Устройство для фазового преобразования структуры лазерного пучка

 

Использование: облучение различных физических и медицинских объектов лазерным излучением. Сущность изобретения: пучок проходит через фазовую пластину и линзу, выполненную из кристалла. На выходе этого устройства образуются две волны - обыкновенная и необыкновенная, каждая со своим распределением интенсивности в виде периодически расположенных максимумов внутри кружка рассеяния. Суммарная картина от двух волн имеет более высокую плотность заполнения максимумами кружка рассеяния по сравнению с плотностью от одной волны. Положительный эффект: повышается качество преобразования структуры лазерного пучка. 2 ил.

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано, например, в многоканальных установках для лазерного термоядерного синтеза (ЛТС).

Одной из актуальных задач ЛТС является задача однородного облучения сферической мишени. Этому препятствуют амплитудно-фазовые искажения лазерного пучка и аберрации фокусирующих объективов, которые вызывают сложное неоднородное распределение интенсивности на поверхности мишени. Для устранения влияния искажений пучка и аберраций оптики используются устройства для формирования распределения интенсивности лазерных пучков, в частности, за счет фазового преобразования структуры лазерного пучка. Распределение интенсивности при фокусировке преобразованного пучка оказывается промодулированным: кружок рассеяния представляет собой массив узких максимумов интенсивности, разделенных минимумами. При облучении мишени неоднородность, вызванная высокочастотной модуляцией, размывается за счет электронной теплопроводности материала мишени, и неоднородность облучения определяется только огибающей распределения интенсивности. При этом чем выше плотность распределения максимумов в кружке рассеяния, тем выше качество преобразования пучка, поскольку быстрее и полнее происходит размытие и, следовательно, в большей степени свойства пучка определяются огибающей.

Известно устройство для фазового преобразования структуры лазерного пучка, включающее линзовый микрорастр, расположенный у выходного отверстия лазера. При фокусировке такого пучка распределение интенсивности представляет собой массив максимумов интенсивности, распределенных по площади кружка рассеяния. Однако плотность заполнения максимумами кружка рассеяния невысока. Это снижает качество преобразования лалезрного пучка.

Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является устройство для фазового преобразования структуры лазерного пучка, включающее оптически прозрачную подложку, одна из поверхностей которой разделена на зоны с различной фазовой задержкой, имеющей случайную величину. Такое устройство называют фазовой пластиной.

При фокусировке преобразованного пучка кружок рассеяния представляет собой массив максимумов интенсивности распределенных по его площадке. Однако плотность заполнения кружка рассеяния максимумами интенсивности невысока. Это снижает качество преобразования пучка.

Технической задачей изобретения является повышение качества фазового преобразования структуры лазерного пучка путем повышения плотности заполнения максимумами интенсивности кружка рассеяния.

Указанная задача достигается тем, что в известном устройстве для фазового преобразования структуры лазерного пучка, включающем оптически прозрачную подложку, одна из поверхностей которой разделена на зоны, вносящие в пучок фазовую задержку, последовательно с подложкой установлена линза из кристалла, оптическая ось которого расположена под углом к оси линзы. При этом линза выполнена с возможностью поворота вокруг ее оптической оси до не совпадения плоскости главного сечения кристалла и нормали к ней с вектором поляризации преобразуемого пучка.

На фиг.1 изображена оптическая схема предлагаемого устройства, где оптически прозрачная подложка 1, зоны 2, вносящие в пучок фазовую задержку, линза 3 из кристалла, оптическая ось 4 кристалла, угол 5 между осью кристалла и осью линзы, ось 6 линзы, плоскость 7 главного сечения кристалла, нормаль 8 к плоскости главного сечения, вектор 9 поляризации преобразуемого пучка, преобразуемый пучок 10; на фиг.2а-е представлено распределение интенсивности преобразованного пучка вблизи фокальной плоскости, где а вектор поляризации совпадает с плоскостью главного сечения кристалла, б то же в увеличенном масштабе, в угол между вектором поляризации и плоскостью главного сечения кристалла составляет 15^о, г угол составляет 45^о, д угол составляет 70^о, е угол составляет 90^о, т.е. вектор поляризации совпадает с нормалью к плоскости главного сечения кристалла.

Устройство работает следующим образом. Преобразуемый лазерный пучок 10 падает на фазовую пластину, состоящую из подложки 1 и зон 2, вносящих в пучок фазовую задержку.

Фазовая пластина разбивает ВФ пучка на небольшие зоны с различной фазовой задержкой. Далее пучок поступает на кристаллическую линзу 3. При этом каждый луч пучка разбивается на два: обыкновенный и необыкновенный. Поскольку кристаллу придана форма линзы, обладающей оптической силой, а каждому из лучей соответствует свой показатель преломления n_o и n_e, то в соответствии с законами преломления, за кристаллической линзой будет распространяться две волны: обыкновенная U_o и необыкновенная U_e с разными радиусами кривизны, поскольку оптическая сила зависит от показателя преломления. При последующей фокусировке пучка, преобразованного таким устройством, каждая из волн U_o и U_e соберется в своем фокусе. При этом картина распределения интенсивности в фокальных плоскостях и плоскостях, параллельных им, представляет собой суммарную картину соответственно распределениям от двух волн U_o и U_e. Поскольку U_o и U_e сходятся в разных точках, то пространственное расположение максимумов, соответствующих каждой из волн, различно. Поэтому максимумы от одного распределения помещаются в областях минимумов от другого. Это приводит к повышению плотности заполнения максимумами кружка рассеяния.

Для реализации режима разбиения луча в кристалле на обыкновенный и необыкновенный необходимо, чтобы лучи распространялись не вдоль оптической оси кристалла, поэтому ось 4 кристалла и ось 6 линзы расположены под углом 5 друг к другу. Кроме того, вектор 8 поляризации не должен совпадать с главной плоскостью 7 кристалла, также с нормалью 8 к ней, так как в первом случае в кристалле распространяется одна необыкновенная волна, а во втором одна обыкновенная волна. Возможность вращения линзы вокруг ее оптической оси обеспечивает несовпадение плоскости главного сечения кристалла и нормали к ней с вектором поляризации преобразуемого пучка, т.е. обеспечивает образование в преобразуемом пучке двух волн U_oU_e, которое приводит к повышению плотности заполнения кружка рассеяния максимумами интенсивности, а следовательно, повышению качества преобразования пучка. В случае преобразования устройством излучения с эллиптической (круговой) поляризацией, при которой вектор поляризации вращается, условие несовпадения плоскости главного сечения кристалла и нормали к ней с вектором поляризации выполнено автоматически.

Таким образом, в случаях, когда главная плоскость и нормаль к ней не параллельны вектору поляризации, реализуются две картины распределения интенсивности в кружке рассеяния, соответствующие обыкновенной и необыкновенной волнам. При этом максимумы одной располагаются в минимумах другой. Следовательно, повышается плотность распределения максимумов и качество преобразования лазерного пучка.

Кроме вышеуказанного, наличие такого признака, как линза, выполненная определенным образом из кристалла и определенным образом ориентированная относительно вектора поляризации, предназначенная для решения аналогичной задачи, авторам не известна. Таким образом можно считать, что заявленное решение соответствует критерию "изобретательский уровень решения задачи".

На предприятии НИИКИ ОЭП изготовлен макет заявленного устройства.

Устройство для фазового преобразования состояло из фазовой пластины и кристаллической линзы. ФП выполнена путем нанесения зон неоднородности из SiO₂ диаметром 1 мм на подложку диаметром 50 мм из стекла К-8. Зоны вносили в ВФ пучка задержки 0, λ /2 и λ где λ 1,06 мкм длина волны преобразуемого линейно поляризованного излучения. Кристаллическая линза изготовлена из кристалла KDP, оптическая ось которого расположена под прямым углом к оси линзы. Преобразованный пучок фокусировался фокусирующим объективом с фокусным расстоянием f₁ 50 см. Плоскость регистрации находилась посередине между точками F_o и F_e, в которых фокусировалась обыкновенная U_o и необыкновенная U_e волны.

Последовательность изображений, представленных на фиг.2, иллюстрирует процесс формирования и наложения распределений интенсивностей, соответствующих волнам U_о и U_e. На первом изображении (см. фиг.2,а) приведено распределение в кружке рассеяния, сформированное одной волной U_e, которая получена, когда вектор поляризации совпадает с плоскостью главного сечения кристалла. Для удобства наблюдения на остальных снимках в увеличенном масштабе изображен участок вблизи центральной области, содержащей четыре максимума от волны U_e (см. фиг.2,б). Последующие снимки (см. фиг.2,в 2,е) получены при вращении линзы вокруг ее оптической оси и соответствуют углам поворота главной плоскости кристалла относительно вектора поляризации на углы в -15^о, г -45^о, д -70^о, е -90^о. На фиг.2,в между максимумами волны U_e появляются слабые максимумы, формируемые обыкновенной волной U_o. На фиг.2,г интенсивности обеих картин равны, поскольку соответствуют углу поворота на 45^о. На фиг.2,д максимумы U_o превосходят по интенсивности максимумы от U_e. На фиг.2,е изображены девять максимумов, сформированных только волной U_o вследствие совпадения вектора поляризации с нормалью к плоскости главного сечения кристалла.

Таким образом, как следует из результатов, представленных на фиг.2, установка последовательно с фазовой пластиной линзы из кристалла, оптическая ось которого расположена под углом к оси линзы, и обеспечение несовпадения плоскости главного сечения кристалла и нормали к ней с вектором поляризации преобразуемого пучка приводит к повышению плотности заполнения максимумами кружка рассеяния, т.е. повышению качества преобразования пучка.

Приведем пример расчета параметров кристаллической линзы.

Пусть преобразованный пучок фокусируется объективом с фокусным расстоянием f₁. Волна U_e фокусируется в точке, находящейся на расстоянии F_e от объектива, U_o в точке F_o. Пусть f_o и f_e фокусные расстояния кристаллической линзы для волн U_o и U_e соответственно. Тогда, как следует из известного закона геометрической оптики + (1) Аналогично для необыкновенной волны + (2) Будем рассматривать распределение интенсивности в плоскости, находящейся на расстоянии Z от точки F_o. В этой плоскости совмещены два распределения интенсивности: от волны U_o и от волны U_e. В соответствии с соотношением подобия при фокусировке пучков (см. Борн М. Вольф Э. Основы оптики. М. Наука, 1973, с.472) существуют плоскости с распределением интенсивности, тождественным каждому из двух распределений. Эти плоскости находятся на расстоянии Z₁ для волны U_o и Z₂ для волны U_e от фокуса f₁ объектива, т.е. связаны следующими соотношениями: (3) (4) Для плоско-выпуклой формы кристаллической линзы можно записать выражение f_o= (5) f_e= (6) где R искомый радиус кривизны поверхности кристаллической линзы.

Подставим (5) и (6) в (1) и (2). Полученные значения F_o и F_e подставим в (3) и (4). Затем из (3) выразим Z и подставим в (4). Получим кубическое уравнение относительно неизвестного параметра R, который требуется найти
Z₂R(R+a)² Z₁R(R+b)²+(a-b)(R-a)(R-b), (7) где a f₁ (n_o-1) и b f₁(n_e-1)
Подставим в (7) следующие численные значения:
f₁ 50 см, Z₁ 0,4 см, Z₂ 0,5 см, для кристалла KDP: n_o 1,4936, n_e 1,4598.

Решая (7), получим радиус кривизны кристаллической линзы R 680 см. Следовательно, кристаллическая линза имеет параметры, доступные обычной технологии изготовления.

Таким образом, при установлении последовательно с фазовой пластиной линзы, выполненной из кристалла, оптическая ось которого расположена под углом к оси линзы, и обеспечении возможности поворота линзы вокруг ее оптической оси до несовпадения плоскости главного сечения и нормали к ней с вектором поляризации преобразуемого пучка, реализуется распределение интенсивности, отвечающее двум волнам: обыкновенной и необыкновенной. При этом максимумы от одного распределения расположены в минимумах от другого, плотность заполнения максимумами кружка рассеяния повышается, т.е. повышается качество преобразования пучка.

Из вышесказанного следует, что заявленное устройство эффективно, надежно, реализация его проста, не требуется дополнительных разработок и использования уникальных в исполнении или дорогих элементов. Данное устройство может найти применение в медицинских приборах, действие которых основано на лазерном излучении: в лазерной хирургии и облучении полых органов, в осветительных устройствах с лазерным источником.

Формула изобретения

Устройство для фазового преобразования структуры лазерного пучка, включающее оптически прозрачную подложку, одна из поверхностей которой разделена на зоны, вносящие в пучок фазовую задержку, отличающееся тем, что последовательно с подложкой установлена линза из кристалла, оптическая ось которого расположена под углом к оси линзы, при этом линза выполнена с возможностью поворота вокруг ее оптической оси до несовпадения плоскости главного сечения кристалла и нормали к ней с вектором поляризации преобразуемого пучка.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2