Способ получения сканирующего светового пучка

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕ Н ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

<1 > 890853

Союз Соеетских

Социалистических

Республик (6:) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено i18.08.80 (21) 2974859/18-25 (51) М.Кл.з С 02 F 1/29 с присоединением заявки—

Государстеенлый комитет

СССР по лелам изобретений и открытий (23) 11риорнет— (43) Опубликовано 30.04,82. Бюллетень № 16 (45) Дата опубликования описания 07.05.82 (53) УДК 535.8 (088.8) (72) Авторы изобретения

P. А. Власов и В. В. Пастушеико

1, Ордена Трудового Красного Знамени Институт физ ки

АН Белорусской ССР

1; (71) Заявитель (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СКАНИРУЮЩЕГО

СВЕТОВОГО ПУЧКА ((с

Si0 а

30

Изобретение относится к области квантовой электроники, физической оптики, оптоэлектроники и может найти применение в тех областях науки и техники, где необходимо использование сканирующего пучка.

Известен акустооптический способ получения сканирующего светового пучка (1). Его недостатком является ограниченное б ыстродействие.

Наиболее близким техническим решением является способ получения сканирующего светового пучка (2), включающий формирование пучка излучения и пропускание его через оптическую среду, воздействующую на параметры пучка.

В этом способе получают в течение одного периода излучения лазера дискретное импульсное сканирование с разрешением в 2 элементов при использовании оптической среды, содержащей N ячеек.

К недостаткам этого способа относится узкая область возможностей применения, что связано с трудностью, получения непрерывного по пространству сканирования.

Цель изобретения — расширение возможностей способа.

Это достигается благодаря тому, что. в способе получения сканирующего пучка, включающем формирование пучиа излучения и пропускание его через оптическую среду, воздействующую на параметры пучка, формируют импульсный пучок излучения с площадью импульса, большей л, и с длительностью, меньшей времени поперечной релаксации оптической среды, выполненной в виде резонансно поглощающего клина, через среду пропускают им10 пульсный пучок нормально к входной грани клина, при этом сканирующий пучок получают со стороны выходной грани клина. Для регулирования скорости сканирования угол клина среды выполняют из соотношения: где V„, — скорость распространеия сечения получаемого сканирующего пучка выходной гранью клина;

V,ð — скорость распространения

2л-импульса в резонансно поглощающей среде; а — угол клина, выполненного из резонансно поглощающей среды;

890853

1О

2 ср — ц

20 с — скорость света в прозрачной нерезонансной среде, граничащей с резонансной со стороны наблюдения получаемого сканирующего пучка.

На чертеже изображена схема, поясняющая предлагаемый способ.

На схеме показаны входной импульс1, резонансно поглощающая среда 2, выполненная в виде клина, нерезонансная прозрачная среда 3, входная грань 4, импульс 5, распространяющийся в среде, выходная грань 6 клина, пятно 7 сечения получаемо/

ro сканирующего пучка выходной гранью клина, полученный пучок 8.

При осуществлении способа используются явления самоиндуцированной прозрачности при прохождении светового импульса в резонансно поглощающей среде.

Физика этого явления тесно связана с динамикой когерентного взаимодействия импульса с резонансной средой. Важными параметрами импульса, от которых зависит характер упомянутого взаимодействия, являются длительность 1 импульса и его площадь 8, которую определяют следующим образом: где u — дипольный момент перехода для резонансно поглощающей среды;

e(t) — амплитуда импульса, зависящая от времени (огибающая);

Л =h/2 л (h — постоянная Планка).

При интенсивности излучения выше пороговой, когда 9>я=3,14, распространяющийся в резонансной среде импульс трансформируется в устойчивый 2 л-им пульс (6=2 а), который практически не поглощается резонансной средой. Передний фронт этого импульса полностью инвертирует среду, переводя частицы в верхнее энергетическое состояние, задний фронт заставляет частицы индуцированно излучать, и поглощенная ранее энергия возвращается обратно в поле распространяющегося импульса. Это возможно, как по казывает теория, именно при 0 = 2 п„поэтому импульс эволюционирует при 0>л, стремясь достичь формы 2 л импульса. Если л<0<2л, то первоначальный импульс уширяется, если же 2 л<8<Зл, то он суживается. Длительность импульса задают меньше времени релаксации среды, поэтому релаксационные процессы не успевают нарушить когерентность взаимодействия.

Характерной особенностью распространения 2 д-импульса является снижение его скорости движения. В зависимости от коэффициента поглощения k вго скорость может изменяться от 10 — с до 10 — с, где с — фазовая скорость света в среде.

Характерной особенностью является также его пространственное сжатие вдоль волнового вектора. Эти особенности 2 лимпульса и использованы в настоящем изобретении. Для достижения поставленной цели оптимальными оказываются резонансные среды с большим коэффициентом поглощения. В этом случае скорость

V,ð и длительность /„ импульса связаны соотношением

Так, например, для полупроводников типа

А6В коэффициент поглощения Й на прямозокных переходах очень велик (k—

104 см — ) и скорость резко падает даже для ультракоротких импульсов. При k =

104 см 1, =5 10 - с, V,p =4. 107 см!с.

Пространственный размер /„ импульса обратно пропорционален k:

l, = V,ðt„= — = 2 10 — 4 см.

2 — 4

Основная cyTb настоящего изобретения состоит в том,что сканирующий пучок получают как результат преломления пространственно сжатого медленного импульса на границе резонансной и нерезоиансной сред при падении импульса на эту границу под определенным углом.

В соответствии со сказанным выше при осуществлении способа с помощью лазера формируют импульс 1 с длительностью, меньшей времени поперечной релаксации для резонансно поглощающей среды 2, ис площадью О>л. Импульс 1 из нерезонансной прозрачной среды 3 направляют на резонансно поглощающую среду 2, например типа полупроводников А В6 при низких температурах, выполненную в виде клина с углом а, со стороны входной грани 4. Распространяющийся затем в нерезонансной среде 3 импульс 5 удовлетворяет упомянутым выше необходимым условиям самоиндуцированной прозрачности.

Импульс 5, скорость V,р которого меньше с, падает на выходную грань 6 резонансной поглощающей среды 2, с которой граничит нерезонансная прозрачная среда 3, в которой скорость света равна с.

Bbll60poM угла клина, а следовательно и угла падения импульса на выходную грань 6, обеспечивают медленное движение пятна 7 сечения импульса 5 гранью 6, так как для пятна скорость V. = V,ð/sin а зависит не только от V, но и от а. Именно медленное движение пятна 7, когда его скорость, V.((ñ, создает практически мгновенное формирование гюйгенсовского фронта преломленного импульса в керезонансной среде 3, который при указанных условиях представляет собой неоднородную

890853.импульсную волну, характеризующуюся разными направлениями скоростей равных фаз и равных амплитуд и обладающую свойствами поступательно сканирующего пучка. Можно показать, что для случая падения исходного импульса на резонансную среду с плоскопараллельными границами добиться медленного движения пят«на невозможно, чем и оправдана клинообразная форма образца в данном случае.

Таким образом, если медленный импульс 5 сжат и его протяженность 14, по фронту значительно превышает его протяженность вдоль волнового вектора, то при преломлении и проникновении импульса 5 в нерезонансную среду 3 он будет высвечиваться в виде поступательного сканирующего .плоского пучка со временем развертки, равным /р — 1Ф/cos а V.. Получаемый сканирующий пучок 8 наблюдают со стороны выходной грани 6. Подчеркнем, что понятие пучка сохраняется именно при

V,((с, когда время, нужное свету для распространения в нерезонансной среде на

:интересующие нас расстояния, много меньше характерных времен, связанных со сканированием. Для случая указанных выше значений параметров /г, 4, V,ð, 4 при х= 0,1 рад, V„= 4 108 см, с, t„=14,/Ó„, .длина развертки /р — !,р, диаметр пучка.

d = ln/sill а= 1„, а = 2 10 3 см.

Отношение длины развертки к диаметру пучка определяет разрешающую способность устройства, осуществляющего .данный способ: N = l@/d. Величина N возрастает с увеличением 14,. Реально при

/,р — — 1 — 2 см, длине волны 1=0,5 мм можно

:получить N ) 1000, причем увеличением 4 можно компенсировать уменьшение N вследствие расходимости пучка, определяемаго отношением Х/d. Частота сканирования f, фактически определяется частотой следования импульсов, генерируемых лазером, при этом можно задать

f, (— — — 108 Гц.

1р

Как уже упоминалось в качестве ре:зонансной среды можно взять полупроводники группы А В при низких (гелиевых) температурах, так как в этих условиях возрастает время поперечной релаксации.

Наряду с полупроводниками в качестве резонансной среды можно использовать не требующие низких температур газы, находящиеся в прозрачной кювете, выполненной в виде призм.

В данном способе получают поступательно сканирующий плоский пучок. Однако с помощью цилиндрической линзы его форму поперечного сечения можно изменить до пятна необходимых размеров.

Также с помощью линзы поступательное сканирование можно превратить в угловое.

Таким образом, предлагаемый способ получения сканирующего пучка обеспечивает большую разрешающую способность сканирующего устройства, осуществляющего данный способ, при высокой скорости (частоте) сканирования, причем в отличие от известного способа получают непрерывно (а не дискретно) сканирующий пучок без существенных потерь интенсивности исходного пучка.

Формула изобретения

V, ." «с, sin a где V„—

45 скорость движения пятна сечения получаемого сканируюющего пучка выходной гранью клина; скорость распространения 2димпульса в резонансно поглощающей среде; угол клина, выполненного из резонансно поглощающей среды; скорость света в прозрачной нерезонансной среде, граничащей с резонансной средой, V,ð—

55

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

60 1. Ребрин Ю. К. Управление лучом в пространстве. М., «Сов. радио», 1977, с. 145.

2; Патент Великобритании № 1549077, кл. G02B 21/70, опублик. 1979.

1. Способ получения сканирующего светового пучка, включающий формирование пучка излучения и пропускание его через оптическую среду, воздействующую на параметры пучка, отличающийся тем, что, с целью расширения возможностей способа, формируют импульсный пучок излучения с площадью импульса, большей л, и с длительностью, меньшей времени поперечной релаксации оптической среды, выполненной в виде резонанснопоглощающего клина, через среду пропускают импульсный пучок, направляя его нормально к входной грани клина, при этом сканирующий пучок получают со стороны выходной грани клина.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью регулирования скорости сканирования, угол клина среды выбирают из соотношения

890853

Составитель А. Качанов

Техред И. Заболотнова

Корректор С. Файн.

Редактор Л. Письман

Тип. Харьк. фил. пред. «Патент»

Заказ 363/270 Изд. Кз 127 Тираж 516 Подписное

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5