Устройство для формирования бесселевых пучков электромагнитного излучения в однородной прозрачной среде
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
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (я)з G 02 В 27/46
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ
К АВТОРСК054У СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4863547/10 (22) 27.07,90 (46) 07.08.92. Бюл. № 29 (71) Центральное конструкторское бюро уникального приборостроения Научно-технического объединения АН СССР и Инсти- тут высоких температур AH СССР (72) Л.Я.Марголин, В,В,Котляр, Л.Я.Половский, Л. Н Л1ятницкий, И, Н. Сиса кя н и В.А.Сойфер (56) 1. Phys. Rev. Lett., 1987, v 58, N 15, р. 1499.
2, JOSA, 1954, ч. 44, ¹ 8, р, 589. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ
БЕССЕЛЕВЫХ ПУЧКОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ОДНОРОДНОЙ ПРОЗРАЧНОЙ СРЕДЕ
Изобретение относится к электромаг- нитным, 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.
Я2 1753446 А1 (57) 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, г условию («., где R — радиус поперечно 4 Л
ro сечения пучка излучения, падающего на фильтры; (.— длина волны излучения. 1 ил.
Известно устройство для формироваюЪ ния пучков света, распространяющихся без измененйя.-поперечной структуры в свобод- (Л ном пространстве, содержащее последова- (p3 тельно и соосно расположенные источник ф когерентного излучения, коллиматор, узкун ф кольцевую щель в непрозрачном экране, О сферическую собирающую линзу, расстоя-. ние меккду щелью и линаой равно фокусному расстоянию линзы (1).
Такое устройство формирует в свободном пространстве за линзой когерентное монохроматическое световое поле с поперечным распределением интенсивности 1(г),. равным квадрату функции Бесселя первого рода нулевого порядка, l(r) = с(о (а r), (1) где с — постоянная;
1753446
1g О (2) l(r) - с1о P r) (3) 40
l(r) = с I (,Вг), (5) P = — — ((и — 1) у), 2л
Zo = R/tg(arcsIn Qg), Я
Z0
tg ((n — 1))) (4) а =- (— я п О, =2m
О= агсщ(— ); о
2f
А — длина волны излучения; 5
d — диаметр кольцевой щели (диафрагмы);
f — фокусное расстояние линзы;
to(x) — функция Бесселя первого рода нулевого порядка; 10
r - радиальная координата в плоскости линзы.
Расстояние Zo, на котором обесселевый пучок сохраняет свою структуру, равно где R — радиус сферической линзы или радиус диафрагмы, ограничивающей линзу. 20
Наиболее близким к предлагаемому является устройство для формирования бесселевых пучков нулевого порядка, содержащее последовательно и соосно расположенные источник когерентного 25 излучения, корректор-коллиматор волнового фронта и фазовый фильтр-аксикон с радиально-линейной функцией комплексного пропускания Т.= exp(IP r), где
P —; r — 30 радиальная координата в плоскостй, нормальной к оптической оси устройства (2).
Устройство формирует в свободном пространстве за аксиконом когерентное монохроматическое световое поле с попереч- 35 ным распределением интенсивности l(r), . равным квадрату функции Бесселя первого рода нулевого порядка:
Коэффициент пропорциональности Р можно выразить, наприМер, через угол 1 при основании прозрачного конуса, выполненного из материала с показателем пре- 45 ломления и, по формуле где А — длина волны света, При этом расстояние Zo, на котором после аксикона бесселевый пучок сохраняет свою структуру, равно где R — 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 Т1 = exp(i /Зг), введен установленный между корректором волнового фронта и фазовым фильтром с пропусканием г< соосно с ним фазовый фильтр с азимутально-линейной функцией комплексного пропускания Tz = exp(lm р), где m— заданный порядок формируемого бесселева пучка, у — азимутальный угол в плоскости, нормальной к оптической оси устройства, причем расстояние I между фазовыми фильтрами удовлетворяет условию
4Х где R — световой радиус устройства;
Л длина волны, Введение фазового фильтра с аэимутальным линейным пропусканием вида
Т = exp(trn р) позволяет сформировать в пространстве эа фильтрами пучок электромагнитного излучения с поперечным распределением интенсивности 1(г), равным где с — постоянная;
I (x) — функция Бесселя первого рода
m-ro порядка, m = О, 1, 2...
Сформйрованный бесселевый пучок распространяется без изменения вида рас-. пределения интенсивности на расстоянии
Zo, равном где R — поперечный радиус пучка излучения после корректора волнового фронта, если он меньше радиусов фазовых фильтров.
1753446
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 с азимутально-линейной функцией комплексного пропускания Tz = exp(imp ), фазовый фильтр 4 с радиально-линейной
:функцией комплексного пропускания Т1 ==ехр(lj3r), при этом расстояние между фазовыми фильтрами удовлетворяет условию
I e —, где R — световой радиус устройства, 4А, А — длина волны, Устройство работает следующим образом, Электромагнитное излучение от источника 1 когерентного монохромэтического излучения расширяегея и коллимируется корректором 2 волйового 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 радиальнолинейной 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
l(r) = clm (Pr), : где с — постоянная;
I (x) — функция Бесселя m-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 че рез 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 г.
4Л где! — расстояние между фильтрами;
R — радиус поперечного сечения пучка излучения, падающего на фильтры, если он
1О меньше радиусов самих фильтров;
А- длина волны излучения, Расстояние между фильтрами Т1 и Tz может быть нулевым,. т,е, устройство для формирования бесселевого пучка m-го порядка может состоять всего из одного фазового фильтра с функцией комплексного пропускания Тз вида Тз = Т1 Tz.= exp(l р г+
+ imp).
Формула изобретения
Устройство для формирования бесселе.вых пучков электромагнитного излучения в однородной прозрачной среде, содержащее последовательно и соосно расположенные источник когерентного излучения, корректор-коллиматор волнового фронта и фазовый фильтр-аксикон с радиально-линейной функцией комплексного проускания T> = ехр(фг), где P — коэффициент пропорциональности; г — радиальная координата в плоскости, нормальной к оптической оси устройства, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных воэможностей устройства путем формирования бесселевых пучков высшего порядка, в него введен установленный между корректором волнового фронта и фазовым фильтром с пропусканием Т1 соосно с ними фазовый фильтр с азимутально-линейной функцией комплексного пропускания
Tz = exp(im р), где m — заданный порядок формируемого бесселева пучка; р- азимутальный угол в плоскости; нормальной к оптической оси устройства, причем расстояние I между фазовыми фильтрами удовлетворяет условию
1« —, 4Л
5р Где R сВетоВой радиус устройства, А длина Волны.
1753446
Составитель Л.Марголин
Техред М.Моргентал Корректор М.Максимишинец
Редактор И,Шмакова
Производственно-издательский комби ат "Патент", г. Ужгород. ул.Гагарина, 101
Заказ 2767 Тираж Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета по иэобретениям и открытиям при ГКНТ СССР
113035, Москва, Ж-35; Раушская наб., 4/5
