Способ формирования двухцветного кольцевого лазерного поля и устройство для его осуществления (варианты)
METHOD FOR FORMING A TWO-COLOR ANNULAR LASER FIELD AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION (OPTIONS)

Изобретение относится к лазерной оптике и акустооптике и может быть использовано в технике манипуляции ансамблями холодных атомов управляемыми оптическими ловушками.
В современной науке широкое распространение в системах оптического захвата нейтральных холодных атомов получило применение аксиально-симметричных электромагнитных потенциалов, создаваемых полыми кольцевыми лазерными пучками. В кольцевых лазерных полях атом может быть захвачен только в радиальном направлении, в то время как азимутальное перемещение не ограничивается. Благодаря эффекту отталкивающего потенциала лазерного поля с частотой более высокой чем атомный переход (лазерное поле с синей расстройкой) полый кольцевой лазерный пучок может ограничивать движение атомов внутри полого лазерного пучка и формировать пучки медленных атомов. Наиболее перспективным для ряда задач является применение двухцветных лазерных полей с синей и красной (более низкой, чем частота атомного перехода) расстройками.
Известен способ формирования одновременно нескольких кольцевых ловушек для холодных атомов (F.K. Fatemi, M. Bashkansky. Dynamic high-speed spatial manipulation of cold atoms using acousto-optic and spatial light modulation // Opt. Express - 2007 - V.15. -P. 3589), который заключается в формировании кольцевого поля методом цифровой голографии при помощи пространственного модулятора и последующем мультиплицировании и сканировании данного распределения в пространстве быстродействующим акустооптическим дефлектором.
Недостатком указанного способа является невозможность работы с двухцветным лазерным излучением, поскольку голограмма вычисляется для одной длины волны.
Известно устройство формирования кольцевых лазерных полей на основе аксикона (конической линзы) и двух Фурье-линз (M.de Angelis, L. Cacciapuoti, G. Pierattini, G.M. Tino. Axially symmetric hollow beams using refractive conical lenses // Opt. Lasers Eng. - 2003. - V. 39. - P. 283).
Недостатком устройства является невозможность динамической перестройки величины радиуса кольцевого лазерного поля.
Известен способ формирования нескольких колец полихроматического оптического излучения при помощи аксикона (E. Bialic, J.-L. de Bougrenet de la Tocnaye. Multiple annular linear diffractive axicons // J. Opt. Soc. Am. A. - 2011. - V. 28. - P. 523-533).
Недостатком способа является невозможность управлять распределением интенсивности излучения на разных длинах волн динамически и независимо, поскольку оно определяется исключительно законами преломления и дифракции оптического пучка в аксиконе.
Прототипом заявленного способа является способ управления конфокальным микроскопом посредством формирования двумерных лазерных полей при помощи двухкоординатной акустооптической голографической системы (WO 2020/007761 А1, опублик 09.01.2020). Способ заключается в управлении угловым спектром лазерного пучка посредством последовательной голографической модуляции лазерного пучка по двум координатам двумя ортогонально расположенными акустооптическими дефлекторами. Данный способ позволяет управлять двухцветными лазерными пучками.
Основным недостатком способа является то, что класс двумерных распределений лазерного поля ограничен функциями с разделяющимися переменными в декартовых координатах. Другим недостатком способа является необходимость производить вычисления цифровых голограмм, что не позволяет использовать быстродействие акустооптических дефлекторов в полной мере.
Прототипом заявленного устройства является оптическая система формирования кольцевых лазерных полей с двумя аксиконами (М. Lei, et al. Long-Distance axial trapping with focused annular laser beams // Plos One. - 2013. - V. 8. - P. 57984).
Прототип имеет следующие недостатки: механическую перестройку оптических элементов для изменения радиуса кольцевого поля и принципиальную невозможность адаптивного независимого формирования кольцевых потенциалов аксиальной симметрии на различных длинах волн. В частности, это резко ограничивает его применение в технике захвата холодных атомов двухцветными лазерными пучками с красной и синей расстройкой.
В первом объекте заявленного изобретения технический результат заключается в повышении быстродействия способа за счет возможности осуществления быстрой перестройки величины радиуса кольцевого лазерного поля и расширении его функциональных возможностей за счет возможности одновременной и независимой генерации двухцветных кольцевых лазерных полей аксиальной симметрии различных радиусов.
Указанный технический результат достигается следующим образом.
1
2
1
2
1
1
1
2
2
2
1
2
Способ генерации двухцветных кольцевых лазерных полей заключается в том, что генератором радиосигналов формируют две радиочастоты f и f, которые одновременно подают на акустический вход анизотропный акустооптический фильтр пространственных частот лазерного излучения, на оптический вход которого подают сфокусированный пучок двухцветного лазерного излучения, содержащий спектральные компоненты на длинах волн λ и λ. На выходе акустооптического фильтра разделяют пучки нулевого и первого порядков дифракции и осуществляют оптическое преобразование Фурье пучка первого порядка дифракции. Радиочастота f выбирается так, чтобы для лазерного пучка на длине волны λ фазовый синхронизм акустооптического взаимодействия выполнялся на конической поверхности с углом раствора θ, радиочастота f выбирается так, чтобы для лазерного пучка на длине волны λ фазовый синхронизм выполнялся на конической поверхности с углом раствора θ, причем выполняется условие θ<θ. Взаимная ориентация волновых фронтов двухцветного лазерного пучка и волновых фронтов акустических волн в акустооптическом фильтре выбирается так, что двумерная передаточная функция акустооптического фильтра имеет форму кольца для каждой из длин волн двухцветного лазерного пучка
Во втором и третьем объектах заявляемого изобретения технический результат заключается в повышении быстродействия устройства и расширении его функциональных возможностей за счет параллельной обработки пространственного спектра двухцветного лазерного излучения с одновременным и независимым формированием кольцевых лазерных полей двухцветного лазерного излучения с управляемыми значениями радиусов
Во втором объекте заявленного изобретения указанный технический результат достигается следующим образом.
1
2
Устройство генерации двухцветных лазерных кольцевых полей состоит из первого лазера с длиной волны λ, второго лазера с длиной волны λ, оптической системы объединения лазерных пучков первого и второго лазеров в единый двухцветный пучок, на оси которого последовательно расположены Фурье-линза, анизотропный акустооптический фильтр пространственных частот, поляризатор и оптическая Фурье-система. Также устройство включает последовательно соединенные между собой генератор радиосигналов и широкополосный усилитель, выход которого присоединен к радиочастотному входу акустооптического фильтра.
Кроме того на оси лазерного пучка перед Фурье-линзой расположен телескоп, выполненный с возможностью преобразования диаметра лазерного пучка.
Также оптическая система объединения лазерных пучков первого и второго лазеров в единый двухцветный пучок является дихроичным зеркалом.
Во третьем объекте заявленного изобретения указанный технический результат достигается следующим образом.
1
2
Устройство генерации двухцветных лазерных кольцевых полей, состоящее из полихроматического лазера, выполненного с возможностью одновременного излучения на длинах волн λ и λ, последовательно расположенных на оси излучаемого лазером пучка Фурье-линзы, анизотропного акустооптического фильтра пространственных частот лазерного излучения, поляризатора и оптической Фурье-системы, а также состоящее из последовательно соединенных между собой генератора радиосигналов, и широкополосного усилителя, выход которого присоединен к радиочастотному входу акустооптического фильтра.
Кроме того на оси лазерного пучка перед акустооптическим фильтром пространственных частот расположен многополосный светофильтр.
Также многополосный светофильтр выполнен в виде интерференционного фильтра или эталона Фабри-Перо или перестраиваемого акустооптического фильтра.
Также полихроматический лазер выполнен в виде фемтосекундного импульсного лазера.
В способе и вариантах устройства быстродействующий анизотропный акустооптический фильтр, осуществляющий параллельную обработку пространственного углового спектра двухцветного лазерного излучения на основе анизотропной акустооптической дифракции в одноосном кристалле, осуществляет одновременное и независимое адаптивное формирование двухцветных кольцевых лазерных полей аксиальной симметрии различных с управляемыми радиусами (кольцевых потенциалов с красной и синей расстройкой), и тем самым достигаются вышеуказанные технические результаты.
Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена схема устройства генерации двухцветных лазерных кольцевых полей с двумя монохроматическими лазерными источниками, на фиг. 2 изображена схема устройства генерации двухцветных лазерных кольцевых полей с полихроматическим лазерным источником, на фиг. 3 показана схема экспериментальной адаптивной кольцевой ловушки для диэлектрических микросфер с акустооптическим фильтром пространственных частот на основе парателлурита, на фиг.4 приведены фотографии кольцевых лазерных полей, полученных на различных радиочастотах в экспериментальной оптической ловушке, изображенной на фиг. 2 на частотах 132,40 МГц (слева), 133,00 МГц (в центре) и 133,40 МГц (справа).
На чертежах обозначены: монохроматические лазерные источники 1, 2, оптическая система 3 объединения двух лазерных пучков, телескоп 4, Фурье-линза 5, акустооптический фильтр 6 пространственных частот, генератор 7 радиосигналов, широкополосный усилитель 8, светофильтр 9, поляризатор 11, оптическая Фурье-система 12, измеритель 13 мощности, проекционная оптическая система 14, дихроичное зеркало 15, линза 16, ПЗС камера 17, микрообъектив 18, кювета 19 с водной суспензией микросфер, система 20 освещения, полихроматический лазерный источник 21, зеркала 22, 23, 24, 25.
Способ генерации двухцветных кольцевых лазерных полей с использованием вариантов устройства генерации двухцветных лазерных кольцевых полей реализуется следующим образом.
2
Фильтрация пространственных частот углового спектра лазерного излучения может быть осуществлена при анизотропной акустооптической дифракции в оптически одноосных кристаллах, в частности, в монокристалле парателлурита (TeO), обладающем высоким акустооптическим качеством и широко применяющемся в фотонике. Двумерная передаточная функция акустооптического фильтра 6 пространственных частот определяется фазовым синхронизмом между волновыми векторами акустического поля и волновыми векторами лазерного излучения в акустооптическом кристалле.
При прочих равных условиях пространственный фазовый синхронизм зависит от конструктивного угла между акустической гранью, на которой расположен пьезопреобразователь акустооптического фильтра, и оптической осью кристалла. В монокристаллах парателлурита в диапазоне конструктивных углов фильтра от 5 до 10 градусов она может быть с достаточной степенью точности для практического применения в задачах манипулирования микрообъектами аппроксимирована окружностью.
Радиус окружности дифрагировавшего лазерного поля является функцией акустической частоты (см. фиг. 4) и оптической длины волны. Радиальная ширина передаточной функции, в основном, зависит от длины акустооптического взаимодействия (длины пьезопреобразователя). Дифракция двух монохроматических лазерных пучков с разными длинами волн происходит на разных акустических частотах одновременно и независимо. При этом сохраняется взаимная аксиальная симметрия кольцевых лазерных полей. Если кольцевое лазерное поле коротковолновой линии имеет больший радиус, чем длинноволновой, такая ловушка позволяет более эффективно локализовывать атомы на оси пучка благодаря одновременному отталкивающему действию излучения с синей расстройкой и притягивающему действию излучения с красной расстройкой.
Существует принципиальное отличие между функциональными особенностями акустооптического фильтра 6 пространственных частот и функциональными особенностями акустооптических дефлекторов, получивших широкое распространение в технике оптических пинцетов и ловушек. Система с акустооптическим фильтром пространственных частот позволяет формировать кольцевые лазерные поля с быстродействием, более чем на 2 порядка превышающим быстродействие систем с дефлекторами.
Причина заключается в том, что акустооптический фильтр пространственных частот осуществляет параллельную (одновременную) обработку углового спектра лазерного излучения за время пробега акустического фронта через лазерный пучок, типичная величина которой менее 10 мк, в то время как акустооптический дефлектор осуществляет не параллельную, а последовательную обработку (угловое перемещение) лазерного излучения от точки к точке с тем же временем переключения 10 мкс. При формировании лазерного кольца дефлектором из нескольких сотен точек процесс формирования кольца завершится за время порядка нескольких миллисекунд. Можно в несколько раз уменьшить время полного формирования линейной строки, используя однокоординатный дефлектор в режиме линейного сканирования, но для формирования криволинейного потенциала режим линейного сканирования по каждой координате не возможен.
При работе первого варианта устройства в системе двухцветной оптической ловушки (фиг. 1) излучение двух лазеров 1 и 2 сводится в единый двухцветный пучок, формируемый оптической системой 3, например, дихроичным зеркалом 15, который далее преобразуется Фурье-линзой 5 в двухцветный конический пучок с широким угловым спектром.
Данный пучок поступает на акустооптический фильтр 6 пространственных частот. На радиочастотный вход акустооптического фильтра 6 от генератора 7 радиосигналов и усилителя 8 поступают две радиочастоты, которые возбуждают в акустооптическом фильтре 6 бегущие акустические волны. Значения радиочастот и взаимная ориентация волновых фронтов единого двухцветного лазерного пучка и волновых фронтов акустических волн в фильтре выбраны так, что обеспечивается выполнение условия фазового синхронизма для одновременной анизотропной дифракции двухцветных лазерных пучков на разных радиочастотах.
Пространственная спектральная функция акустооптического фильтра 6 имеет форму кольца для каждой из длин волн и фильтр осуществляет параллельную спектральную обработку конического пространственного спектра двухцветного лазерного излучения. Радиусы колец каждой из монохроматических компонент двухцветного лазерного излучения определяются значениями радиочастот генератора 7 и допускают перестройку независимо, одновременно и с сохранением фазового синхронизма между частотами акустических волн и частотами двухцветного лазерного поля, что обеспечивает акустооптическое взаимодействие при перестройке соответствующих радиочастот генератора 7 в заданной полосе частот.
Лазерный пучок нулевого порядка имеет поляризацию ортогональную поляризации дифрагировавшего пучка и отсекается поляризатором 11, дифрагировавшие аксиально-симметричные лазерные кольцевые поля с ортогональной поляризацией после поляризатора поступают на оптическую Фурье-систему 12, которая преобразует пучок с кольцевым угловым спектром в полый лазерных пучок. Эффективное фокусное расстояние Фурье-системы 12 определяет масштаб получаемого кольцевого распределения интенсивности лазерного поля в области манипуляции холодными атомами или иными микрообъектами.
При работе второго варианта устройства (фиг. 2) источником полихроматического излучения является один лазерный источник 21. Таким источником может служить многочастотный лазер, например, аргоновый или ксеноновый газовый лазер или жидкостный лазер на красителях, излучающий одновременно несколько длин волн. Полихроматическим источником также может служить фемтосекундный лазер, излучающий в широком спектре длин волн.
Излучение полихроматического лазера 21 проходит через светофильтр 25, выделяющий из всего спектра две длины волны. Таким фильтром может служить, например, многополосный интерференционный фильтр, эталон Фабри-Перо или перестраиваемый акустооптический фильтр.
Принцип изобретения проверен экспериментально. На Фиг. 3 показана схема экспериментальной адаптивной кольцевой ловушки для диэлектрических микросфер с акустооптическим фильтром пространственных частот.
Акустооптический фильтр пространственных частот 6 формирует кольцевое лазерное поле из сходящегося (конического) лазерного пучка. Диаметр и пространственный спектр дифрагировавшего лазерного пучка определяются частотой управляющего фильтром радиосигнала. Дифрагировавшее кольцевое лазерное поле преобразуется проекционной оптической системой 14 и переносится в заднюю фокальную плоскость микрообъектива 18. Дихроичное зеркало 15 служит для визуализации захвата кольцевым потенциалом микросфер из полистирола диаметром 10 мкм, находящихся в водной суспензии в кювете 19, расположенной в фокальной плоскости микрообъектива 18.
Оптическая система адаптивной кольцевой ловушки состоит из Nd:YAG лазера 1 с длиной волны излучения 532 нм (Coherent Verdi-V5), телескопа 4, фокусирующей Фурье-линзы 5 (Schneider-Kreuznach Xenoplan Compact 1,4/23), оригинального акустооптического фильтра 6 пространственных частот, разработанного и изготовленного в НИТУ «МИСиС», оптической проекционной системы 14 (Schneider-Kreuznach Xenoplan Compact 1,4/35), тонкопленочного поляризатора 11 (Thorlabs LPVISC100), отсекающего нулевой порядок дифракции, дихроичного зеркала 15 (Semrock LP02-488RU), микрообъектива 18 (Nikon Plan Аро λ 40×/0.95), кюветы 19 с водной суспензией диэлектрических микросфер.
Оптическая проекционная система 14 и микрообъектив 18 вместе образуют оптическую Фурье-систему 12. Масштаб кольцевого поля определяется фокусным расстоянием микрообъектива 18 и коэффициентом увеличения проекционной системы 14. Телескоп 4 был использован для согласования диаметра пучка, излучаемого лазером 1, с фокусным расстоянием Фурье-линзы 5 и угловой апертурой акустооптического фильтра 6 пространственных частот.
2
В экспериментах диаметр кольцевого поля менялся от 30 до 80 мкм. Визуализация захвата ансамбля микросфер выполнена по методу Кёллера на длине волны 460 нм с использованием светодиодного источника и ПЗС-камеры 17 с линзой 16. Акустооптический неколлинеарный фильтр 6 пространственных частот, на основе анизотропной дифракции, разработан и изготовлен на основе монокристалла парателлурита (ТеО) авторами изобретения в НИТУ «МИСиС». Частота фазового синхронизма для лазерной длины волны 532 нм составляет 132.35 МГц, при этом максимальная эффективность дифракции составляет 96% при управляющей ВЧ мощности 1 Вт.
Система управления акустооптическим фильтром 6 пространственных частот состоит из программируемого генератора 7 радиосигналов произвольной формы (Keysight Technologies N8241A), широкополосного усилителя 8 (Amplifier Research 10W1000C) и измерителя мощности 13 с направленным ответвителем (Rohde&Schwarz NRT-Z14).
На Фиг. 4 показаны фотографии измеренных распределений интенсивности кольцевых лазерных полей, полученные на различных радиочастотах: 132,40, 133,00 и 133,40 МГц с помощью экспериментальной системы, изображенной на Фиг. 3, которые демонстрируют увеличение радиуса кольца при увеличении частоты радиосигнала.