RU2819107C1 - Monoblock converter of light beam with circular polarization into beam with azimuthal polarization - Google Patents

Monoblock converter of light beam with circular polarization into beam with azimuthal polarization Download PDF

Info

Publication number
RU2819107C1
RU2819107C1 RU2023126506A RU2023126506A RU2819107C1 RU 2819107 C1 RU2819107 C1 RU 2819107C1 RU 2023126506 A RU2023126506 A RU 2023126506A RU 2023126506 A RU2023126506 A RU 2023126506A RU 2819107 C1 RU2819107 C1 RU 2819107C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
polarization
radiation
azimuthal
circular
conical surface
Prior art date
Application number
RU2023126506A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Александрович Дегтярев
Сергей Владимирович Карпеев
Светлана Николаевна Хонина
Николай Александрович Ивлиев
Владимир Владимирович Подлипнов
Original Assignee
Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Самарский Национальный Исследовательский Университет Имени Академика С.П. Королева" (Самарский Университет)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Самарский Национальный Исследовательский Университет Имени Академика С.П. Королева" (Самарский Университет) filed Critical Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Самарский Национальный Исследовательский Университет Имени Академика С.П. Королева" (Самарский Университет)
Application granted granted Critical
Publication of RU2819107C1 publication Critical patent/RU2819107C1/en

Links

Abstract

FIELD: polarization optics.
SUBSTANCE: invention relates to polarization optics, namely to conversion of polarization state of light radiation, and can be used to convert radiation with circular polarization into radiation with azimuthal polarization. Monoblock polarization converter is made of refracting material and has taper angle of the first conical surface β related to the Brewster angle (arctan(n)) by the ratio β=π/2-arctan(n), providing conversion of a beam with circular polarization, falling into the aperture of the cone, into a reflected beam with azimuthal polarization. Second conical surface with taper angle ω forms the outer surface of the element and serves for uniform distribution of polarized radiation energy over the circular cross-section of the output beam. Second conical surface reflects incident polarized radiation onto third surface with taper angle ψ. After refraction on the third surface, the polarized radiation beams propagate in the same direction as the light beams incident on the first surface, i.e. parallel to the optical axis.
EFFECT: converting a circularly polarized incident light beam into a collimated ring-shaped light beam with azimuthal polarization.
1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области поляризационной оптики, а именно к преобразованию поляризационного состояния светового излучения, и может быть использовано для преобразования излучения с круговой поляризацией в излучение азимутальной поляризацией.The invention relates to the field of polarization optics, namely to the transformation of the polarization state of light radiation, and can be used to convert radiation with circular polarization into radiation with azimuthal polarization.

Известны преобразователи поляризации лазерного излучения (см. патенты РФ №2175450, МПК G02B 5/30, опубл. 2000.01.12, №2087020 МПК G02B 27/28, G02B 27/44 опубл. 1997.08.10) на основе субволновых дифракционных решеток для преобразования круговой поляризации в радиальную или азимутальную, а также линейной поляризации в круговую.Converters of polarization of laser radiation are known (see RF patents No. 2175450, IPC G02B 5/30, publ. 2000.01.12, No. 2087020 IPC G02B 27/28, G02B 27/44 publ. 1997.08.10) based on subwavelength diffraction gratings for conversion circular polarization to radial or azimuthal, as well as linear polarization to circular.

Такие устройства не могут быть использованы для преобразования излучения от нелазерных источников света в силу высоких требований к монохроматичности излучения. Кроме того, недостатком таких устройств является технологическая сложность изготовления дифракционных решеток большой площади. Такие решетки изготавливают, как правило, на электронных литографах имеющих малую рабочую область.Such devices cannot be used to convert radiation from non-laser light sources due to high requirements for monochromatic radiation. In addition, the disadvantage of such devices is the technological complexity of manufacturing large-area diffraction gratings. Such gratings are produced, as a rule, on electronic lithographs with a small working area.

Другой подход к преобразования круговой поляризации в радиальную или азимутальную основан на поляризующих свойствах процесса преломления либо отражения света. Известно например устройство (см. Р.В. Скиданов, А.В. Морозов // Дифракционные аксиконы для формирования радиально-поляризованного света на основе использования стопы Столетова / Компьютерная оптика. - 2014. - Т. 38, №4. - С. 614-618), состоящее из высоко-апертурного дифракционного аксикона, дающего конический пучок света с углом расходимости равным углу Брюстера для стопы стеклянных пластинок (стопы Столетова), расположенных за ним и оптически с ним связанных. Такое устройство в силу наличия дифракционного элемента также предъявляет высокие требования по монохроматичности используемого излучения. Кроме того, в силу больших значений угла Брюстера коллимация выходного излучения отдельно стоящим элементом очень затруднена, а выходное распределение интенсивности получается в форме кольца.Another approach to converting circular polarization into radial or azimuthal is based on the polarizing properties of the process of refraction or reflection of light. For example, a device is known (see R.V. Skidanov, A.V. Morozov // Diffraction axicons for the formation of radially polarized light based on the use of Stoletov’s foot / Computer Optics. - 2014. - T. 38, No. 4. - P. 614-618), consisting of a high-aperture diffraction axicon, producing a conical beam of light with a divergence angle equal to the Brewster angle for a stack of glass plates (Stoletov’s stack) located behind it and optically connected to it. Due to the presence of a diffraction element, such a device also places high demands on the monochromaticity of the radiation used. In addition, due to the large values of the Brewster angle, collimation of the output radiation by a separate element is very difficult, and the output intensity distribution is obtained in the shape of a ring.

Некоторые из перечисленных недостатков устраняются в устройстве на основе интерференционного поляризатора (см. Sergey V Karpeev, Vyacheslav D Paranin and Svetlana N Khonina Generation of a controlled double-ring-shaped radially polarized spiral laser beam using a combination of a binary axicon with an interference polarizer 2017 J. Opt 19 055701). В этом устройстве реализована коллимация излучения с помощью рефракционного аксикона, поскольку углы падения на поляризатор здесь существенно меньше угла Брюстера, а степень поляризации излучения при этом значительно больше. Однако по-прежнему требуется высокая степень монохроматичности излучения и выходное распределение интенсивности получается в форме колец. Кроме того, само устройство состоит из нескольких юстируемых между собой с высокой степенью точности элементов, что затрудняет эксплуатацию.Some of the listed disadvantages are eliminated in a device based on an interference polarizer (see Sergey V Karpeev, Vyacheslav D Paranin and Svetlana N Khonina Generation of a controlled double-ring-shaped radially polarized spiral laser beam using a combination of a binary axicon with an interference polarizer 2017 J. Opt 19 055701). This device implements radiation collimation using a refractive axicon, since the angles of incidence on the polarizer are significantly smaller than the Brewster angle, and the degree of polarization of the radiation is much greater. However, a high degree of monochromaticity of the radiation is still required and the output intensity distribution is obtained in the form of rings. In addition, the device itself consists of several elements that are adjusted to each other with a high degree of accuracy, which makes operation difficult.

Наиболее близок по сущности к заявляемому устройству моноблочный преобразователь поляризации для преобразования пучка с круговой поляризацией в пучок с азимутальной поляризацией (см. Degtyarev, S.A. Karpeev, S.V., Ivliev, N.A., Podlipnov, V.V., Khonina, S.N. Refractive Bi-Conic Axicon (Volcone) for Polarization Conversion of Monochromatic Radiation Photonics, 2022, 9(6), 421), представляющий собой радиально симметричный элемент, изготовленный из прозрачного материала с показателем преломления n, образованный двумя коническими поверхностями, внутренняя из которых имеет угол конусности (3, связанный с углом Брюстера (arctan(n)) соотношением β=π/2-arctan(n), а внешняя имеет угол конусности со, обеспечивающий отражение лучей, прошедших через первую поверхность в том же направлении, что и лучей света, падающих на первую поверхность.The closest in essence to the claimed device is a monoblock polarization converter for converting a beam with circular polarization into a beam with azimuthal polarization (see Degtyarev, S.A. Karpeev, S.V., Ivliev, N.A., Podlipnov, V.V., Khonina, S.N. Refractive Bi-Conic Axicon (Volcone) for Polarization Conversion of Monochromatic Radiation Photonics, 2022, 9(6), 421), which is a radially symmetrical element made of a transparent material with a refractive index n, formed by two conical surfaces, the inner of which has a cone angle (3, associated with the angle Brewster (arctan(n)) with the relation β=π/2-arctan(n), and the external one has a cone angle с, which ensures the reflection of rays passing through the first surface in the same direction as the rays of light incident on the first surface.

Такой элемент один обеспечивает преобразование пучка падающего света с круговой поляризацией в коллимированный пучок света кольцевой формы с азимутальной поляризацией. В основу изобретения поставлена задача получения пучка света с азимутальной поляризацией круглой формы с заданным диаметром.Such an element alone ensures the transformation of a beam of incident light with circular polarization into a collimated beam of light of a ring shape with azimuthal polarization. The basis of the invention is the task of obtaining a beam of light with azimuthal polarization of a circular shape with a given diameter.

Данная задача решается за счет того, что моноблочный преобразователь пучка с круговой поляризацией в пучок с азимутальной поляризацией, представляющий собой радиально симметричный элемент, изготовленный из прозрачного материала с показателем преломления n, образованный двумя коническими поверхностями, внутренняя из которых имеет угол конусности β, связанный с углом Брюстера (arctan(n)) соотношением β=π/2-arctan(n), а внешняя имеет угол конусности ω и обеспечивает отражение лучей в направлении на третью поверхность с углом конусности ψ, на которой происходит равномерное распределение энергии поляризованного пучка по круговому сечению, а также коллимация выходящего пучка, причем ω и ψ связаны между собой формулой:This problem is solved due to the fact that a monoblock converter of a beam with circular polarization into a beam with azimuthal polarization, which is a radially symmetrical element made of a transparent material with a refractive index n, formed by two conical surfaces, the inner one of which has a cone angle β associated with Brewster angle (arctan(n)) with the ratio β=π/2-arctan(n), and the outer one has a cone angle ω and ensures reflection of rays in the direction of the third surface with a cone angle ψ, on which the energy of the polarized beam is uniformly distributed in a circular manner cross section, as well as collimation of the output beam, and ω and ψ are related to each other by the formula:

а радиус входящего пучка r и выходящего пучка R связаны формулой:and the radius of the incoming beam r and the outgoing beam R are related by the formula:

На фиг. 1 представлен общий вид преобразователя поляризации лазерного излучения, а на фиг. 2 конструкция элемента в разрезе.In fig. 1 shows a general view of the laser radiation polarization converter, and FIG. 2 sectional design of the element.

Моноблочный преобразователь поляризации 1 изготовлен из преломляющего материала и имеет угол конусности первой конической поверхности β, связанный с углом Брюстера (arctan(n)) соотношением β=π/2-arctan(n), обеспечивающий преобразование пучка с круговой поляризацией, попадающего в раскрыв конуса, в отраженный пучок с азимутальной поляризацией. Вторая коническая поверхность с углом конусности ω образует наружную поверхность элемента и служит для равномерного распределения энергии поляризованного излучения по круговому сечению выходного пучка. Вторая коническая поверхность отражает падающее на нее поляризованное излучения на третью поверхность с углом конусности ψ. После преломления на третьей поверхности лучи поляризованного излучения распространяются в том же направлении, что и лучи света, падающие на первую поверхность, то есть параллельно оптической оси. Третья коническая поверхность образует заднюю поверхность элемента и имеет радиус основания ρ:Monoblock polarization converter 1 is made of refractive material and has a cone angle of the first conical surface β, related to the Brewster angle (arctan(n)) by the ratio β=π/2-arctan(n), providing conversion of a beam with circular polarization falling into the aperture of the cone , into a reflected beam with azimuthal polarization. The second conical surface with a cone angle ω forms the outer surface of the element and serves to uniformly distribute the energy of polarized radiation over the circular cross-section of the output beam. The second conical surface reflects the polarized radiation incident on it onto the third surface with a cone angle ψ. After refraction on the third surface, the rays of polarized radiation propagate in the same direction as the light rays incident on the first surface, that is, parallel to the optical axis. The third conical surface forms the back surface of the element and has a base radius ρ:

При этом ρ является также и внешним габаритным радиусом оптического элемента.In this case, ρ is also the outer overall radius of the optical element.

Работает устройство следующим образом: оптическое излучение с круговой поляризацией освещает раскрыв первой конической поверхности, а при падении на поверхность под углом Брюстера отраженный от поверхности луч становится плоскополяризованным с плоскостью поляризации параллельной поверхности отражения. Таким образом, в силу радиальной симметрии конической поверхности все отраженные от нее лучи будут поляризованы перпендикулярно радиальной координате. Преломленные лучи будут частично поляризованы и при распространении пространственно отделены от отраженных. Очевидно, что для получения отраженного пучка с азимутальной поляризацией необходимо освещать поверхность конуса оптическим излучением с круговой поляризацией, обеспечивающей в каждый момент времени нужное поляризационное состояние падающих на поверхность конуса лучей. Далее отраженные лучи падают на противоположную поверхность конуса и проходят через нее с преломлением (см. ход лучей на фиг. 2). Прошедшие лучи падают изнутри на вторую коническую поверхность и в силу полного внутреннего отражения отражаются в направлении на третью коническую поверхность так, чтобы лучи равномерно распределились по круговому сечению выходного пучка без пересечений и круговой пустоты в центре, то есть, чтобы выходной пучок был круглого сечения, а не кольцевого. Отраженные от второй поверхности лучи падают на третью коническую поверхность, угол конусности которой ψ, рассчитанный по формуле (1), обеспечивает параллельность всех выходящих лучей после преломления на третьей конической поверхности. Кроме того, лучи, падающие на крайние точки первой конической поверхности, при соблюдении всех размеров в соответствии с формулами (1), (2), (3) выходят из третьей конической поверхности один на оптической оси, а второй - на расстоянии R от оптической оси. Из этого следует, что падающий радиально поляризованный пучок круглой формы преобразуется в азимутально поляризованный пучок также круглой формы с радиусом R, который может быть рассчитан по формуле (2).The device operates as follows: optical radiation with circular polarization illuminates the opening of the first conical surface, and when incident on the surface at the Brewster angle, the beam reflected from the surface becomes plane-polarized with a polarization plane parallel to the reflection surface. Thus, due to the radial symmetry of the conical surface, all rays reflected from it will be polarized perpendicular to the radial coordinate. The refracted rays will be partially polarized and, when propagating, will be spatially separated from the reflected rays. Obviously, in order to obtain a reflected beam with azimuthal polarization, it is necessary to illuminate the surface of the cone with optical radiation with circular polarization, ensuring at each moment of time the desired polarization state of the rays incident on the surface of the cone. Next, the reflected rays fall on the opposite surface of the cone and pass through it with refraction (see the path of the rays in Fig. 2). The transmitted rays fall from the inside onto the second conical surface and, due to total internal reflection, are reflected in the direction to the third conical surface so that the rays are evenly distributed over the circular cross-section of the output beam without intersections and a circular void in the center, that is, so that the output beam has a circular cross-section, and not a roundabout. The rays reflected from the second surface fall on the third conical surface, the cone angle of which ψ, calculated by formula (1), ensures the parallelism of all emerging rays after refraction on the third conical surface. In addition, the rays incident on the extreme points of the first conical surface, subject to all dimensions in accordance with formulas (1), (2), (3), emerge from the third conical surface one on the optical axis, and the second at a distance R from the optical axes. It follows from this that an incident radially polarized beam of a circular shape is transformed into an azimuthally polarized beam of also a circular shape with a radius R, which can be calculated using formula (2).

Как следует из описания предлагаемого изобретения, в оптической системе по сравнению с прототипом формируется пучок круглой формы. Положительный эффект при этом достигается за счет того, что выходное излучение коллимируется третьей конической поверхностью, угол конусности которой и расположение дают равномерное распределение выходящих лучей по всему кругу.As follows from the description of the proposed invention, in the optical system, in comparison with the prototype, a round-shaped beam is formed. A positive effect is achieved due to the fact that the output radiation is collimated by a third conical surface, the cone angle of which and its location give a uniform distribution of the output rays throughout the circle.

Claims (2)

Моноблочный преобразователь пучка с круговой поляризацией в пучок с азимутальной поляризацией, представляющий собой радиально симметричный элемент, изготовленный из прозрачного материала с показателем преломления n, образованный двумя коническими поверхностями, внутренняя из которых имеет угол конусности β, связанный с углом Брюстера (arctan(n)) соотношением β=π/2-arctan(n), а внешняя имеет угол конусности ω, обеспечивающий отражение лучей, прошедших через первую поверхность в том же направлении, что и лучей света, падающих на первую поверхность, отличающийся тем, что за второй конической поверхностью добавляется третья коническая поверхность с углом конусности ψ, причем ω и ψ связаны формулой:Monoblock converter of a beam with circular polarization into a beam with azimuthal polarization, which is a radially symmetrical element made of a transparent material with a refractive index n, formed by two conical surfaces, the inner of which has a cone angle β related to the Brewster angle (arctan(n)) ratio β=π/2-arctan(n), and the outer one has a cone angle ω, ensuring reflection of rays passing through the first surface in the same direction as light rays incident on the first surface, characterized in that behind the second conical surface a third conical surface is added with a cone angle ψ, and ω and ψ are related by the formula:
RU2023126506A 2023-10-16 Monoblock converter of light beam with circular polarization into beam with azimuthal polarization RU2819107C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2819107C1 true RU2819107C1 (en) 2024-05-14

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4643534A (en) * 1984-08-20 1987-02-17 General Electric Company Optical transmission filter for far field beam correction
SU1518728A1 (en) * 1987-11-30 1989-10-30 Научно-Исследовательский Институт Ядерных Проблем При Белорусском Государственном Университете Им.В.И.Ленина Method of determining parameters of polarization ellipse
RU2629660C1 (en) * 2016-11-28 2017-08-30 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" (ФИЦ КНЦ СО РАН) Device for calibrating circular dichroism digrographs
RU2682605C1 (en) * 2017-12-27 2019-03-19 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" Circular dichroism dichrographs calibration device

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4643534A (en) * 1984-08-20 1987-02-17 General Electric Company Optical transmission filter for far field beam correction
SU1518728A1 (en) * 1987-11-30 1989-10-30 Научно-Исследовательский Институт Ядерных Проблем При Белорусском Государственном Университете Им.В.И.Ленина Method of determining parameters of polarization ellipse
RU2629660C1 (en) * 2016-11-28 2017-08-30 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" (ФИЦ КНЦ СО РАН) Device for calibrating circular dichroism digrographs
RU2682605C1 (en) * 2017-12-27 2019-03-19 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" Circular dichroism dichrographs calibration device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kazanskiy Research and education center of diffractive optics
Herman et al. Production and uses of diffractionless beams
US5058981A (en) Light source device
Petrov et al. Diffraction of partially-coherent light beams by microlens arrays
US7548376B2 (en) Total internal reflection micro lens array
Stafeev et al. Tight focus of light using micropolarizer and microlens
Kotlyar et al. Subwavelength micropolarizer in a gold film for visible light
He et al. Study of focal shift effect in planar GaN high contrast grating lenses
Keshri et al. Development of a photopolymer holographic lens for collimation of light from a green light-emitting diode
RU2819107C1 (en) Monoblock converter of light beam with circular polarization into beam with azimuthal polarization
TW202204970A (en) Methods and devices for optimizing contrast for use with obscured imaging systems
Yang et al. Wide-spectrum laser beam shaping for full-color volume holographic optical element recording
CN116299810A (en) Preparation device and method of reflective curved fork-shaped surface grating
WO2019027020A1 (en) Laser beam synthesizing device
Stone et al. Optical array generation and interconnection using birefringent slabs
RU2826511C1 (en) Refractive metasurface for forming and focusing azimuthally polarized laser beam
JP2016186601A (en) Reflection type diffusion plate and optical apparatus using the same
Sharma et al. Translationally invariant generation of annular beams using thin films
Petrov et al. Design of micro-optics for display illumination
Petrova et al. Design of microlens arrays with aspheric surfaces for uniform illumination
US20090201967A1 (en) Laser device comprising a diffraction grating and coupled laser resonators
Miler et al. Holographic diffractive collimators based on recording with homocentric diverging beams for diode lasers
Petrov Coherence and polarization effects of light diffraction by microlens arrays
RU184725U1 (en) X-RAY AXICON
JP6146745B2 (en) Optical arrangement for converting an incident light beam, method for converting a light beam into line focus, and optical device therefor