Преобразователь поляризации лазерного излучения

 

Изобретение относится к области лазерной оптики, а именно к внерезонаторному преобразованию когерентного излучения. Преобразователь выполнен в виде отражательного дифракционного элемента с периодом рельефа Т меньше длины волны излучения λ, ширина d и высота h выступом рельефа связаны уравнением где γ - угол падения луча на элемент, а штрихи рельефа в проекции на поперечное сечение падающего луча в каждой точке сечения образуют с радиусом, проведенным от оси луча в эту точку, угол 45^o. Технический результат - преобразование круговой поляризации в линейную с радиальным или азимутальным направлением вектора колебаний электрического поля излучения. 8 ил.

Изобретение относится к области лазерной оптики, более конкретно к внерезонаторному преобразованию когерентного излучения.

Известно устройство [1] (прототип) для преобразования линейной поляризации излучения, выходящего из лазера, в круговую. Для этого на пути луча устанавливается фазосдвигающий элемент λ/4.

Недостатком такого устройства является то, что получаемая поляризация не является оптимальной ни для обработки материала, где необходимо максимальное поглощение, ни для передачи излучения по волноводу, где потери должны быть минимальными. При такой поляризации вектор электрического поля в любой точке поперечного сечения луча вращается, так что коэффициент поглощения излучения на поверхности материала равен среднему арифметическому значению для поглощения P- и S-волн. И при лазерной обработке материалов, например лазерной резке и сварке металлов, и при транспортировке лазерного излучения по металлическому волноводу углы падения излучения на поверхность оказываются большими, близкими к главному. Поэтому в обоих этих случаях состояние поляризации является неоптимальным.

Техническая задача изобретения - преобразование круговой поляризации в линейную с радиальным или азимутальным направлением вектора электрического поля излучения. При этом в каждой точке поперечного сечения луча угол между направлением колебаний вектора электрического поля и радиус-вектром, проведенным от оси луча в рассматриваемую точку, остается постоянным. Если этот угол равен 90^o, азимутальная поляризация (вектор электрического поля перпендикулярен радиус-вектору), потери при распространении излучения по полому металлическому волноводу с круглым сечением оказываются минимальными, что связано с поглощением S-волны стенками волновода. Если этот угол равен 0^o, радиальная поляризация (вектор электрического поля параллелен радиус-вектору), будет наблюдаться максимальное поглощение излучения при лазерной обработке, соответствующее поглощению P-волны обрабатываемой поверхностью.

Указанная задача достигается тем, что преобразователь выполнен в виде отражательного дифракционного элемента, с периодом рельефа Т меньше длины волны излучения λ ширина d и высота h выступов рельефа связаны уравнением где γ- угол падения луча на элемент, а штрихи рельефа в проекции на поперечное сечение падающего луча в каждой точке сечения образуют с радиусом, проведенным от оси луча в эту точку, угол 45^o.

Сущность изобретения иллюстрируется на фигурах 1-8.

Преобразователь выполнен в виде отражательного дифракционного элемента фиг. 1, с периодом рельефа Т меньше длины волны излучения λ, ширина d и высота h выступов рельефа увязаны уравнением где γ- угол падения луча на элемент фиг. 2, а штрихи рельефа в проекции на поперечное сечение падающего луча в каждой точке сечения образуют с радиусом, проведенным от оси луча в эту точку угол 45^o. Устройство работает следующим образом.

В предлагаемом оптическом элементе отражательная дифракционная решетка имеет период меньше длины волны излучения. В этом случае эта структура эквивалентна однородному оптическому слою, толщина которого равна высоте штрихов. Однако оптические параметры этого слоя различны для излучения с вектором электрического поля вдоль линий рельефа и для излучения с вектором электрического поля поперек линий рельефа. Эквивалентные параметры слоя (диэлектрическая проницаемость и показатель преломления определяются из известных соотношений для электромагнитных волн на границе раздела двух сред. В нашем случае это воздух и металл, входящие в состав слоя. Общие формулы для имеют вид:
d_в=T-d (1)
Здесь ε_В, ε- диэлектрическая проницаемость воздуха и нанесенного материала соответственно; d_в, d - ширина впадин (воздушных промежутков) и выступов (металлических полосок), соответственно; T-период. Для воздуха ε_В = 1, для металла ε >> 1 и формулы сильно упрощаются:

Известно, что ε для металла превышает ε для диэлектриков на несколько порядков, что и определяет высокие отражательные свойства металла [2]. Величина по формуле остается большой, поэтому излучение с вектором E параллельным штрихам решетки отражается от верхней поверхности штрихов практически как от гладкой поверхности металла, фиг. 3.

Для поляризации с вектором E, перпендикулярным линиям рельефа, ε_┴ мало и зависит от выбираемых параметров рельефа. Такое излучение проходит через слой и отражается от дна впадин, фиг. 4. Четвертьволновая разность хода для этих двух поляризаций, как это видно из фиг. 5, определяется по законам преломления:

После преобразований (3) с учетом (2) получим уравнение, связывающее d и h:

При преобразовании круговой поляризации в линейную с помощью фазосдигателя λ/4 направление линейной поляризации составляет угол 45^o по отношению к оси фазосдвигателя. В нашем случае в любой точке поперечного сечения роль оси фазосдвигателя выполняет направление штрихов рельефа. Поэтому штрихи рельефа в проекции на поперечное сечение падающего луча в каждой точке сечения образуют с радиусом, проведенным от оси луча в эту точку, угол 45^o. Двум направлениям вращения исходной круговой поляризации соответствуют два направления результирующей линейной поляризации: радиальное и азимутальное. На фиг. 6-7 показаны варианты рисунка рельефа при угле падения излучения на рабочую поверхность преобразователя γ = 0^o, соответствующие формуле изобретения. На фиг. 8 показан рисунок рельефа при угле падения излучения на рабочую поверхность преобразователя γ = 45^o. Плоскость падения луча пересекает рабочую поверхность преобразователя по большой оси эллипса.

Источники информации:
1. "Технологические лазеры" Справочник в двух томах под редакцией Г.А. Абильсиитова. Москва: Машиностроение 1991 г., стр. 286.

2. Яворский, А.А. Детлаф. Справочник по физике. М., Наука. 1974, с. 594.

Формула изобретения

Преобразователь поляризации лазерного излучения, отличающийся тем, что для преобразования круговой поляризации в линейную с радиальным направлением вектора электрического поля преобразователь выполнен в виде отражательного дифракционного элемента с периодом рельефа Т меньше длины волны излучения λ, ширина d и высота h выступов рельефа связаны уравнением

где γ - угол падения луча на элемент,
а штрихи рельефа в проекции на поперечное сечение падающего луча в каждой точке сечения образуют с радиусом, проведенным от оси луча в эту точку угол, 45°.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8