Устройство для формирования бесселевых пучков электромагнитного излучения в однородной прозрачной среде

(51)5 6 02 В 27/ ЕТЕН ОПИ К АВТОР У СВИДЕТЕЛЬСТ 58, %15,ировася без вобод- едоваочник узкун кране, сстоя-. кусновободнтное попети 1(г),.ервого ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР НИЕ ИЗС)Б(71) Центральное конструкторское бюро уникального приборостроения Научно-технического объединения АН СССР и Инсти-тут высоких температур АН СССР (72) Л.Я,Марголин, В,В,Котляр, Л,Я.,Половский, Л.НЛ 1 ятницкий, И,Н,Сисакян и В,А.Сойфер(56) 1. РЬуз. Яеч, реп., 1987, ч р. 1499.2 ЗОЛА, 1954, ч, 44, М 8, р, 589.1541 УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ БЕССЕЛЕВЫХ ПУЧКОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ОДНОРОДНОЙ ПРОЗРАЧНОЙ СРЕДЕ Изобретение относится к электромаг- нитным, в том числе оптическим, устройствам, основной частью которых является фазовый пространственный фильтр, и может быть использовано для формирования поперечных мод электромагнитных волн свободного пространства с радиальной симметрией, распространяющихся без изменения своей пространственной структуры, Такие пучки электромагнитного излучения могут быть использованы, например, для создания в прозрачных средах протяженных плазменных образований с неизменной вдоль длины поперечной структурой с помощью пробоя в сильных полях, в том числе оптического пробоя по действием мощного лазерного излучения. 2(57) Использование: в качестве фазового пространственного фильтра для формирования поперечных мод электромагнитных волн свободного пространства с радиальной симметрией. Сущность изобретения;. электромагнитное излучение от источника когерентного монохроматического излучения расширяется и коллимируется корректором волнового фронта, далее последовательно направляется на фазовый фильтр с азимутально-линейной функцией комплексного пропускания и на фазовый фильтр с радиально-линейной функцией комплексного пропускания. Расстояние между фильтрами удовлетворяетЯгусловию ( где Я - радиус поперечно 4 Лго сечения пучка излучения, падающего на фильтры; А- длина волны излучения. 1 ил,Известно устройство для форм ния пучков света, распространяющих измененйя.-поперечной структуры в с ном пространстве, содержащее посл тельно и соосно расположенные ист когерентного излучения, коллиматор,кольцевую щель в непрозрачном э сферическую собирающую линзу, ра ние между щелью и линзой равно фо му расстоянию линзы 1. Такое устройство формирует в с ном пространстве за линзой когере монохроматическое световое поле с речным распределением интенсивнос равным квадрату функции Бесселя и рода нулевого порядка,(г) = с 10 ( а г), (1) где с - постоянная;.(4) а =- - я 1 п О,2 ГО= агсщ( - );б21А - длина волны излучения; 5б - диаметр кольцевой щели (диафрагмы),1 - фокусное расстояние линзы;1 о(х) - функция Бесселя первого рода нулевого порядка; 10г - радиальная кбордината в плоскости линзы.Расстояние Ео, на котором обесселевый пучок сохраняет свою структуру, равно где й - радиус сферической линзы или радиус диафрагмы, ограничивающей линзу. 20Наиболее близким к предлагаемому является устройство для формирования бесселевых пучков нулевого порядка, содержащее последовательно и соосно расположенные источник когерентного 25 излучения, корректор-коллиматор волнового фронта и фазовый фильтр-аксикон с радиально-линейной функцией комплексного пропускания Т = ехр(1 Р г), где 3 - коэффициент пропорциональности; г - 30 радиальная-координата в плоскостй, нормальной к оптической оси устройства 2).Устройство формирует в свободном пространстве за аксиконом когерентное монохроматическое световое поле с попереч ным распределением интенсивности 1(г), . равным квадрату функции Бесселя первого рода нулевого порядка: Коэффициент пропорциональности ф можно выразить, наприМер, через угол у при основании прозрачного конуса, выполненного из материала с показателем пре ломления и, по формуле где А - длина волны света,При этом расстояние Ео, на котором после аксикона бесселевый пучок сохраняет свою структуру, равно где й - радиус радиально-линейного фазового фильтра (аксикона), если радиус падающего на аксикон пучка излучения больше,Недостатком известного устройства является его функциональная ограниченность. С помощью такого устройства невозможно сформировать бесселевый пучок высшего порядкаЦель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства путем формирования бесселевых пучков высших порядков,Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее последовательно и соосно расположенные источник когерентного излучения, корректор-коллиматор волнового фронта и фазовый фильтр-аксикон с радиально-линейной функцией комплексного пропускания Т 1 = ехр(1 Рг), введен установленный между корректором волнового фронта и фазовым фильтром с пропусканием Т 1 соосно с ним фазовый фильтр с азимутально-линейной функцией комплексного пропускания Тг = ехр(1 щ р), где гп - заданный порядок формируемого бесселева пучка, у - азимутальныйугол в плоскости, нормальной к оптической оси устройства, причем расстояние 1 между фазовыми фильтрами удовлетворяет условию 4 Хгде й - световой радиус устройства;Л - длина волны,Введение фазового фильтра с аэимутальным линейным пропусканием вида Т 2 = ехр(1 щ р) позволяет сформировать в пространстве эа фильтрами пучок электромагнитного излучения с поперечным распределением интенсивности 1(г), равным где с - постоянная;1 п(х) - функция Бесселяпервого рода т-го порядка, гп = О, 1, 2Сформйрованный бесселевый пучок распространяется без изменения вида рас-. пределения интенсивности на расстоянии7 о, равном где й - поперечный радиус пучка излученияпосле корректора волнового фронта, еслион меньше радиусов фазовых фильтров.На чертеже показана оптическая схема устройства,Устройство содержит последовательно ,и соосно расположенные источник 1 когерентного излучения (лазер), корректор-коллиматор 2 волнового фронта, фазовый фильтр 3 сазимутально-линейной функцией комплексного пропускания Т 2 = ехр(вар ), фазовый фильтр 4 с радиально-линейной :функцией комплексного пропускания Т 1 =- =ехр(Р г), при этом расстояние между фазовыми фильтрами удовлетворяет условиюй1 - , где В - световой радиус устройства,4 АА - длина волны,Устройство работает следующим образом,Электромагнитное излучение от источника 1 когерентного монохроматического излучения расширяегоя и коллимируется корректором 2 волйового Фронта; Плоский волновой фронт после корректора 2 попадает на фазовый фильтр 3 с азимутально-линейной функцией комплексного пропускания и, проходя череЗ него, приобретает линейный фазовый набег по азимутальному углу. Далее излучение попадает на фазовый фильтр 4 с радиально- линейной функцией комплексного пропускания и, проходя через него, приобретает линейный набег фазы по радиусу, Поэтому сразу за фильтром 4 формируется излучение, обладающее поперечным распределением интенсивности 1(г) вида, где с - постоянная;1(х) - функция Бесселя т-го порядкаПучок излучения, распространяясь в свободном пространстве между фильтрами 3 и 4, в результате дифракции приобретает в центральной своей части область с пониженной энергией. Диаметр этой области пониженной энергии в пучке излучения увеличивается по мере распространения. После прохождения пучка через фильтр 4 часть пучка с низкой энергией не формирует бесселевый пучок, Поэтому, чтобы свести к минимуму искажения бесселевого пучка,нужно потребовать, чтобы расстояние между фильтрами 3 и 4 удовлетворяло условиюг. 4 Л где 1 - расстояние между фильтрами;й - радиус поперечного сечения пучкаизлучения, падающего на фильтры, если он1 О меньше радиусов самих фильтров;А- длина волны излучения,Расстояние между фильтрами Т 1 и Т 2может быть нулевым,.т,е, устройство дляформирования бесселевого пучка в-го порядка может состоять всего из одного фазового фильтра с функцией комплексногопропускания Тз видаТз =Т Т 2.= ехр(1 Р г++ 1 т р).Формула изобретенияУстройство для формирования бесселе.вых пучков электромагнитного излучения воднородной прозрачной среде, содержащее последовательно и соосно расположенные источник когерентного излучения,корректор-коллиматор волнового фронта ифазовый фильтр-аксикон с радиально-линейной функцией комплексного проускания Т 1 = ехр(фг), где р - коэффициентпропорциональности; г - радиальная координата в плоскости, нормальной к оптической оси устройства, о т л и ч а ю щ е е с ятем, что, с целью расширения функциональных воэможностей устройства путем формирования бесселевых пучков высшегопорядка, в него введен установленный между корректором волнового фронта и фазовым фильтром с пропусканием Т 1 соосно сними фазовый фильтр с азимутально-линейной функцией комплексного пропусканияТ 2 = ехр(1 в р), где в - заданный порядокфоУмируемого бесселева пучка; р- азимутальный угол в плоскости; нормальной коптической оси устройства, причем расстояниемежду фазовыми фильтрами удовлетворяет условию12 1 - ,4 Л 5 р Где Й сВетоВой радиус устройства; А - длина ВОлны,,Шма 10 оиэводственно-издательский комбинат "Патент" ород, ул.Гага акаэ 2767 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по иэобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж; Раушская наб 4/5