СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОНВЕРТЕРА ПОЛЯРИЗАЦИИ
METHOD OF OBTAINING POLARIZATION CONVERTER

Изобретение относится к области оптического материаловедения, в частности к способу получения конвертера поляризации лазерного излучения на основе многокомпонентного оксидного стекла, и может быть использовано для преобразования поляризации лазерного излучения.
Световые пучки с радиальной и азимутальной поляризацией представляют значительный интерес во многих областях науки и техники благодаря их уникальным оптическим свойствам, связанным с симметрией поляризации. Фокусировка таких пучков позволяет преодолевать дифракционный предел и избегать нежелательной анизотропии свойств, неизбежной при использовании линейно поляризованного света. Световые пучки с радиальной и азимутальной поляризацией могут найти свое применение для ускорения электронов [S.G. Bochkarev "Vacuum electron acceleration by a tightly focused, radially polarized, relativistically strong laser pulse" Plasma Physics Reports v. 37, 603, 2011].
Известно несколько методов получения пространственно-модулируемого света, включая контроль двулучепреломления с помощью жидких кристаллов [Zhizhong, Zhuang, et al. "Polarization controller using nematic liquid crystals" Optics Letters v. 24, 694, 1999] и селекцию поляризации внутри резонатора лазера [Ram Oron "The formation of laser beams with pure azimuthal or radial polarization" Applied Physics Letters v. 77, 3322, 2000], однако жидкие кристаллы имеют низкий порог разрушения, что существенно ограничивает область их применения. Показана также возможность управления поляризацией с помощью субдлинноволновых периодических решеток, обладающих двулучепреломлением [Ze'ev Bomzon "Formation of radially and azimuthally polarized light using space-variant subwavelength metal stripe gratings" Applied Physics Letters v. 79, 1587, 2001]. Пространственно-модулируемая фаза, получаемая такими конвертерами, может создавать поляризационные вихри - свет с орбитальным угловым моментом, знак которого зависит от того, в какую сторону закручена круговая поляризация падающего света. Традиционным методом получения подобных решеток является фотолитография, которая, однако, имеет ограничения, связанные с пространственным разрешением, которые не позволяют получать решетки для управления поляризацией в дальнем ИК диапазоне спектра.
Известен конвертер поляризации на базе матрицы полуволновых пластин [патент ЕР 0764858], который преобразует падающий свет с линейной поляризацией в свет с радиальной поляризацией. Конвертер поляризации представляет собой матрицу полуволновых пластин, расположенных таким образом, что каждая пластина поворачивает поляризацию падающего пучка так, что на выходе получается радиально поляризованный свет.
Известен конвертер поляризации, основанный на использовании механического или термического воздействия на оптический элемент конвертера [US 2007115551]. Данное устройство позволяет преобразовывать однородно поляризованный свет в пространственно неоднородно поляризованный свет, ориентация быстрой оси которого плавно и непрерывно меняется в плоскости, перпендикулярной распространению света. Действие конвертера основано на двулучепреломлении, возникающем из-за напряжений в результате механического или термического воздействия. Конвертер представляет собой оптически прозрачное окно, заключенное в оправу. Таким образом, механически сжимая оправу, можно навести двулучепреломление, величина которого будет зависеть от силы, прикладываемой к оправе. С другой стороны, термическое воздействие на оправу, например нагревание, также приводит к двулучепреломлению стекла за счет расширения материала оправы и, как следствие, давления на стекло. Применение подобной системы позволяет получать радиально и азимутально поляризованные световые волны из линейно поляризованного света, проходящего через конвертер поляризации.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения конвертера поляризации [US 20140153097 05.06.2014 G02B 5/30], состоящий в получении конвертера поляризации для конвертирования падающего светового пучка с линейной или циркулярной поляризацией в выходной пучок с радиальной или азимутальной поляризацией. В основе конвертера лежат двулучепреломляющие структуры. Способ получения конвертера состоит в модифицировании кварцевого стекла сфокусированным пучком фемтосекундного лазера, которое приводит к образованию периодический наноструктур, называемых «нанорешетками». Нанорешетки обладают анизотропными свойствами, их двулучепреломление зависит от параметров лазерного пучка. При прохождении через нанорешетку луч света разделяется на дву взаимно ортогонально-поляризованные компоненты - обыкновенную и необыкновенную, между которыми возникает фазовый сдвиг, выражаемый в нм. Нанорешетка имеет «медленную» ось, т.е. направление, вдоль которого показатель преломления для необыкновенного луча максимален. В работах [Shimotsuma, Yasuhio, et al. "Self-organized nanogratings in glass irradiated by ultrashort light pulses." Physical review letters 91.24 (2003): 247405, Beresna, Martynas, et al. "Exciton mediated self-organization in glass driven by ultrashort light pulses." Applied Physics Letters 101.5 (2012): 053120.] отмечено, что ориентация «медленной» оси пита перпендикулярна плоскости поляризации пучка лазера, т.е. двулучепреломление является поляризационно-зависимым. Также установлено, что фазовый сдвиг пита можно повысить путем увеличения количества или энергии лазерных импульсов. За счет возникновения фазового сдвига между "обыкновенной" и "необыкновенной" волнами, поляризация прошедшего через нанорешетку света меняется. Таким образом, контролируя величину фазового сдвига, можно управлять поляризацией света.
Указанный прототип изобретения обладает рядом достоинств. Использование кварцевого стекла в качестве среды для записи конвертера позволяет получать стабильное преобразование поляризации падающего излучения. За счет полосы пропускания в широкой области спектра, свет при прохождении через такой конвертер практически не претерпевает потерь, связанных с собственным поглощением стекла. Также за счет высокой термической стабильности, кварцевое стекло почти не расширяется в широком интервале температур, что могло бы негативно сказаться на качестве получаемой на выходе из конвертера поляризации.
В то же время использование кварцевого стекла имеет существенные недостатки. Производство кварцевого стекла является более дорогостоящим и технически сложным по сравнению с производством многокомпонентных стекол силикатной и боросиликатной систем, так как синтез проводится при температурах более 2000°C при использовании специального дорогостоящего оборудования, а также в силу сложности механической обработки готового стекла: шлифовки и полировки. Температура стеклования многокомпонентных стекол боросиликатной системы лежит в диапазоне 700-800°C, что также обеспечивает термическую стабильность в широком интервале температур и другие эксплуатационные характеристики. Также необходимо отметить, что в силу особенностей технологии получения кварцевого стекла, его высокой вязкости, отдельную проблему представляет достижение однородности стекла в частности, минимизация флуктуаций плотности материала по объему стекла, которая является критически важным параметром для получения хорошо воспроизводимого фазового сдвига в нанорешетках, то есть предельно малого разброса данной величины. Так стандартное отклонение от средней величины фазового сдвига в нанорешетках, записанных в кварцевом стекле, составляет 20-25 нм. В то же время, за счет более низких значений вязкости при синтез алюмоборосиликатных стекол оказывается возможным применение различных технологических приемов, направленных на интенсифицирование процессов гомогенизации и осветления расплава: использование различных осветлителей платиновых или кварцевых мешалок и пр. Благодаря этому, удается минимизировать колебания плотности по объему материала с гораздо меньшими энергозатратами, что приводит к снижению разброса величины фазового сдвига нанорешеток и, как следствие, получения более качественной и чистой поляризации света, прошедшего через конвертер.
Задачей настоящего изобретения является удешевление и упрощение процесса изготовления конвертера, а также улучшение его эксплуатационных характеристик за счет уменьшения стандартного отклонения от средней величины фазового сдвига нанорешетки.
2
2
3
2
3
Поставленная задача решается способом получения конвертера поляризации, включающего обработку сфокусированным лазерным пучком оксидного стекла, при этом проводят варку стекла при температурах от 1650 до 1700°C с получением оксидного стекла состава, в мол.%: SiO от 55 до 65, AlO от 15 до 20, BO от 5 до 10, СаО от 5 до 10, MgO от 5 до 10.
Для записи конвертера в объеме боросиликатного стекла применялась установка (Фиг. 1) на основе фемтосекундного лазера (1) с рабочей длиной волны 1030 нм. Лазерные импульсы длительностью 600 фс и энергией 0,75 мкДж фокусировались в объем стекла (образец) (5) объективом (3) с числовой апертурой 0,16 на глубину 100 мкм. Предварительно свет проходил через фазовую пластину λ/2 (2), угол поворота которой определяет ориентацию линейной поляризации лазерного пучка. Конвертер кольцевидной формы записывался по спирали от центра к периферии, скорость перемещения образца составила 1 мкм/с. Перемещение образца стекла осуществлялось с помощью моторизованного трехкоординатного стола (5). При лазерном воздействии на боросиликатное стекло образовывались линии, обладающие поляризационно-зависимым двулучепреломлением. Для регистрации фазового сдвига и ориентации «медленной» оси двулучепреломляющих питов применялась система Abrio Microbirefringence [Retardance measurement system and method US 7372567 B2] на базе оптического поляризационного микроскопа Olympus ВХ51.
Достижение заявляемого технического результата подтверждается следующими примерами.
Пример 1
2
3
2
3
2
Получено многокомпонентное алюмоборосиликатное стекло состава 5MgO-5CaO-10BO-15AlO-65SiO, варка которого проводилась в электрической печи при температуре 1700°C. Далее на глубине 100 мкм сфокусированными фемтосекундными лазерными импульсами длительностью 600 фс с частотой повторения 200 кГц и энергией 0,75 мкДж записана пространственно-модулирующая четверть волновая пластина диаметром 100 мкм, позволяющая преобразовывать падающий свет с линейной поляризацией в свет с радиальной поляризацией (Рис. 2). Средний фазовый сдвиг записанных нанорешеток составил 205 нм, стандартное отклонение 10 нм.
Пример 2
2
3
2
3
2
Получено многокомпонентное алюмоборосиликатное стекло состава 10MgO-10CaO-5BO-20AlO-55SiO, варка которого проводилась в электрической печи при температуре 1650°C. Далее на глубине 100 мкм сфокусированными фемтосекундными лазерными импульсами длительностью 600 фс с частотой повторения 200 кГц и энергией 0,75 мкДж записан пространственно-модулирующая четверть волновая пластина диаметром 100 мкм, позволяющая преобразовывать падающий свет с линейной поляризацией в свет с радиальной поляризацией (Рис. 2). Средний фазовый сдвиг записанных нанорешеток составил 201 нм, стандартное отклонение 13 нм.
Выводы
Как видно из приведенных выше примеров, следует, что использование приведенного состава позволяет значительно упростить технологический процесс изготовления материала конвертера за счет снижения температур синтеза (варки), которые в случае материала прототипа выше 2000°C, а для материала предлагаемого в данном патенте составляет 1650-1700°C. Применение оптических методов стекловарения позволило снизить величину стандартного отклонения величины фазового сдвига от среднего значения в два раза по сравнению с кварцевым стеклом, таким образом значительно улучшив качество поляризации света, прошедшего через конвертер.