УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ СПИРАЛЬНОГО СВЕТОВОГО ПУЧКА

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к демонстрационным установкам, в частности, к устройству для визуализации спирального светового пучка.
Уровень техники
В уровне техники известны различные демонстрационные устройства, позволяющие визуализировать свойства световых пучков, такие как дифракция, интерференция, преломление, отражение, прямолинейное распространение и т.п.
Например, из патента РФ №2154307 (опубл. 10.08.2000) известен учебный оптический интерферометр, содержащий источник света, две диафрагмы, линзу, подвижный диффузор, а также зеркало и плоскопараллельную пластину, играющие роль экрана. Это устройство имеет ограниченные возможности, так как позволяет наблюдать только интерференционную картину в виде системы интерференционных от двух перекрывающихся световых пучков.
Известен также учебный прибор для демонстрации волновой оптики по патенту РФ №2226005 (опубл. 20.03.2004), содержащий основание, на котором закреплены источник света, светофильтр, диафрагма и набор оптических элементов. Этот прибор позволяет проводить опыты не только по интерференции света с различными оптическими элементами, но также дифракцию расходящегося и параллельного пучка света при различных условиях. Однако демонстрационные возможности этого прибора все же недостаточны, поскольку не позволяют визуализировать основные свойства относительно нового и практически значимого класса световых пучков, а именно спиральных пучков света.
Из существующего уровня техники известны оптические схемы, позволяющие восстановить структурно-устойчивое распределение когерентного светового поля (спирального пучка) в заданной плоскости. В частности, известна схема с амплитудно-фазовой маской, включающая лазер, расширитель пучка, амплитудно-фазовый элемент в виде амплитудной маски, изготовленной на фотоплоттере (с разрешением 1024×1024 и размером 10×10 мм) и фазовой маски, изготовленной на бихромированной желатине (БХЖ), и формирующий заданное амплитудно-фазовое распределение, и линза, выполняющая фокусировку +1, 0, -1 порядков дифракции в плоскости +1, 0, -1. (Е. Абрамочкин, В. Волостников. Успехи физических наук, 2004, т. 174, №12, стр. 1273-1300). При изготовлении фазовой маски на заданное фазовое распределение накладывалась квадратичная фазовая добавка с определенной кривизной волнового фронта для повышения энергетической эффективности фазового элемента, изготовленного на основе БХЖ.
Известно также использование пространственных модуляторов света (ПМС) в схемах формирования спиральных пучков. Например, известна схема (Зинчик А.А. Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2015, т. 15. №5, с. 817-823), где для формирования спирального пучка используются амплитудный и фазовый жидкокристаллические (ЖК) модуляторы. Преимуществом такой схемы является возможность динамического изменения амплитудного и фазового распределений. Однако метод дорогостоящ, сложен в эксплуатации, недостаточно эффективен, что делает невозможным использование данной схемы в качестве демонстрационной установки, в особенности для одного из наиболее интересных видов спиральных пучков - с распределением поперечной интенсивности в виде замкнутых линий.
Спиральные пучки, поперечное распределение интенсивности светового поля которых имеет вид замкнутой кривой (а именно, контура квадрата) могут формироваться с использованием ПМС. Например, в одном исследовании (A. Jesacher, et al, Opt. Express, 16, 4479-4486, 2008) необходимое распределение интенсивности формировалось с помощью одного ПМС, в котором последовательно использовались рассчитанные заранее голограммы с распределением амплитуды и фазы. Данная схема сложна и не нацелена на демонстрацию свойств спиральных пучков света.
Наиболее близким аналогом настоящей полезной модели является оптическая схема, состоящая из лазера, коллиматора, пространственного модулятора света, на котором формировалась фазовое распределение рассчитанной на компьютере голограммы, формирующей спиральный пучок, и камеры ПЗС (прибор с зарядовой связью) (К.Н. Афанасьев, С.А. Кишкин, Известия Самарского центра РАН, 2012, т. 14, №4, с. 184-188). Такая схема, реализующая так называемый голографический метод формирования спиральных пучков, при сравнимой энергетической эффективности проще в реализации и позволяет получить спиральные пучки лучшего качества по сравнению со схемой с использованием рассмотренных выше амплитудно-фазовых масок на бихромированной желатине. Недостатками такой схемы является ее дороговизна (за счет использования дорогостоящего элемента - пространственного модулятора света), недостаточная компактность установки, а также невозможность наблюдать невооруженным глазом на экране одно из фундаментальных свойств спиральных пучков - сохранение его структурной устойчивости при распространении и фокусировке с точностью до масштаба и поворота.
Раскрытие полезной модели
Задачей, на решение которой направлена данная полезная модель, является создание устройства, позволяющего получить визуализацию основного свойства спиральных пучков - сохранение его структурной устойчивости при распространении и фокусировке с точностью до поворота и масштаба. При этом достигается технический результат как в виде расширения арсенала технических средств, так и в получении более компактной установки.
Для решения этой задачи и достижения указанного технического решения предложено устройство для визуализации спирального светового пучка, содержащее лазер с излучением видимого диапазона и установленные последовательно на оптическом рельсе по направлению распространения излучения упомянутого лазера коллиматор, первую диафрагму, голографический оптический элемент, фокусирующий объектив, вторую диафрагму, подвижный объектив и экран, при этом расстояния между упомянутыми голографическим оптическим элементом, фокусирующим объективом и подвижным объективом, а также фокусные расстояния обоих объективов выбраны так, чтобы обеспечить демонстрацию на упомянутом экране поворота и масштабирования поперечного распределения интенсивности упомянутого спирального пучка при перемещении упомянутого подвижного объектива вдоль упомянутого направления распространения излучения.
Особенностью полезной модели является то, что голографический оптический элемент может быть выполнен либо на слоях бихромированной желатины, на которой записано заданное фазовое распределение и фазовый профиль линзы, фокусное расстояние которой выбрано для обеспечения упомянутой демонстрации, либо в виде пространственного модулятора света, работающего в режиме пропускания.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 представлена условная оптическая схема устройства полезной модели.
На Фиг. 2 и 3 показаны примеры фазовых распределений голограммы спирального пучка, соответственно, с линзой и без линзы.
На Фиг. 4 и 5 приведены примеры изменения поперечного распределение интенсивности спирального пучка в форме треугольника при перемещении подвижного объектива с различным увеличением.
Подробное описание вариантов осуществления
На Фиг. 1 представлена оптическая схема устройства для визуализации спирального светового пучка, которая содержит лазер 1 с излучением видимого диапазона, коллиматор 2, первую диафрагму 3, голографический оптический элемент 4, фокусирующий объектив 5, вторую диафрагму 6, подвижный объектив 7 и экран 8. Элементы 2-8 установлены на оптическом рельсе (не показано), что позволяет четко фиксировать все оптические элементы по высоте, закрепляя их на новом месте так, чтобы не было никаких отклонений в поперечном направлении. Расположение оптических элементов 2-8 на оптическом рельсе позволяет плавно перемещать подвижный объектив 7, что необходимо для демонстрации свойств спиральных световых пучков.
Лазер 1 с излучением видимого диапазона обеспечивает визуализацию без необходимости в специальных преобразователях либо фотопластинках и т.п. Коллиматор 2, состоящий, к примеру, из микрообъектива и линзы, расположенных конфокально, предназначен для формирования из лазерного излучения, распространяющегося параллельно оптической оси, расширенного светового пучка. Первая диафрагма 3 служит для выделения светового пучка заданного поперечного сечения, необходимого для освещения следом стоящего голографического оптического элемента 4, в фокальной плоскости которого установлен фокусирующий объектив 5. Вторая диафрагма 6 обеспечивает выделение первого порядка дифракции. Подвижный объектив 7 предназначен для визуализации спирального светового пучка на экране 8 и для демонстрации его свойств.
В случае выполнения голографического оптического элемента 4 на слоях бихромированной желатины на этих слоях записывают заданное фазовое распределение и фазовый профиль линзы, фокусное расстояние которой выбрано для обеспечения демонстрации спирального светового пучка. Запись фазового распределения голограммы спирального светового пучка с вписанной в это распределение линзой и без нее можно выполнять способом, описанным в авторском свидетельстве СССР №1730606 (опубл. 30.04.1992). Конкретное фазовое распределение голограммы спирального светового пучка рассчитывают на компьютере. Для иллюстрации использованы фазовые распределения для формирования спиральных пучков с поперечным распределением интенсивности в виде замкнутых контуров, поскольку возможность формирования подобных распределений является одной из отличительных особенностей спиральных пучков света. В качестве примеров рассмотрены распределения интенсивности в виде границы треугольника.
2
На практике использовался поэтапный перенос полученного распределения на фотопленку с помощью фотоплоттера (разрешение 1024×1024 элементов, размер 10×10 мм), затем проявленный фотошаблон использовался для изготовления фазового элемента на слоях бихромированной желатины (БХЖ), полученных на основе топографических фотопластинок ПФГ-03. Фокусное расстояние вписанной линзы определяло качество сформированного спирального пучка и расстояния, эффективные для его визуализации. В нашем случае это фокусное расстояние составляло величину 60 см.
Примеры рассчитанных фазовых распределений без линзы и с линзой представлены на Фиг. 3 и 2 соответственно.
В случае, если в качестве голографического оптического элемента 4 используется пространственный модулятор света, работающий на пропускание, линзу можно не записывать (использовать фазовое распределение пример, которого представлен на Фиг. 2), поскольку пространственный модулятор света обеспечивает достаточное качество формируемого пучка.
Лазерное излучение с выхода лазера 1, распространяющегося параллельно его оптической оси, после коллиматора 2 и первой диафрагмы 3 попадает на голографический оптический элемент 4. Пройдя через него, когерентный свет приобретает новые свойства, характерные для вихревых световых полей.
За голографическим оптическим элементом 4 помещается фокусирующий объектив 5 для обеспечения приемлемого размера выходного изображения. За этим фокусирующим объективом 5 установлен подвижный объектив 7, который может перемещаться вблизи перетяжки светового пучка для обеспечения визуализации вращения и масштабирования поперечного распределения интенсивности спирального пучка на экране 8. Вторая диафрагма 6 между фокусирующим объективом 5 и подвижным объективом 7 используется для выделения первого порядка дифракции.
При перемещении подвижного объектива 7 вдоль оптической оси светового пучка на экране 8 наблюдается поворот и масштабирование поперечного распределения интенсивности спирального пучка. Это иллюстрируется на Фиг. 4 и 5, на которых приведены примеры изменения поперечного распределение интенсивности спирального пучка в форме треугольника. Данные результаты получены на экспериментальном стенде устройства для визуализации основных свойств спиральных световых пучков. На Фиг. 4 приведены результаты для фокусирующего объектива 5, имеющего фокусное расстояние 8,5 см, и для подвижного объектива с увеличением 40×. Для наблюдения распределения интенсивности спирального пучка подвижный объектив 7 перемещали на расстояние 0,8 см с шагом в 0,1 см. Размеры пучка на экране 8 при размещении подвижного объектива 7 в области фокусировки и при сдвигах от области фокусировки, а также расстояния, на которых можно наблюдать поворот распределения интенсивности излучения на 90°, определяются фокусным расстоянием линзы, вписанной в фазовое распределение голограммы голографического оптического элемента 4, фокусным расстоянием фокусирующего объектива 5 и увеличением подвижного объектива 7. Минимальный размер стороны треугольника наблюдается при размещении подвижного объектива 7 в области фокусировки и составляет 0,6 см. При сдвиге подвижного объектива 7 от этого положения размеры пучка увеличиваются, в частности при сдвиге подвижного объектива на 0,4 см от области фокусировки длина стороны треугольника достигла 2,5 см.
Для сравнения на Фиг. 5 приводятся результаты для подвижного объектива 7 с увеличением 90×. В этом случае длина стороны треугольника на экране 8 составила 0,7 см при размещении подвижного объектива 7 в области фокусировки и 4,5 см при сдвиге на 0,4 см от этого положения. При этом можно видеть, что качество изображения существенно понизилось по сравнению со случаем использования подвижного объектива 7 с увеличением 40×.
Таким образом, с помощью компактной установки (общая длина не превышает 1 м) можно формировать на экране 8 распределения интенсивности размерами не менее 0,5 см которые увеличиваются и поворачиваются при сдвиге подвижного объектива 7 от начального положения, и таким образом визуализировать основное свойство спиральных пучков сохранять устойчивость структуры при распространении и фокусировке с точностью до масштаба и поворота. Данная установка в дальнейшем может применяться как устройство, доказывающее подлинность защитной голограммы.