Устройство для формирования пучка монохроматического излучения

 

Использование: в оптическом приборостроении, лазерной технологии, применяемой в машиностроении и электронной промышленности, в неразрушающем контроле оптических поверхностей, а также в медицине при контроле роговицы и лазерной хирургии глаза. Сущность изобретения: устройство содержит фокусатор и компенсатор, выполненные в виде пропускающих фазовых пластинок с непрерывным микрорельефом, нанесенным по зонам. Высота микрорельефов компенсатора и фокусатора определяется по формулам. 1 ил.

Изобретение относится к оптике и может быть использовано в оптическом приборостроении, лазерной технологии, применяемой в машиностроении и электронной промышленности, в неразрушающем контроле оптических поверхностей, а также в медицине при контроле роговицы и лазерной хирургии глаза.

Известна оптическая система для расширения, коллимации и выравнивания интенсивности лазерного гауссова пучка, содержащая две последовательно установленные по ходу луча фазовые корректирующие пластинки, фазовая функция которых задается математическим выражением [1] в которой гауссов освещающий пучок преобразуется в плоский волновой фронт с равномерным распределением интенсивности.

К недостаткам данного устройства относится невозможность достижения требуемого пространственного распределения интенсивности на поверхности заданного волнового фронта.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является оптический фазовый элемент, содержащий пропускающую или отражающую пластинку с непрерывным микрорельефом, нанесенным по зонам так, что высота микрорельефа и форма зон изменяется в соответствии с фазой и интенсивностью освещающего монохроматического излучения и заданным распределением интенсивности в области фокусировки [2] Недостатком указанного устройства является невозможность воздействовать на форму волнового фронта формируемого излучения, обусловленная наличием лишь одного фазового элемента, в микрорельефе которого учтена лишь информация о заданном распределении интенсивности.

Целью изобретения является обеспечение возможности формирования в заданной области асферического волнового фронта с заданным распределением интенсивности.

На чертеже изображена оптическая схема устройства.

Устройство представляет собой оптический каскад из двух фазовых элементов: фокусатора 1, который освещается световым пучком 2, и компенсатора 3, расположенного на расстоянии от фокусатора. Фокусатор 1 выполнен в виде пропускающей или отражающей пластинки с непрерывным микрорельефом, высота которого описывается выражением h_ф() mod_2πmϕ_ф() (1) где ϕ_ф() ϕ_ф() k d KΨ₁() (2) где ϕ_o константа, может быть выбрана равной нулю; (U_p, v_p)(U_p, V_p) местные координаты на поверхности подложки компенсатора; уравнение поверхности под- ложки компенсатора; () вектор, определяемый по из уравнения: + [l+f()-ζ()]▿_xf() () где где ▿_x= ; (x,y) n_о показатель преломления среды за компенсатором, в котором формируется волновой фронт σ ν(n, Θ_k) n_ocosΘ_k, где n показатель преломления материала микрорельефа;
Θ_к средний угол падения излучения на подложку компенсатора;
l расстояние от центра компенсатора до вершины волнового фронта;
f() уклонение поверхности заданного волнового фронта σ от плоскости П, проходящей через его вершину;
K
λ длина волны монохроматического излучения;
m 1,2. целое число;
mod_2πm (t) функция, равная наименьшему остатку от деления t на 2 π m;
= () точка на компенсаторе, связанная с точкой на фокусаторе соотношением, определяемым из уравнения:
I₁() I_o() (3) где якобиан преобразования = U_p();
I₁() интенсивность освещающего пучка;
ϕ₁() эйконал освещающего пучка;
I_o() I_σ() 1 1 перечисленная в плоскость компенсатора интенсивность на волновом фронте;
I_σ() требуемая интенсивность на волновом фронте;
L(, ζ) (l+f()-ζ) ;
R₁(), R₂() главные радиусы кривизны волнового фронта;
Ψ_o(, ζ) эйконал светового пучка, сформированного фокусатором;
Θ_ф средний угол падения излучения на подложку фокусатора;
U₁₀ начальная точка в плоскости фокусатора, может быть выбрана в начале координат.

Компенсатор 3 выполнен в виде пропускающей и отражающей пластинки с микрорельефом, высота которого изменяется в соответствии с выражением
h_k() · mod_2πmϕ_k(), (4) где ϕ_k() ϕ_o-k{n_o[l+f( ())-ζ()] ×
× + Ψ_o[(), ζ()] (5)
Область 4 формирования заданного волнового фронта расположена за компенсатором 3 на расстоянии l от центра компенсатора.

Микрорельеф на подложке изготавливают методом компьютерной оптики. Для изготовления микрорельефа делается фотошаблон в соответствии с расчетными формулами. Затем методом фотолитографии получают зонированную пластинку с требуемым микрорельефом.

Данное устройство работает cледую- щим образом.

При оcвещении фокусатора 1 размером 25,6 х 25,6 мм световым пучком 2 λ 0,63 мкм с интенсивностью () и эйконалом Ψ₁() происходит дифракция света на микрорельефе, высота которого определяется формулой (1). При этом по определению фазовой функции сразу за фокусатором формируется световой пучок с интенсивностью I₁I₁() и фазой kΨ_o(-f) kΨ₁()+ϕ_ф().

В силу уравнений (1) и (3) на поверхности фокусатора 3 размером 25,6 х 25,6 мм создается световое поле с интенсивностью I_оI_o() и некоторой фазой kΨ_o[(), ζ()] В силу уравнения (5) сразу за компенсатором световое поле будет иметь фазу ϕ_o-kΨ [(), ζ()] где функция Ψ определена уравнением
Ψ(, Z) -n_o[l-Z+f()]
Далее при распространении поверхности σ диаметром 100 мм световой пучок получит набег фазы K n_o α и будет ϕ_o-KΨ + 2 n_o α=ϕ_o, т.е. фаза на σ принимает постоянное значение ϕ_o. Следовательно, σ действительно сформирована в виде заданного волнового фронта. Пространственное распределение интенсивноcти по волновому фронту рассчитывается по интенсивности I_оI_o().

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПУЧКА МОНОХРОМАТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащее фокусатор и компенсатор, выполненные в виде пропускающих фазовых пластинок с непрерывным микрорельефом, нанесенным по зонам, отличающееся тем, что, с целью обеспечения формирования в заданной области асферического волнового фронта с заданным распределением интенсивности, высота микрорельефа компенсатора определяется выражением


а высота микрорельефа фокусатора в соответствии с выражением


местные координаты на поверхности подложки компенсатора;
λ длина волны монохроматического излучения;

n показатель преломления материала микрорельефа;
n_о показатель преломления окружающей среды;
Θ_к угол между оптической осью устройства и нормалью к поверхности подложки компенсатора в точке пересечения этой поверхности с оптической осью;

l заданное расстояние по оптической оси от компенсатора до области формирования волнового фронта;
уравнение поверхности подложки компенсатора;
вектор, определяемый по из уравнения


-уклонение поверхности заданного волнового фронта от плоскости, проходящей через его вершину;

координаты точки на компенсаторе, связанные с координатами точки на фокусаторе соответствием, определяемым из уравнения

заданное распределение интенсивности преобразуемого пучка;

заданное распределение интенсивности на формируемом волновом фронте;

заданные главные радиусы кривизны формируемого волнового фронта;
якобиан-преобразования;
f_о расстояние по оптической оси от фокусатора до компенсатора;
Θ_ф угол между оптической осью устройства и нормалью к поверхности подложки фокусатора в точке пересечения этой поверхности с оптической осью;
заданный эйконал преобразуемого пучка.

РИСУНКИ

Рисунок 1