ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОЛЯРИЗАЦИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
LASER RADIATION POLARISATION CONVERTER

Изобретение относится к области лазерной оптики, а именно к внерезонаторному преобразованию когерентного излучения, и может быть использовано для преобразования линейно-поляризованного излучения в излучение с пространственно-неоднородной поляризацией, в том числе радиальной и азимутальной поляризациями.
Известны преобразователи поляризации лазерного излучения (см. патенты РФ №2175450, МПК G02B 5/30, опубл. 2000.01.12, №2087020, МПК G02B 27/28, G02B 27/44 опубл. 1997.08.10) на основе субволновых дифракционных решеток для преобразования круговой поляризации в радиальную или азимутальную, а также линейной поляризации в круговую.
Такие устройства не могут быть использованы для непосредственного преобразования линейно-поляризованного излучения в излучение с пространственно-неоднородной поляризацией, в том числе радиальной и азимутальной. Кроме того, реализация субволнового микрорельефа для видимого диапазона длин волн является технологически весьма сложной задачей.
Известны также устройства (S.С.Tidwell, D.H.Ford and W.D.Kimura, "Generating radially polarized beams interferometrically," Applied Optics, 29, 2234-2239 (1990), Nicolas Passilly, Renaud de Saint Denis and Kamel Aït-Ameur, Francois Treussart, Rolland Hierle and Jean-Francois Roch, Simple interferometric technique for generation of a radially polarized light beam, J. Opt. Soc. Am. A 22(5) 984-991 (2005)), основанные на когерентной суперпозиции пары лазерных мод с помощью интерферометра, содержащие источник светового излучения одной моды, преобразователь излучения во вторую моду, взаимно когерентную с исходной, но с другой поляризацией, и собственно интерферометр для сложения мод.
Основным недостатком такого устройства является сложность оптической системы. Первую моду получают, как правило, внутрирезонаторным способом. Схема получения второй моды, взаимно когерентной с исходной, но с другой поляризацией, содержит несколько оптических элементов и довольно сложна в настройке. К тому же оптическая система должна содержать элемент для введения регулируемого фазового сдвига между модами.
Наиболее близко по сущности к заявляемому устройство для универсальной генерации и конверсии поляризационно-неоднородного лазерного излучения с использованием ДОЭ (см. Карпеев С.В., Хонина С.Н. Оптическая схема для универсальной генерации и конверсии поляризационно-неоднородного лазерного излучения с использованием ДОЭ. // Компьютерная оптика, т.33 №3, с.261-268). Оно содержит последовательно расположенные и оптически связанные между собой: общий источник оптического излучения; генератор двух пространственно разнесенных мод с необходимыми поляризациями; оптическую систему суммирования мод. Оптическая система суммирования мод выполнена в виде двухкаскадного оптического Фурье-процессора с дифракционной решеткой в качестве фильтра в частотной плоскости.
Такое устройство обеспечивает когерентную суперпозицию пары лазерных мод, имеющую пространственно-неоднородную поляризацию, в том числе радиальную или азимутальную, в зависимости от межмодового фазового сдвига. Однако устройство имеет большие габариты и вес за счет наличия двух оптических Фурье-каскадов, причем фокусные расстояния линз, расстояние между суммируемыми модами и период дифракционной решетки должны быть точно согласованы между собой. Наличие двух линз усложняет настройку устройства и приводит к дополнительным потерям световой энергии.
В основу изобретения поставлена задача уменьшения габаритов, веса, числа согласуемых параметров, а также упрощение настройки и снижение потерь световой энергии.
Данная задача решается за счет того, что в устройстве, содержащем последовательно расположенные и оптически связанные между собой: общий источник оптического излучения; генератор двух пространственно разнесенных мод с необходимыми поляризациями и оптическую систему суммирования мод, согласно изобретению, генератор двух пространственно разнесенных мод с необходимыми поляризациями выполнен на основе цифровых голограмм, формирующих пучки мод под одинаковыми по модулю, но противоположными по знаку углами к оптической оси, а оптическая система суммирования мод выполнена в виде дифракционной решетки с таким же углом дифракции первого порядка, как и у пучков мод.
На чертеже представлен общий вид устройства.
Устройство содержит общий источник оптического излучения 1 с линейной поляризацией, оптически связанные с ним цифровые голограммы 2 и 3. Для поворота плоскости поляризации одной из формируемых мод служит оптически связанная с одной из голограмм пластинка в полволны 4. Дифракционная решетка 5 расположена в плоскости, проходящей через точку пересечения оптических осей сформированных мод. Период решетки выбирается таким, что углы дифракции первого порядка на дифракционной решетке равны углам падения на нее сформированных мод. Принцип действия устройства основан на инвариантности гауссовых поперечных мод к распространению в свободном пространстве с точностью до масштаба. Цифровые голограммы 2 и 3 расположены на равных расстояниях от дифракционной решетки 5, и, таким образом, моды имеют одинаковый масштаб в этой плоскости. Данные расстояния весьма малы по сравнению с конфокальным параметром мод, поэтому можно также пренебречь кривизной волновых фронтов мод.
Работает устройство следующим образом: общий источник оптического излучения 1 с линейной поляризацией освещает цифровые голограммы 2 и 3, причем плоскости поляризации излучения формируемых мод получаются взаимно ортогональными за счет пластинки в полволны 4. Оптические оси сформированных мод имеют равные по модулю, но противоположные по знаку углы наклона к плоскости волнового фронта источника излучения 1. Моды, сформированные при помощи цифровых голограмм 2 и 3, падают на дифракционную решетку 5, расположенную в плоскости, проходящей через точку пересечения оптических осей сформированных мод. Излучение каждой из мод, прошедшее дифракционную решетку, разделяется на дифракционные порядки, причем за счет выбора периода дифракционной решетки угол распространения +1 дифракционного порядка одной моды равен углу распространения -1 порядка для другой моды. Таким образом, обеспечивается точное совмещение мод как по пространственному положению за счет помещения решетки в плоскость, проходящую через точку пересечения оптических осей мод, так и по углу за счет выбора периода дифракционной решетки. Изменение межмодового фазового сдвига в устройстве осуществляется за счет сдвига дифракционной решетки поперек оптической оси.
Как следует из описания предлагаемого изобретения, в оптической системе суммирования мод по сравнению с прототипом отсутствуют линзовые Фурье-каскады, что существенно уменьшает габариты, вес устройства и потери световой энергии. Кроме того, вследствие отсутствия линз из числа согласуемых параметров исключаются их фокусные расстояния. Положительный эффект при этом достигается за счет того, что как цифровые голограммы, так и дифракционная решетка изготовляются, как правило, в одном технологическом цикле, и достижение точного соответствия их параметров не представляет сложности.