Конвертор поляризации светового поля

Данная полезная модель относится к поляризационной оптике и может найти применение при разработке поляризационных оптических элементов для оптических приборов, в частности конфокальных сканирующих люминесцентных микроскопов для детектирования произвольно ориентированных единичных молекул. Технический результат - расширение возможностей для управления свойствами светового поля в фокальном объеме оптических систем. Конвертор поляризации светового поля состоит из составной четырехсекторной полуволновой двулучепреломляющей пластинки, пространственно-однородного по толщине двулучепреломляющего модуля с управляемой разностью фаз и вращающегося держателя. Вращающийся держатель обеспечивает вращение вокруг аксиальной оси, а четырехсекторная пластинка установлена в нем. Двулучепреломляющий модуль может быть выполнен, например, в виде двух подвижных клиновидных призм из кристалла с естественным двулучепреломлением, либо в виде прямоугольной призмы из оптически прозрачного материала с двулучепреломлением, наводимым механическим напряжением.

Данная полезная модель относится к поляризационной оптике и может найти применение при разработке поляризационных оптических элементов для оптических приборов, например, люминесцентных конфокальных сканирующих микроскопов.

Наиболее простыми, давно известными и широко применяемыми оптическими элементами, преобразующими состояние поляризации света, являются пространственно однородные поляризаторы и пространственно однородные двулучепреломляющие пластинки /Шерклифф У. Поляризованный свет. М.: Мир - 1965/. Недостатком данных оптических элементов является их неспособность преобразовывать световые пучки с пространственно-однородной поляризацией в пучки с пространственно-неоднородной поляризацией, обладающие рядом практически полезных свойств при фокусировке высокоапертурными линзами.

Частным и широко применяемым вариантом пучков с пространственно-неоднородной поляризацией являются цилиндрические векторные пучки. Для их генерации предложены различные устройства, наиболее близкими к предполагаемой полезной модели среди которых являются радиальный анализатор /Q.Zhan and J.R.Leger. Opt. Comm., 213 (2002), 241-245/ и составная двулучепреломляющая пластинка /G.Machavariani, Y.Lumer, I.Moshe, A.Meir, and S.Jackel. Optics Letters, 32 (2007), 1468-1470/. Принцип работы этих устройств основан на том, что направление оптической оси меняется нужным образом от точки к точке (либо от сегмента к сегменту, причем сегменты достаточно малы): в первом случае - оси поляризатора, во втором - оси полуволновой двучучепреломляющей пластинки. Для генерации более широкого класса пучков с пространственно-неоднородной поляризацией применяются жидкокристаллические поляризационные конверторы /М.R.Beversluis, L.Novotny, and S.J.Stranick, Opt. Express, 14, 2650-2656 (2006)/ и пространственно-неоднородные двулучепреломляющие пластины /А.Spilman, Т.Brown. US Patent Application Publication 2007/0115551 Al, G02B 5/30, May 24, 2007/. С их помощью можно получать как цилиндрические векторные, так и другие поляризационно-неоднородные пучки. Принцип работы жидкокристаллических поляризационных конверторов основан на возможности управлять ориентацией оптической оси жидкого кристалла в заданной точке при помощи электрического напряжения. При пропускании сквозь слой жидкого кристалла с неоднородной ориентацией оптической оси в пространстве, либо при отражении от него поляризационно-однородного луча формируется луч с пространственно-неоднородной поляризацией. В основе работы пространственно-неоднородной двулучепреломляющей пластины лежит двулучепреломление, наведенное пространственно-неоднородным механическим напряжением в изотропном материале. За счет такого напряжения формируется двулучепреломляющая пластина с пространственно неоднородной ориентацией оптической оси, преобразующая пропускаемый сквозь нее поляризационно-однородный луч в поляризационно-неоднородный. Недостатком всех перечисленных устройств является сложность в реализации, связанная с необходимостью получать непрерывное (либо квазинепрерывное) изменение ориентации оптической оси конвертора в пространстве.

Упрощение устройств для преобразования однородно-поляризованных пучков в неоднородно-поляризованные возможно благодаря тому, что при фокусировке многие свойства пучков с поляризацией, изменяющейся непрерывно от точки к точке в пределах сечения, присущи, также, пучкам с поляризацией, постоянной в пределах отдельных сравнительно больших сегментов сечения и изменяющейся от сегмента к сегменту. Это позволяет использовать составные сегментированные пластинки с малым числом сегментов в качестве конверторов поляризации.

Ближайшим аналогом предлагаемой полезной модели является конвертор поляризации светового поля, применявшийся для преобразования линейно-поляризованного луча в неоднородный циркулярно-поляризованный луч /М. Reuss, J. Engelhardt, S.W. Hell. Opt. Express, 18 (2010), 1049-1058/. Это устройство состоит из пространственно-однородной по толщине четвертьволновой, составной четырехсекторной полуволновой и пространственно-однородной по толщине полуволновой двулучепреломляющих круглых пластинок. Пластинки были выставлены на пути светового луча в порядке их перечисления. Составная полуволновая пластинка состоит из четырех четвертей круга. Ее секторы стыкуются прямоугольными краями и располагаются в последовательности сектор 1, сектор 2, сектор 3, сектор 4, а быстрая ось в системе координат с осью х, направленной от центра пластинки к краю по стыку секторов 1 и 4, y - от центра к краю пластинки по стыку секторов 1 и 2, составляет с осью х углы 45°, 90°, 135°, 0° в этих секторах, соответственно. Ось четвертьволновой пластинки составляла угол 45° с осью х, а пространственно-однородной по толщине полуволновой - 45°. Исходный лазерный луч был поляризован по х.

Недостатком ближайшего аналога является то, что, при фокусировке высокоапертурной линзой луча с создаваемой им поляризацией, световое поле в фокальной плоскости, во-первых, имеет z-компоненту, максимальное значение которой меньше по абсолютной величине аналогичных значений х- и y-компонент на 20%, а, во-вторых, х- и y-компоненты имеют в фокальной плоскости очень близкое распределение, что желательно не во всех приложениях, и возможности управления свойствами светового поля в фокальном объеме существенно ограничены.

Задачей предлагаемой полезной модели является создание конвертора поляризации светового поля лазерного луча с расширенными возможностями управления световым полем в фокальном объеме. В частности, преобразующего световое поле линейно-поляризованного луча таким образом, чтобы при фокусировке данного луча максимальные значения модулей х- и y-компонент электрического вектора светового поля в фокальной плоскости не отличались по величине, аналогичное значение z-компоненты не отличалось от них по величине, либо их превосходило, и все три компоненты были разделены пространственно. Это необходимо, в частности, при решении задачи конфокальной сканирующей люминесцентной микроскопии единичных молекул на подложках и в средах для формирования светового поля в фокальном объеме, эффективно возбуждающего люминесценцию этих молекул при любой их ориентации. То есть, по эффективности возбуждения световое поле в фокальном объеме, получаемое при сильной фокусировке формируемых пучков в предлагаемой модели, не должно заметно уступать результату для цилиндрических векторных пучков в сочетании с простотой реализации, присущей ближайшему аналогу.

Поставленная задача достигается тем, что конвертор поляризации светового поля, содержащий составную четырехсегментную двулучепреломляющую полуволновую пластинку с пространственно-неоднородной ориентацией оптической оси, дополнительно включает пространственно-однородный по толщине двулучепреломляющий модуль с управляемой разностью фаз и вращающийся держатель, обеспечивающий вращение вокруг аксиальной оси, а четырехсекторная пластинка установлена в данном держателе. Схема работы конвертора показана на фиг.1. Показанная на фиг.1. система координат (оси х и y) связана с составной полуволновой пластинкой. Направление оптической оси (не имеет значения, быстрой или медленной) этой пластинки показано черточкой (центральная часть фиг.1), цифрами 1-4 указаны сектора. Направление оси пространственно-однородного по толщине двулучепреломляющего модуля составляет угол а с осью х, который может устанавливаться в пределах от 0 до 180° (фиг.1, правая часть). Создаваемая пространственно-однородным по толщине двулучепреломляющим модулем разность фаз принимает заданное значение из диапазона от 0 до 360°. Входной луч линейно-поляризован, угол Ф между его электрическим вектором Е и осью х может принимать значения из диапазона 0-180° (фиг.1, левая часть).

Технический результат: повышение эффективности контроля свойств светового поля в фокальном объеме; пространственное разделение х-, y- и z-компонент электрического вектора светового поля в фокальном объеме; уменьшение различий между максимальными значениями модулей х-, y- и z-компонент электрического вектора светового поля в фокальном объеме.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 приведены: электрический вектор светового поля луча, входящего в конвертор поляризации (слева); составная четырехсекторная волновая пластинка (центр); пространственно-однородная по толщине волновая пластинка (справа).

На фиг.2 приведен пространственно-однородный по толщине двулучепреломляющий модуль с управляемой разностью фаз, состоящий из двух подвижных клиновидных призм.

Составные части предлагаемого конвертора поляризации, изготавливаются из двулучепреломляющего материала, например, кристалла сапфира. Они могут быть хроматическими, либо ахроматическими как нулевого, так и множественного порядка.

Составная четырехсегментная полуволновая пластинка делается из четырех кристаллических двулучепреломляющих пластинок (с не менее чем одним прямоугольным краем каждая) путем склеивания, либо другим методом скрепления. При этом, в двух из скрепляемых пластинок оптическая ось ориентирована параллельно к одной из сторон прямого угла, в третьей - параллельно биссектрисе прямого угла, в четвертой - перпендикулярно ей. Матрица Джонса составной четырехсегментной полуволновой пластинки имеет вид:

,

J - обозначение для матрицы Джонса составной четырехсегментной полуволновой пластинки;

- полярный угол в системе координат, показанной на фиг.1, отсчитываемый против часовой стрелки от направления оси х.

Важно иметь в виду, что для реализации именно такой матрицы Джонса набег фазы световой волны после прохождения пластинки в разных ее секторах должен удовлетворять соотношению

(n-n)(d_j-d_i)k=2N,

n - показатель преломления по оси пластинки, указанной на фиг.1;

n - показатель преломления среды, в которой находится пластинка;

d_j - толщинаj-то сектора;

k - волновой вектор световой волны;

N - целое число.

Это условие гарантированно выполняется, если порядок пластинок во всех сегментах одинаков.

Матрица Джонса пространственно-однородного по толщине двулучепреломляющего модуля с управляемой разностью фаз имеет вид:

,

J_h - обозначение для матрицы Джонса пространственно-однородного по толщине двулучепреломляющего модуля;

- угол между быстрой осью модуля и координатной осью х;

- разность фаз, создаваемая модулем.

Составная четырехсегментная полуволновая пластинка закрепляется в держатель и ставится на пути лазерного луча так, чтобы ее центр совпадал с осью симметрии фокусирующего высокоапертурного объектива. Крепление держателя предусматривает возможность вращения пластинки на нужный угол с требуемой точностью. Пространственно-однородный по толщине двулучепреломляющий модуль с управляемой разностью фаз представляет собой либо две призмы с естественным двулучепреломлением, либо одну призму из материала, в котором создается наведенное двулучепреломление. В первом случае (фиг.2) две призмы, представляющие собой клинья (половинки сапфирового параллелепипеда, разрезанного под углом к одной из поверхностей), обращены друг к другу наклонными плоскостями и параллельны между собой. На фиг.2 показан вид модуля сверху. Входной луч света распространяется в направлении L. Призма 1 передвигается механически (например, шаговым двигателем) в направлениях R-L. Управление разностью фаз осуществляется за счет изменения толщины двулучепреломляющего слоя. Во втором случае к двум противоположным граням прямой четырехгранной призмы прикладывается механическое напряжение (управляемое, например, пьезоэлементом), создающее наведенное двулучепреломление. В данном случае разность фаз определяется величиной прикладываемого напряжения, а световой луч входит в двулучепреломляющий модуль перпендикулярно одной из граней, параллельных направлению приложения напряжения.

Предполагаемый конвертор предназначен для получения неоднородных эллиптически-поляризованых лучей вида

E_x=A₁exp(i₁)sgn(cos)-B₁exp(i₁)sgn(sin),

E_y=B₁exp(-i₁)sgn(cos)+A₁exp(-i₁)sgn(sin),

E_z=0

- далее такая поляризации будет называться поляризацией 1-го типа, и вида

E_x=A₂exp(i₂)sgn(cos)-B₂exp(i₂)sgn(sin),

E_y=B₂exp(i₂)sgn(cos)+A₂exp(i₂)sgn(sin),

E_z=0

- такая поляризация далее будет называться поляризацией 2-го типа.

E_m (m=x, y, z) - m-ая компонента электрического вектора светового поля луча на выходе из конвертора в системе координат, показанной на фиг.1;

А_i, В_i, _i и _i (i=1, 2) - параметры эллиптичности.

Параметры эллиптичности являются функциями варьируемых параметров , и и представляют собой вещественные константы. Параметр варьируется за счет вращения составной пластинки в держателе, - за счет изменения двулучепреломляющих свойств модуля, - в случае необходимости, поворотом плоскости поляризации луча, входящего в конвертор, полуволновой пластинкой, либо парой поляризаторов. Для реализации луча с поляризацией первого типа на пути линейно-поляризованного луча выставляется сначала сборная полуволновая пластинка, затем пространственно-однородный по толщине модуль с управляемой разностью фаз. Для реализации поляризации второго типа компоненты конвертора ставятся в обратном порядке.

Прикладное значение генерируемых лучей определяется их свойствами, проявляемыми при сильной фокусировке, то есть при фокусировке высокоапертурной линзой. Варьируя параметры эллиптичности, можно до определенной степени управлять полем в фокальной плоскости, меняя локализацию и максимальные значения компонент поля. В частности, определенные сочетания параметров эллиптичности позволяют сделать компоненты поля разделенными пространственно и имеющими одинаковые, либо соотносящиеся между собой заданным образом, максимальные значения. Так, по данным расчета для микро-объектива с угловой апертурой 1.12, удовлетворяющего условию синусов, получаются следующие результаты.

При использовании луча с поляризацией вида

E_x=sgn(cos), E_y=exp(i)sgn(sin), E₂=0,

варьируя значения в интервале 0-360°, можно менять отношение максимального значения модуля z-компоненты электрического вектора светового поля в фокальной плоскости к аналогичному значению х-компоненты в пределах от 1.5 до 0.7, получая значение 1 при =84°. При этом максимум z-компоненты находится в центре фокальной плоскости, а максимумы х- и y-компонент - на оси х и y, соответственно, на расстоянии 0,45, от центра фокальной плоскости, где - длина волны используемого излучения. Таким образом, компоненты электрического вектора светового поля удается разделить пространственно, а их максимальные значения сделать одинаковыми.

Примером использования такого луча в практических приложениях является задача наблюдения одиночных молекул с произвольно ориентированным дипольным моментом перехода в изотропной среде методом конфокальной сканирующей флуоресцентной микроскопии. По данным расчета, в предположении сонаправленности поглощающего и испускающего дипольных моментов молекулы, при =50° максимум интенсивности на изображении минимально возбуждаемого диполя составляет 54% от аналогичного максимума диполя, возбуждаемого максимально, что позволяет уверенно наблюдать молекулы любых ориентации.

Аналогично, при использовании луча с поляризацией вида

E_x=sgn(cos)-B×sgn(sin), E_y=B×sgn(cos)+sgn(sin), E₂=0

при B=1.045 максимальные значения модуля всех трех компонент электрического вектора светового поля в фокальной плоскости совпадают. Максимум модуля z-компоненты находится в центре фокальной плоскости, а х- и y-компоненты имеют по два симметричных относительно центра максимума. Эти максимумы расположены на перпендикулярных прямых, пересекающих центр фокальной плоскости.

Варьируя все параметры эллиптичности для лучей с поляризацией типов 1 и 2, можно получать более сложные распределения светового поля в фокальном объеме для решения различных научных и прикладных задач.

1. Конвертор поляризации светового поля, содержащий четырехсекторную полуволновую двулучепреломляющую пластинку с пространственно-неоднородной ориентацией оптической оси, отличающийся тем, что он дополнительно включает пространственно-однородный по толщине двулучепреломляющий модуль с управляемой разностью фаз и вращающийся держатель, обеспечивающий вращение вокруг аксиальной оси, а четырехсекторная пластинка установлена в данном держателе.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что пространственно-однородный по толщине двулучепреломляющий модуль с управляемой разностью фаз выполнен в виде двух клиновидных призм из кристалла с естественным двулучепреломлением, причем призмы обращены друг к другу наклонными плоскостями, эти плоскости параллельны между собой и имеется механизм относительного перемещения призм вдоль их наклонных плоскостей с помощью шагового двигателя.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что пространственно-однородный по толщине двулучепреломляющий модуль с управляемой разностью фаз выполнен в виде прямой четырехгранной призмы из оптически прозрачного материала с двулучепреломлением, наводимым механическим напряжением, прикладываемым к двум противоположным граням призмы, величина напряжения управляется пьезоэлементом, а световой луч входит в двулучепреломляющий модуль перпендикулярно направлению приложения напряжения.