуры в свободном пространстве, содержащее последовательно и соосно расположенные источник когерентного излучения, коллиматор, узкую кольцевую щель в непрозрачном экране, сферическую собирающую линзу, расстояние между щелью и линзой равно фокусному расстоянию линзы 1.

Такое устройство формирует в свободном пространстве за линзой когерентное монохроматическое световое поле с поперечным распределением интенсивности l(r), равным квадрату функции Бесселя первого

VJ

сл

СА)

N

О

рода нулевого порядка:

l(r) do2( а г), где с - постоянная;

(1)

9 тг

a ,

B arctg();

А-длина волны излучения;5

d - диаметр кольцевой щели (диафрагмы);

f - фокусное расстояние линзы;

1о(х) - функция Бесселя первого рода нулевого порядка;10

г - радиальная координата в плоскости линзы.

Расстояние Zo, на котором обесселевый пучок сохраняет свою структуру, равно

(2)

где R - радиус сферической линзы или радиус диафрагмы, ограничивающей линзу.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для формирования бесселевых пучков нулевого порядка, содержащее последовательно и соосно рас- положенные источник когерентного излучения, корректор-коллиматор волнового фронта и фазовый фильтр-аксикон с ра- диально-линейнойфункцией

комплексного пропускания Т ехр(), где (3 - коэффициент пропорциональности; г - радиальная координата в плоскости, нормальной к оптической оси устройства 2.

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

l(r) - clo2)3 r)

(3)

Коэффициент пропорциональности ft можно выразить, например, через угол у при основании прозрачного конуса, выполненного из материала с показателем пре- ломления п, по формуле

/ рКп-1)у.

где А-длина волны света,

При этом расстояние Zo, на котором после аксикона бесселевый пучок сохраняет свою структуру, равно

7

Ј-о

R

tg(

0

5

0

5

0

где Я - 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 Ti exp(i fir), введен установленный между корректором волнового фронта и фазовым фильтром с пропусканием Ti соосно с ним фазовый фильтр с азимутально-линейной функцией комплексного пропускания 2 exp(lm р), где т - заданный порядок формируемого бесселе- ва пучка, р - азимутальный угол в плоскости, нормальной к оптической оси устройства, причем расстояние I между фазовыми фильтрами удовлетворяет условию

I «

R2 4Г

где R - световой радиус устройства;

Я- длина волны.

Введение фазового фильтра с азимутальным линейным пропусканием вида Та exp(lm уз) позволяет сформировать в пространстве за фильтрами пучок электромагнитного излучения с поперечным распределением интенсивности 1(г), равным

I(r) clm2(Јr),

(5)

где с - постоянная;

lm(x) - функция Бесселя первого рода т-ro порядка, т 0, 1, 2...

Сформированный бесселевый пучок распространяется без изменения вида распределения интенсивности на расстоянии Zo, равном

Zo R/tg arcsln ЈЈ),

Ј Jlf

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

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 сазимутально-линейной функцией комплексного пропускания Та exp(imy), фазовый фильтр 4 с радиально-линейной функцией комплексного пропускания Ti exp(), при этом расстояние между фазовыми фильтрами удовлетворяет условию

1«

R

j-j, где R - световой радиус устройства;

А - длина волны

Устройство работает следующим образом.

Электромагнитное излучение от источника 1 когерентного монохроматического излучения расширяется и коллимиру- ется корректором 2 волнового 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 радиально- линейной 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

I(r) clm2(/3r),

где с - постоянная;

lm(x) - функция Бесселя гл-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 через 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

R2

лгде I - расстояние между фильтрами;

R - радиус поперечного сечения пучка излучения, падающего на фильтры, если он меньше радиусов самих фильтров;

А- длина волны излучения.

Расстояние между фильтрами Ti и Т2 может быть нулевым, т.е. устройство для формирования бесселевого пучка т-го по- рядка может состоять всего из одного фазового фильтра с функцией комплексного пропускания Тз вида Тз Ti Т2 ехр(1 / г + + Im p).

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

Устройство для формирования бесселевых пучков электромагнитного излучения в однородной прозрачной среде, содержащее последовательно и соосно расположенные источник когерентного излучения, 5 корректор-коллиматор волнового фронта и фазовый фильтр-аксикон с радиально-линейной функцией комплексного проуска- ния Ti exp(), где ft - коэффициент пропорциональности; г - радиальная координата в плоскости, нормальной к оптической оси устройства, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей устройства путем форми- рования бесселевых пучков высшего порядка, в него введен установленный между корректором волнового фронта и фазовым фильтром с пропусканием Ti соосно с ними фазовый фильтр с азимутально-линей- ной функцией комплексного пропускания Та exp(im #), где m - заданный порядок формируемого бесселева пучка; р- азимутальный угол в плоскости, нормальной к оптической оси устройства, причем рас- стояние I между фазовыми фильтрами удовлетворяет условию

R2

&

Q где R - световой радиус устройства; А-длина волны.

0

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