Устройство с реконфигурируемым оптическим элементом (фарой) для пространственного преобразования лазерного светового поля

Полезная модель относится к области нелинейной фотоники, и может быть использована в отрасли лазерного приборостроения, лазерных технологий, оптических систем передачи и обработки информации, а также при создании разного рода оптических датчиков и устройств. Задачей полезной модели является расширение арсенала технических средств, а так же упрощение схемы устройства для преобразования профилей лазерных световых пучков даже при воздействии слабых световых полей. Поставленная задача решена за счет того, что благодаря наличию фоторефрактивных примесей в кристаллах LiNbO ₃, его оптическая однородность может быть нарушена воздействием оптического излучения. Используя данное явление, можно создать реконфигурируемые оптические элементы для пространственного преобразования световых полей 1 н.п. ф-лы. 6 ил.

Полезная модель относится к области нелинейной фотоники, и может быть использована в отрасли лазерного приборостроения, лазерных технологий, оптических систем передачи и обработки информации, а также при создании разного рода оптических датчиков и устройств.

Кристаллы ниобата лития (LiNbO₃) позволяют создать на их основе реконфигурируемые оптические элементы для преобразования (трансформации) амплитудных профилей лазерных световых пучков в широком диапазоне видимой части спектра даже при воздействии слабых световых полей.

Известно устройство [1] - зеркало-трансформатор гауссова лазерного пучка в пучок с заданным распределением интенсивности плоского или эллиптического сечения, выбранное за аналог, заключающееся в том, что в качестве оптического элемента используется зеркало специальной формы, получаемое путем возбуждения лазерным пучком в слое жидкого фотополимера термокапиллярной конвекции, вызывающей динамическую деформацию его свободной поверхности в виде радиально-симметричного термокапиллярного прогиба, с дальнейшим фиксированием профиля поверхности фотополимера источником ультрафиолетового излучения и нанесением зеркального покрытия. Путем варьирования мощности лазера, толщины слоя жидкого фотополимера и его реологических свойств, могут быть получены поверхности с разным профилем, дающие различные радиальные распределения интенсивности в отраженном от них пучке.

К недостаткам этого устройства относится сложность методики изготовления элемента трансформации и невозможность преобразования Гауссова светового пучка в пучок с более сложным распределением интенсивности, чем кольцевое или прямоугольное.

Известен оптический элемент [2] для трансформации потока светового излучения, выбранный за аналог, включающий трехслойный преобразующий модуль и отражатель излучения. Устройство способно одновременно осуществлять как коллимацию рассеянного излучения и сведения этого излучения в ограниченный телесный угол, так и диффузию направленного светового пучка.

Недостатком этого оптического элемента является невозможность производить операции преобразования световых полей когерентных световых пучков. Также отсутствует возможность трансформации однородного коллимированного светового поля в структуру с периодическим изменением интенсивности света в поперечном направлении распространения светового потока.

Известен способ [3] формирования пространственного профиля интенсивности лазерного пучка, включающий формирование исходного сходящегося лазерного пучка и преобразование его в пучок с распределенным по апертуре состоянием поляризации посредством двулучепреломляющего элемента, техническая реализация которого выбрана в качестве прототипа данной полезной модели. При таком способе происходит формирование лазерного пучка с параболическим пространственным профилем интенсивности с регулируемым уровнем интенсивности излучения в центре параболы, а также регулируемым положением параболы по апертуре пучка.

Основным недостатком технической реализации указанного выше способа является невозможность формирования пучка со сложным пространственным профилем (Гауссов пучок I, II, III рода), а так же сложность методики преобразования профиля лазерного пучка, связанная с изначальным формированием сходящегося лазерного пучка и проведением поляризационной селекции пучка.

Задачей полезной модели является расширение арсенала технических средств, а также упрощение схемы устройства для пространственного преобразования профилей световых пучков даже при воздействии слабых световых полей.

Поставленная задача решена за счет того, что благодаря наличию фоторефрактивных примесей в кристаллах LiNbO₃, его оптическая однородность может быть нарушена воздействием оптического излучения. Используя данное явление, можно создать реконфигурируемые оптические элементы для пространственного преобразования световых полей.

Формирование преобразователя осуществляется излучением YAG:Nd³⁺ лазера с длиной волны света =532 ни и выходной мощностью до 50 мВт путем изменения апертуры пучка и (или) введением в оптическую систему положительной обратной связи. Стационарность характеристик сформированного элемента может быть достигнута путем применения метода оптической фиксации. Оптическая реконфигурация элемента достигается путем воздействия на элемент пространственного преобразователя световых пучков однородным некогерентным излучением и последующей конфигурацией его новых характеристик излучением YAG:Nd³⁺ лазера.

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства с реконфигурируемым оптическим элементом для преобразования лазерных световых полей.

Функциональная схема заявляемого устройства представлена на фиг. 1, где 1 - источник когерентного излучения (полупроводниковый лазер), 2 - реконфигурируемый оптический элемент, 3 - масштабирующая линза, 4 анализатор лазерных пучков.

На фиг. 2 изображены картина светового поля исходного (Гауссова) лазерного пучка кругового сечения и соответствующий ей профиль интенсивности. На фиг. 3, фиг. 4 и фиг. 5 представлены картины светового поля и соответствующие профили интенсивности, преобразованные заявляемым реконфигурируемым оптическим элементом из исходного в Гауссовы пучки I, II и III рода, соответственно.

На фиг. 6 приведена картина светового поля с однородным распределением интенсивности (слева) и картина этого же светового поля, но преобразованная реконфигурируемым оптическим элементом для преобразования лазерных световых полей (справа), которая имеет периодическое изменение распределения интенсивности света.

Пояснить работу устройства для преобразования профилей лазерных пучков можно следующим образом. В режиме работы устройства, когда на оптический элемент (2) падает лазерное излучение (1), в нелинейном кристалле LiNbO₃ показатель преломления заполняющей среды, зависящий от интенсивности света, в случае неоднородности светового поля, приводит к индуцированию в освещенной области оптической неоднородности. Вследствие многолучевой интерференции результатом наличия локальной неоднородности показателя преломления является преобразование пространственной модуляции фазы светового пучка, обусловленной локальным изменением показателя преломления, в модуляцию его интенсивности на выходной плоскости кристалла, наблюдаемой с помощью масштабирующей линзы (3) на анализаторе лазерных пучков (4). Варьирование мощностью лазерного излучения, индуцирующего оптический элемент, позволяет производить оптическую реконфигурацию заявляемого оптического элемента.

Использованные источники

1. Безуглый Б.А., Тарасов О.А., Федорец А.А. Зеркало-трансформатор гауссова светового пучка в пучок с заданным по радиальному закону распределением интенсивности и способ его изготовления с параметрами, контролируемыми в процессе изготовления. Патент РФ 2161322. МПК⁷ G02B 5/10, G02B 17/06. Заявка 99103762/28 от 23.02.1999. Опубл. 27.12.2000, Бюл. 36.

2. Ашкиназий Я.М., Чеглаков А.В., Чепурной А.И., Щетников А.А., Зензинов А.Б., Федоров Е.Н. Оптический элемент для трансформации потока светового излучения и оптический преобразователь на его основе (варианты). Патент РФ 2159947. МПК⁷ G02B 5/00, G02B 6/00, G02B 6/26, G02F 1/29. Заявка 99109707/28 от 13.05.1999. Опубл. 27.11.2000, Бюл. 33.

3. Зималин Б.Г., Савкин А.В., Шаров О.А. Способ формирования пространственного профиля интенсивности лазерного пучка. Патент РФ 2410735. МПК⁸ G02B 27/09, H01S 3/10. Заявка 2009102701/28 от 27.01.2009. Опубл. 27.01.2011, Бюл. 3.

Устройство с реконфигурируемым оптическим элементом для пространственного преобразования лазерного светового поля на основе пластины из кристалла ниобата лития (LiNbO₃), отличающееся тем, что поверхность или объем кристалла легированы фоторефрактивными примесями - ионами железа и меди, что в случае неоднородности светового поля приводит к индуцированию в освещенной области оптической неоднородности и вследствие многолучевой интерференции из-за наличия локальной неоднородности показателя преломления вызывает преобразование пространственной модуляции фазы светового пучка, обусловленной локальным изменением показателя преломления, в модуляцию его интенсивности.