RU2721085C1 - Способ изменения длины фокусировки бесселева пучка 0-го порядка - Google Patents

Способ изменения длины фокусировки бесселева пучка 0-го порядка Download PDF

Info

Publication number
RU2721085C1
RU2721085C1 RU2019132819A RU2019132819A RU2721085C1 RU 2721085 C1 RU2721085 C1 RU 2721085C1 RU 2019132819 A RU2019132819 A RU 2019132819A RU 2019132819 A RU2019132819 A RU 2019132819A RU 2721085 C1 RU2721085 C1 RU 2721085C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
lens
laser
axicon
variosystem
length
Prior art date
Application number
RU2019132819A
Other languages
English (en)
Inventor
Павел Анатольевич Носов
Александр Сергеевич Мачихин
Александр Фёдорович Ширанков
Витольд Эдуардович Пожар
Дмитрий Евгеньевич Пискунов
Михаил Сергеевич Ковалев
Владислав Игоревич Батшев
Максим Александрович Виноградов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-технический центр уникального приборостроения Российской академии наук (НТЦ УП РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-технический центр уникального приборостроения Российской академии наук (НТЦ УП РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-технический центр уникального приборостроения Российской академии наук (НТЦ УП РАН)
Priority to RU2019132819A priority Critical patent/RU2721085C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2721085C1 publication Critical patent/RU2721085C1/ru

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G02B27/16—Beam splitting or combining systems used as aids for focusing

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в лазерных оптико-электронных приборах, где возникает необходимость плавного изменения длины фокусировки бесселева пучка 0-го порядка при сохранении постоянным его диаметра ядра. Техническим результатом решения является обеспечение плавного изменения длины фокусировки бесселева пучка 0-го порядка на основе лазерной вариосистемы. Сущность изобретения заключается в использовании лазера, формирующего гауссов пучок, и лазерной вариосистемы из двух линз и аксикона, в которой по нелинейному закону осуществляют изменение продольного положения и фокусного расстояния первой линзы, вторую неподвижную линзу с постоянным фокусным расстоянием устанавливают на фокусном расстоянии от перетяжки пучка после первой линзы, а аксикон - в задней фокальной плоскости второй линзы. На выходе лазерной вариосистемы формируется бесселев пучок 0-го порядка с постоянным диаметром ядра и изменяемой длиной фокусировки за счет согласованного перемещения и изменения фокусного расстояния первой линзы. Закон изменения параметров лазерной вариосистемы учитывает выражения лазерной оптики, описывающие формирование оптическими элементами и системами гауссова пучка и бесселева пучка 0-го порядка. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Область техники
Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в лазерных и оптико-электронных приборах, а также в других областях науки и техники, где возникает необходимость плавного изменения длины фокусировки бесселева пучка 0-го порядка.
Уровень техники
Существуют различные способы формирования и изменения пространственных параметров лазерных пучков.
Известен способ изменения диаметра перетяжки выходного лазерного гауссова пучка на фиксированном расстоянии от лазера, реализуемый в устройстве Патент РФ 2488861 С1, содержащем лазер и два перемещающихся оптических компонента. Перемещение компонентов по заданному закону обеспечивает формирование гауссова пучка с требуемым диаметром перетяжки и ее изменение в требуемом диапазоне. Изменение диаметра перетяжки приводит к соответствующему изменению конфокального параметра гауссова пучка, определяющего так называемую длину перетяжки (или фокусировки) гауссова пучка. Недостатком способа является необходимость использования системы перемещения двух компонентов, что усложняет конструкцию схемы и реализацию способа.
Известен способ генерации пучков с различным амплитудно-фазовым распределением поля, реализуемый в устройстве Патент РФ 2458367 С2. Устройство состоит из двух дифракционных оптических элементов, один из которых вращается относительно другого. С помощью данного устройства возможно получение полей с амплитудно-фазовым распределением аналогичным полю после линзы, аксикона, фазовращателя или спиральной фазовой пластинки с изменением их параметров в реальном времени (фокусное расстояние, преломляющая способность, спиральный индекс, сдвиг фазы). Недостатком способа является то, что фазовращение не является непрерывным, т.е. используемые оптические элементы имеют «позицию остановки», откуда их нужно возвращать в их соответствующие «начальные позиции» прежде, чем выполнить фазовращение.
В патенте US 9658436 предложен вариообъектив для видеокамеры. Вариообъектив включает группу подвижных линз и группу стационарных линз с переменной оптической силой на основе жидких линз. Система предназначена для формирования изображения с разным масштабом в широком диапазоне фокусных расстояний.
Раскрытие изобретения
Задачей заявляемого изобретения является разработка способа, обеспечивающего плавное изменение длины фокусировки бесселева пучка 0-го порядка с помощью лазерной вариосистемы.
Сущность изобретения поясняет фиг. 1, на которой представлена оптическая схема лазерной вариосистемы из двух линз и аксикона, формирующая бесселев пучок 0-го с изменяемой длиной фокусировки и постоянным диаметром ядра. При этом первая линза оптической системы - линза с изменяемым фокусным расстоянием и осевым перемещением; вторая линза - неподвижная с постоянным фокусным расстоянием.
Способ реализуется оптической системой, включающей последовательно установленные: лазер, излучающий на длине волны λ гауссов пучок с диаметром перетяжки Dп, конфокальным параметром zк и параметром качества М2; лазерную вариосистему, в которой первую линзу перемещают вдоль оптической оси (расстояние d1 от перетяжки входного гауссова пучка до первой линзы d1=var) и осуществляют соответствующее изменение ее фокусного расстояния
Figure 00000001
по одному из законов
Figure 00000002
а вторая линза имеет постоянное фокусное расстояние
Figure 00000003
и устанавливается на расстоянии
Figure 00000004
от входной перетяжки, и аксикон с показателем преломления материала n и углом при основании u0. Здесь
Figure 00000005
- расстояние от входной перетяжки до перетяжки пучка, преобразованного первой линзой. Это постоянное расстояние обеспечивается за счет согласованного перемещения первой линзы и изменении ее фокусного расстояния по закону
Figure 00000006
. Расстояние L определяется требуемыми параметрами формируемого бесселева пучка и конструктивными ограничениями схемы.
Длина фокусировки формируемого бесселева пучка 0-го порядка изменяется по закону
Figure 00000007
. Здесь
Figure 00000008
- диаметр перетяжки квазипараллельного гауссова пучка после второй линзы оптической системы (на входе аксикона) в зависимости от расстояния d1 от перетяжки входного гауссова пучка до первой линзы.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена оптическая схема лазерной вариосистемы для плавного изменения длины фокусировки бесселева пучка 0-го порядка (Н, Н' - передняя и задняя главные точки линзы; F, F' - передний и задний фокусы линзы; П1 - перетяжка входного пучка;
Figure 00000009
П2 - перетяжка пучка, преобразованного первой линзой;
Figure 00000010
- перетяжка пучка, преобразованного второй линзой);
На фиг. 2 представлена реализация способа плавного изменения длины фокусировки бесселева пучка 0-го порядка путем использования лазерной вариосистемы;
На фиг. 3 представлен закон изменения фокусного расстояния первой линзы лазерной вариосистемы от расстояния между входной перетяжкой и первой линзой;
На фиг. 4 представлен закон изменения длины фокусировки бесселева пучка 0-го порядка от расстояния между входной перетяжкой и первой линзой.
Осуществление изобретения
При преобразовании аксиконом квазипараллельного лазерного гауссова пучка на выходе пучок имеет распределение интенсивности, описываемое функцией Бесселя 1-го рода 0-го порядка, т.е. формируется бесселев пучок 0-го порядка [Пятницкий Л.Н. Волновые бесселевы пучки. М.: Физматлит, 2012. 408 с.]. Диаметр гауссова пучка на входе аксикона
Figure 00000011
и параметры аксикона (показатель преломления материала n и половина угла при основании u0) определяют длину фокусировки zB и диаметр ядра (диаметр центрального максимума) DB распределения интенсивности поля бесселева пучка 0-го порядка:
Figure 00000012
Из этих формул следует, что при изменении диаметра гауссова пучка на входе аксикона, будет изменяться длина фокусировки формируемого бесселева пучка 0-го порядка; диаметр ядра определяется параметрами аксикона.
Для изменения диаметра гауссова пучка на входе аксикона используем двухлинзовую лазерную вариосистему, которая преобразует пучок лазера с длиной волны излучения λ, диаметром перетяжки Dп, конфокальным параметром zк и параметром качества М2 в квазипараллельный гауссов пучок с изменяемой угловой расходимости, что с учетом инварианта преобразования лазерных гауссовых пучков оптической системой эквивалентно изменению диаметра перетяжки пучка [Пахомов И.И., Рожков О.В., Рождествин В.Н. Оптико-электронные квантовые приборы. М.: Радио и связь, 1982. 456 с.; Пахомов И.И., Цибуля А.Б. Расчет оптических систем лазерных приборов. М.: Радио и связь, 1986. 152 с.].
Пространственные параметры лазерного гауссова пучка, преобразованного линзой с фокусным расстоянием ƒ', определяются следующими выражениями [Пахомов И.И., Рожков О.В., Рождествин В.Н. Оптико-электронные квантовые приборы. М.: Радио и связь, 1982. 456 с.; Пахомов И.И., Цибуля А.Б. Расчет оптических систем лазерных приборов. М.: Радио и связь, 1986. 152 с.]:
радиус перетяжки
Figure 00000013
конфокальный параметр
Figure 00000014
угловая расходимость
Figure 00000015
расстояние от входной до выходной перетяжки L=d(α+1)-ƒ'(α-1);
продольное увеличение для ближней зоны
Figure 00000016
Здесь hп, zк и 2θ - радиус перетяжки, конфокальный параметр и угловая расходимость исходного пучка; d - расстояние от перетяжки входного пучка до линзы; параметры преобразованного пучка обозначены штрихом. Для пространственных параметров лазерных гауссовых пучков при его преобразовании оптической системой выполняется инвариант [Пахомов И.И., Цибуля А.Б. Расчет оптических систем лазерных приборов. М.: Радио и связь, 1986. 152 с.]:
Figure 00000017
Конструктивными параметрами лазерной вариосистемы являются
Figure 00000018
Figure 00000019
d1, d2 и d3.
Задачей изобретения является разработка способа для формирования бесселева пучка 0-го порядка с плавным изменением длины фокусировки при неизменности его диаметра ядра.
Решение поставленной задачи достигается тем, что способ непрерывного изменения длины фокусировки бесселева пучка 0-го порядка при неизменности его диаметра реализуется за счет последовательного расположения источника лазерного излучения, формирующего гауссов пучок, лазерной вариосистемы из двух линз и аксикона. Первая линза оптической системы устанавливается на расстоянии d1 от входной перетяжки и формирует перетяжку гауссова пучка переменного диаметра на фиксированном расстоянии L от перетяжки входного пучка за счет согласованного изменения фокусного расстояния и осевого перемещения первой линзы. Вторая линза с постоянным фокусным расстоянием формирует квазипараллельный гауссов пучок с изменяемой угловой расходимостью и диаметром перетяжки. Для этого вторая линза устанавливается таким образом, что ее передняя фокальная плоскость совмещена с перетяжкой пучка, формируемой первой линзой, и находящаяся на неизменном расстоянии L от перетяжки входного пучка при перемещении первой линзы и изменении ее фокусного расстояния. Поэтому расстояние между первой и второй линзой
Figure 00000020
, а перетяжка пучка после второй линзы находится в ее задней фокальной плоскости. Аксикон относительно второй линзы располагается таким образом, чтобы совпадали его основание и перетяжка преобразуемого гауссова пучка, т.е. расстояние от второй линзы до аксикона равно
Figure 00000021
Таким образом, гауссов пучок на входе аксикона имеет плоский волновой фронт. На выходе аксикона формируется бесселев пучок 0-го порядка с постоянным диаметром ядра и изменяемой длиной фокусировки. В такой схеме оптической системы не требуется дорогостоящая оптика и юстировка узлов для изменения параметров формируемого бесселева пучка. При этом изменение фокусного расстояния компонентов оптической системы и их перемещение не представляет сложности; линзы с изменяемым фокусным расстоянием в настоящее время являются коммерчески доступными, обладают высоким быстродействием, а кроме того, высокой точностью отработки фокусного расстояния [https://www.optotune.com/, https://www.corning.com/ru/ru/innovation/corning-emerging-innovations/corning-varioptic-lenses.html, Blum М.,
Figure 00000022
Aschwanden М. (2011). Compact optical design solutions using focus tunable lenses. Paper presented at the Proceedings of SPIE - the International Society for Optical Engineering, 8167 doi: 10.1117/12.897608, Claude Gabay, Bruno Berge, Guillaume Dovillaire, and Samuel Bucourt "Dynamic study of a Varioptic variable focal lens", Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering 4767: 159-165, doi: 10.1117/12.468224].
Изобретение включает лазер 1, формирующий на расстоянии d0 входную перетяжку гауссова пучка 2, лазерную вариосистему, состоящую из первой линзы 3 с изменяемым фокусным расстоянием и осевым перемещением, второй линзы 4 с постоянным фокусным расстоянием и аксикона 5, на выходе которой формируется бесселев пучок 0-го порядка с неизменным диаметром ядра и изменяемой длиной фокусировки (см. фиг. 2).
Плавное изменение длины фокусировки бесселева пучка 0-го порядка становится возможным лишь при определенных сочетаниях конструктивных параметров схемы лазерной оптической системы. Поэтому для выбранного лазерного источника с известными параметрами излучения решить указанную задачу позволяет оптическая система с вполне определенными конструктивными параметрами.
Особенность изобретения заключается в учете свойств источника излучения, представляющего лазерный гауссов пучок, использование теории лазерной оптики и аналитических выражений, описывающих преобразование гауссова пучка оптическими системами и формирование аксиконом бесселева пучка 0-го порядка. Эти выражения позволили получить условие плавного изменения длины фокусировки бесселева пучка 0-го порядка и закон изменения конструктивных параметров схемы лазерной вариосистемы.
Конструктивными параметрами начальной схемы лазерной вариосистемы являются: расстояние от входной перетяжки до первой линзы
Figure 00000023
фокусные расстояния первой
Figure 00000024
и второй
Figure 00000025
линз, которые выбираются таким образом, чтобы обеспечить:
1) диаметр перетяжки гауссова пучка на входе аксикона
Figure 00000026
, при котором формируется бесселев пучок 0-го порядка с длиной фокусировки из заданного диапазона его изменения;
2) продольные и поперечные габаритные ограничения лазерной оптической системы с учетом того, что расстояние от входной перетяжки до перетяжки гауссова пучка после первой линзы равно
Figure 00000027
, расстояние между линзами равно
Figure 00000028
, расстояние от второй линзы до аксикона равно
Figure 00000029
.
Указанные параметры являются исходными данными для определения закона изменения параметров первой линзы лазерной вариосистемы. Для этого фокусное расстояние и положение первой линзы необходимо изменять по одному из нелинейных законов
Figure 00000030
:
Figure 00000031
Figure 00000032
где d1 - расстояние от перетяжки входного пучка до первой линзы оптической системы в ее текущем положении.
Диаметр перетяжки
Figure 00000033
и угловая расходимость 2θ' квазипараллельного гауссова пучка после второй линзы в зависимости от расстояния d1 от перетяжки входного гауссова пучка до первой линзы определяются выражениями:
Figure 00000034
Работает способ следующим образом (фиг. 2). Излучение лазера 1 с перетяжкой гауссова пучка 2 последовательно преобразуется линзами 3 и 4 оптической системы и аксиконом 5, на выходе которого формируется бесселев пучок 0-го порядка. За счет изменения фокусного расстояния первой линзы и ее положения по нелинейному закону обеспечивается плавное изменением длины фокусировки бесселева пучка при неизменности его диаметра ядра.
Предпочтительный вариант применения изобретения для формирования бесселева пучка 0-го порядка с постоянным диаметром ядра и измененяемой длиной фокусировки в диапазоне zB=265…1325 мм при использовании лазера с длиной волны излучения λ=0,51 мкм, параметром пучка М2=1,05 и диаметром входной перетяжки Dп=400 мкм и аксикона с показателем преломления материала n=1,5 и углом при основании u0=0,5° имеет следующие параметры:
1. Исходные конструктивные параметры лазерной вариосистемы:
2.1. Расстояние от входной перетяжки до первой линзы
Figure 00000035
2.2. Фокусное расстояние первой линзы
Figure 00000036
2.3. Расстояние от входной перетяжки до перетяжки пучка после первой линзы L=400,0 мм.
2.4. Фокусное расстояние второй линзы
Figure 00000037
2.5. Расстояние между линзами
Figure 00000038
2.6. Расстояние от второй линзы до аксикона (выходной перетяжки) d3=500,0 мм.
2. Конструктивные параметры лазерной вариосистемы (решение
Figure 00000039
)
Figure 00000040
На фиг. 3 представлен закон
Figure 00000041
изменения фокусного расстояния первой линзы лазерной вариосистемы от расстояния между входной перетяжкой и первой линзой, а на фиг. 4 - закон zB(d1) изменения длины фокусировки бесселева пучка 0-го порядка от расстояния между входной перетяжкой и первой линзой.

Claims (9)

1. Способ плавного изменения длины фокусировки бесселева пучка 0-го порядка при постоянстве его диаметра ядра, отличающийся тем, что для этого используют лазер и лазерную вариосистему из двух линз и аксикона, где согласованно изменяют расстояние d1 от перетяжки входного пучка до первой линзы и ее фокусное расстояние
Figure 00000042
по нелинейному закону
Figure 00000043
или
Figure 00000044
вторую неподвижную линзу с постоянным фокусным расстоянием
Figure 00000045
устанавливают на фокусном расстоянии от перетяжки пучка после первой линзы, а аксикон помещают в задней фокальной плоскости второй линзы, при этом диаметр перетяжки
Figure 00000046
и угловая расходимость 2θ' квазипараллельного гауссова пучка после второй линзы, а также длина фокусировки zB формируемого аксиконом бесселева пучка 0-го порядка изменяются следующим образом:
Figure 00000047
Figure 00000048
Figure 00000049
здесь λ, Dп, М2 и zк - длина волны лазерного излучения, диаметр перетяжки, параметр качества и конфокальный параметр входного гауссова пучка, L - расстояние от входной перетяжки до перетяжки пучка, преобразованного первой линзой, n - показатель преломления аксикона, u0 - угол при основании аксикона.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют комбинированный метод изменения оптических характеристик лазерной вариосистемы за счет продольного перемещения и изменения фокусного расстояния линзы.
RU2019132819A 2019-10-16 2019-10-16 Способ изменения длины фокусировки бесселева пучка 0-го порядка RU2721085C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019132819A RU2721085C1 (ru) 2019-10-16 2019-10-16 Способ изменения длины фокусировки бесселева пучка 0-го порядка

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019132819A RU2721085C1 (ru) 2019-10-16 2019-10-16 Способ изменения длины фокусировки бесселева пучка 0-го порядка

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2721085C1 true RU2721085C1 (ru) 2020-05-15

Family

ID=70735108

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019132819A RU2721085C1 (ru) 2019-10-16 2019-10-16 Способ изменения длины фокусировки бесселева пучка 0-го порядка

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2721085C1 (ru)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1753446A1 (ru) * 1990-07-27 1992-08-07 Центральное Конструкторское Бюро Уникального Приборостроения Научно-Технического Объединения Ан Ссср Устройство дл формировани бесселевых пучков электромагнитного излучени в однородной прозрачной среде
KR20160061763A (ko) * 2014-11-24 2016-06-01 주식회사 필옵틱스 베셀 빔을 이용한 절단용 광학기기 및 그를 이용한 절단 장치

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1753446A1 (ru) * 1990-07-27 1992-08-07 Центральное Конструкторское Бюро Уникального Приборостроения Научно-Технического Объединения Ан Ссср Устройство дл формировани бесселевых пучков электромагнитного излучени в однородной прозрачной среде
KR20160061763A (ko) * 2014-11-24 2016-06-01 주식회사 필옵틱스 베셀 빔을 이용한 절단용 광학기기 및 그를 이용한 절단 장치

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhan et al. Metasurface freeform nanophotonics
Herman et al. Production and uses of diffractionless beams
Hoffnagle et al. Design and performance of a refractive optical system that converts a Gaussian to a flattop beam
Bor et al. Femtosecond-resolution pulse-front distortion measurement by time-of-flight interferometry
Burvall et al. Simple lens axicon
Khonina et al. Dynamic focal shift and extending depth of focus based on the masking of the illuminating beam and using an adjustable axicon
Khonina et al. Generating inhomogeneously polarized higher-order laser beams by use of diffractive optical elements
Akturk et al. Intensity distribution around the focal regions of real axicons
US7167321B1 (en) Optical systems and methods employing adjacent rotating cylindrical lenses
Bland-Hawthorn et al. Astrophotonics: molding the flow of light in astronomical instruments
Diab et al. Starlight coupling through atmospheric turbulence into few-mode fibres and photonic lanterns in the presence of partial adaptive optics correction
Philip et al. Generation of tunable chain of three-dimensional optical bottle beams via focused multi-ring hollow Gaussian beam
Greve et al. The Beynon Gabor zone plate: a new tool for de Broglie matter waves and hard X-rays? An off axis and focus intensity investigation
Verrier et al. Holographic microscopy reconstruction in both object and image half-spaces with an undistorted three-dimensional grid
Bernet Zoomable telescope by rotation of toroidal lenses
Keshri et al. Development of a photopolymer holographic lens for collimation of light from a green light-emitting diode
Zhou et al. Tight focusing of axially symmetric polarized beams with fractional orders
Nosov et al. Combined laser variosystems paraxial design for longitudinal movement of a Gaussian beam waist
RU2721085C1 (ru) Способ изменения длины фокусировки бесселева пучка 0-го порядка
Chebbi et al. Remote control of extended depth of field focusing
Jeon et al. Analysis of three-dimensional mapping problems in incoherent digital holography
Herman et al. High-efficiency diffractionless beams of constant size and intensity
RU2708549C1 (ru) Способ для продольного перемещения перетяжки лазерного гауссова пучка постоянного диаметра без перемещения компонентов оптической системы (варианты)
He et al. High-speed coherent diffraction imaging by varying curvature of illumination with a focus tunable lens
Dubey et al. Collimation testing of laser beams having different diameters using compact holographic lateral shearing interferometer