УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ АЗИМУТАЛЬНО И РАДИАЛЬНО ПОЛЯРИЗОВАННЫХ ПУЧКОВ СВЕТА

Полезная модель относится к поляризационной оптике и кристаллооптике и может быть использовано в устройствах захвата, микроскопии, спектроскопии, обработке материалов, литографии, поскольку радиально и азимутально поляризованные лазерные пучки способны создавать крайне узкую зону фокуса и формировать электрическое поле только с продольной компонентой при жесткой фокусировке.
В качестве прототипа выбрано устройство (Воляр А.В. Фокусировка сингулярных пучков/ А.В. Воляр, Т.А. Фадеева // Оптика и спектроскопия. - 2004. - Т.96, №1. - С. 108-118).
Устройство состоит из лазера, расположенного по ходу луча первой линзы, одноосного кристалла, ось которого ориентирована в плоскости распространения луча, второй линзы, расположенной между кристаллом и регистратором, и регистратора.
Недостатком устройства является ограничение функциональных возможностей за счет отсутствия в устройстве блока для наблюдения азимутально и радиально поляризованных пучков.
В основу полезной модели поставлена задача усовершенствовать устройство путем формирования в фокальных плоскостях чистые азимутально и радиально поляризованные пучки, а также обеспечения возможности управлять их положениями.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для формирования радиально и азимутально поляризованных пучков света, включающем лазер, поляризатор, А/4 пластину и две линзы, расположенные по ходу луча, одноосный кристалл, расположенный между линзами, причем ось кристалла совпадает с осью распространения лазерного пучка и регистратор, согласно полезной модели, дополнительно содержит компьютерно-синтезированную голограмму, расположенную между лазером и поляризатором, диафрагму, расположенную между второй линзой и регистратором.
Устройство содержит (чертеж) лазер 1, расположенные по ходу луча компьютерно-синтезированную голограмму 2, поляризатор 3 и А/4 пластину 4, линзу 5, одноосный кристалл 6, вторую линзу 7, диафрагму 8 и регистратор 9.
Устройство позволяет сформировать азимутально и радиально поляризованные пучки с более 90 % эффективностью в различных фокальных плоскостях.
Устройство работает следующим образом.
Свет от лазера 1 проходит последовательно через компьютерно-синтезированную голограмму 2, с помощью которой формируется единично заряженный вихрь, поляризатор 3 и А/4 пластину 4, которые позволяют получить циркулярную поляризацию. Полученный циркулярно-поляризованный пучок фокусируется с помощью линзы 5 в одноосный кристалл 6 при этом ось распространения пучка совпадает с осью кристалла. Поле выходного пучка после кристалла собирается с помощью второй линзы 7 и с помощью диафрагмы 8 вырезается поле либо радиальной моды, если расположить диафрагму в плоскости фокусировки необыкновенного пучка, либо азимутальной моды, если поставить диафрагму в плоскости фокусировки обыкновенного пучка.
Е_={Г
-Г
)ехр(-1ср)^
0
е
Пусть циркулярно-поляризованный сингулярный параксиальный пучок, переносящий единичный оптический вихрь, когда топологический заряд и циркуляция поляризации имеют разные знаки, фокусируется в одноосный кристалл, где он разделяется на два, обыкновенный и необыкновенный, распространяющиеся вдоль оптической оси. Циркулярно-поляризованный пучок внутри кристалла, ось которого ориентирована в плоскости распространения пучка, представляет из себя сумму азимутально и радиально поляризованных пучков.
где
e
o
o
e
2
2
2
Ке
)exp[-ikn,r
/(2q
j[ q
,
= S + f
q<
°*>
2
= (v/<£ /f/ -,
iz/zn     z
= ктсор, /2
n
n
cr = 1 -
щ
параметры   системы, ,     ° -   длина   Рэлея,   -   показатель
°<
-
е
преломления среды после кристалла, показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей,    ° - радиус перетяжки исходного пучка.
°
,w(z)
'
е
v
Каждый из этих пучков характеризуется своей собственной длиной Рэлея   и   различными радиусами кривизны и шириной перетяжки    на выходе из кристалла.
п
На выходе кристалла пучок попадает в среду с показателем преломления и свободно распространяется до плоскости второй линзы 7, расположенной на расстоянии
d
* .
от выходной грани кристалла. Линза 7 имеет фокусное расстояние С помощью линзы пучок фокусируется в фокальной плоскости, при этом положение фокальных плоскостей   азимутально   и   радиально   поляризованных   пучков   определяется  рядом
е
параметров: показателями преломления °'  кристалла, толщиной кристалла z, расстоянием линзы от выходной грани кристалла d, показателем преломления среды после кристалла п и фокусным расстоянием линзы 7 f. Изменение этих параметров влияет на положение фокальных плоскостей.
Расстояние плоскости фокусировки азимутально поляризованного модового пучка от линзы определяется следующим образом:
L°
=f
f
о "о     J         У" о
И расстояние плоскости фокусировки радиально поляризованного модового пучка от линзы:
Yl     YI
е
-
где °' показателями преломления кристалла, z- толщина кристалла, d -расстояние линзы от выходной грани кристалла, п - показатель преломления среды после
2
е
-
кристалла, f - фокусное расстояние линзы   ,    °, длина Рэлея.
Радиусы перетяжки в фокальной плоскости одного из пучков могут отличаться друг от друга в десятки раз. Это позволяет сформировать в каждой из фокальных плоскостей распределение поляризации, характерное для азимутально и радиально поляризованных пучков. Расстояние между двумя фокусами определяется следующим образом:
Az = If
-L°
f
f
С
помощью диафрагмы 10 вырезается поле радиально поляризованного пучка либо поле азимутально поляризованного пучка.   >
Пример. Устройство имеет следующие параметры: толщина кристалла Z=5 см, фокусное расстояние линзы 7 f=3,8 см, расстояние линзы 7 от выходной грани кристалла
LiNbO3 d=0,8 см, расстояние плоскости фокусировки радиально поляризованного модового пучка от линзы составляет 55 мм для азимутально поляризованного пучка и 57,2 мм для радиально поляризованного пучка.
Для кристалла СаСОз с параметрами устройства Z=5 CM, f=12,5 CM, d=4,2 см, получим расстояние плоскости фокусировки радиально поляризованного модового пучка от линзы составляет 102 см для азимутально поляризованного пучка и 96 см для радиально поляризованного пучка.
Таким образом, управляя характеристиками линзы 7, кристалла и их взаимным расположением, устройство обеспечивает управление положениями фокусами азимутально и радиально поляризованных пучков.
Устройство позволяет сформировать азимутально и радиально поляризованные пучки с более 90 % эффективностью в различных фокальных плоскостях.
Позволяет управлять положениями фокальных плоскостей путем изменения параметров системы.