Дипломная (вкр): Генерация бесселевых пучков в полихроматическом свете

.

Другими словами , число колец бесселевого пучка в белом свете может быть рассмотрено как изменение ширины импульса Δω. Число колец может быть приближённо равно как

Пример этого показан на Рис.2.1, где λ= 790nm = 2πc/ω₀, ∆ω_FWHM/ ω₀=0.11,

n= 1.5, а γ=1^o, r_cr= 331μm, N_fr ≈7. Пунктирная линия показывает результат непрерывного бесселевого пучка (∆ω_FWHM/ ω₀→) с множеством колец, в то время как сплошная линия показывает результаты для импульсного бесселевого пучка с ∆ω_FWHM/ ω₀= 0,114 и насчитывается около шести колец, которые действительно затухают за пределами r_cr= 330μm. Мы заметим, что для исходного гауссового пучка с размерами пятна w₀ , исчезновение колец будет наблюдаться в том случае, если w₀> r_cr, в то время как w₀ задаёт пространственный масштаб конечной реализации бесселевого пучка генерированным аксиконом.

Рис. 2.1. Расчетный Бесселевый луч с λ =0.79 μm, Δω / ω = 0.19, n=1.5 и γ =1º, =330 μm

ГЛАВА 3. ГЕНЕРАЦИЯ ПОЛИХРОМАТИЧЕСКИХ БЕССЕЛЕВЫХ ПУЧКОВ НУЛЕВОГО И ПЕРВОГО ПОРЯДКОВ

.1 Генерация полихроматических бесселевых пучков нулевого порядка

В настоящее время после создания аксикона или конической линзы, сильно возрос интерес к исследованию Бессель-Гауссовым пучкам получаемым на аксиконе. В настоящее время хорошо исследованы свойства данного класса пучков для монохроматического излучения. Однако при генерации пучков Бесселя-Гаусса возникает ряд сложностей.

Стимулом для проведения данной работы, послужила статья французских учёных, о возможности генерации Бесселевых пучков в полихроматическом свете. В этой статье показано что поскольку оптический путь всех волн, которые образуют Бесселев пучок одинаков после прохождения аксикона, то для формирования достаточно использовать источники с пространственной когерентностью.

.1.1 Экспериментальная установка для генерации полихроматических бесселевых пучков нулевого порядка

Для генерации полихроматических бесселевых пучков нулевого порядка была создана следующая экспериментальная установка (Рис. 3.1).

Рис. 3.1. Экспериментальная установка для генерации полихроматических бесселевых пучков нулевого порядка 1- зеркало; 2- лампа; 3- линзы; 4,6,8- микрообъектив;5- оптоволокно; 7- аксикон;9- CCD камера.

Свет от ксеноновой лампы высокого давления ДКсШ180 при помощи зеркальнолинзового конденсора и 20-ти кратного микрообъектива фокусировался на входной торец оптического волокна [4,6] (Рис.3.2) с диаметром сердцевины 7,5мкм и диаметром оболочки 27,5мкм.

Необходимость в использовании оптического волокна возникла в связи с тем, что свет от ксеноновой лампы не когерентен, а для генерации пучка Бесселя необходим когерентный источник света [5]. Были изучены различные типы оптических волокон для создания такого типа источника с диаметрами сердцевины от 4 до 120 мкм. Если мы берем волокно с большим диаметром сердцевины, то интенсивность светового потока достаточная для генерации, но сама картина пучка Бесселя выглядит размытой или исчезает вообше из-за малой длины когерентности. Если же мы возьмем волокно с малым диаметром сердцевины, то в результате мы получим достаточно контрастный пучок Бесселя, но интенсивность данной картины не позволяет зафиксировать нужное нам изображение.

После прохождения света в волокне мы проводили коллимирование излучение на выходе при помощи 10-ти кратного микрообъектива (6). Пучок после коллимации имел диаметр 5мм. В дальнейшем наш пучок направляли на коническую линзу [5] - аксикон (7). Поведение пучка при прохождении аксикона схематически изображено на Рис.3.3.

Растянутую фокальную зону после аксикона мы проецировали 8-ти кратным микрообъективом (8) на CCD матрицу - камеры (9). Результаты,

полученные на данной экспериментальной установке, приведены на Рис.3.4.

Как известно получение интерференционной картины возможно только в том случае, если интерференционные волны когерентны между собой. В нашей же экспериментальной установке для генерации полихроматических бесселевых пучков нулевого порядка мы использовали ксеноновую лампу, которая не имеет когерентность, и хотя для увеличения длины когерентности мы использовали оптическое волокно в качестве точечного источника, получение классической интерференции явилось очень затруднительным. Поэтому для получения интерференционной картины мы пользовались методом деления волногофронта с помощью бипризмы Френеля [7]. Две призмы (Рис. 3.5) с малыми преломляющими углами склеены друг с другом. Источник S расположен на расстоянии r от этих призм. Волновой фронт

света, исходящего от источника S, с помощью призм разбивается на две части, и обе волны встречаются за призмами. Так как оба фронта вызваны одним и тем же источником, то в области перекрывания возникнет интерференционная картина. Наблюдателю, находящемуся в месте расположения экрана, кажется, что световые лучи идут из двух источников:

Следовательно, роль виртуальных когерентных источников в данном случае выполняют источники S₁ и S₂, являющиеся мнимыми изображениями источника S. В опыте с бипризмой Френеля вследствие малости преломляющих углов апертура интерференции практически не отличается от апертуры перекрывающихся пучков, что приводит к уменьшению общей освещенности интерференционной картины.

На Рис 3.6 представлена интерференционная картина полихроматических бесселевых пучков нулевого порядка.

Полученная интерференционная картина представляет собой регулярные интерференционные полосы вблизи оси. Это указывает на то, что в центре пучка гладкий волновой фронт. Однако темные полосы имеют нерегулярный характер. Это видно по искажению картины, появляются вилки. Вообще вилки в интерференционной картине соответствуют оптическим вихрям, переносимые пучком. Наличие вилок соответствуют топологическому квадруполю, а его возникновение связано с аберрациями, вызванными неточностями изготовления линз. Ориентация вилок соответствует знаку заряда. Верхние и нижние заряды одинаковы, но противоположны по знаку.

.2 Генерация полихроматических бесселевых пучков первого порядка

Далее передо мной стояла задача о получении Бессель-Гауссового пучка первого порядка.

В данном пучке на оси расположен единичный оптический вихрь с топологическим зарядом l=1. Поэтому для получения Бессель-Гауссова пучка первого порядка необходимо сгенерировать оптический вихрь в полихроматическом свете. Для этой цели мы использовали коноскопическую картину, которая получается на одноосном кристалле [7,8] помешенном между двумя параллельными поляризаторами. Вид теоретически рассчитанной картины распределения интенсивности представлены на следующем слайде.

Как видно из рисунка, в центральной части формируется квадруполь состоящий из единичных оптических вихрей. Поэтому если оптическую ось пучка направить вдоль направления одного из вихрей то после выходного поляризатора мы получим пучок с оптическим вихрем на оси.

3.2.1 Экспериментальная установка для генерации полихроматических бесселевых пучков первого порядка

На слайде представлена установка для генерации Бессель-Гауссового пучка первого порядка. Первая часть установки совпадает с установкой для генерации Бессель-Гауссового пучка нулевого порядка, а вторая часть установки представляет из себя кристалл NbLiO₃ помещенный между 2х параллельных поляризаторов и двумя линзами с фокусным расстоянием 10 см, 1я из которых создают расходящийся пучок в кристалле, а вторая колемирует. Распределение интенсивности в поперечном сечении регистрировалась CCD камерой. Результатом прохождения Бессель-Гауссового пучка через систему: поляризатор-линза-кристалл-линза-поляризатор явилось формирование пучка с выраженным минимумом интенсивности на оси. Наличие такого минимума на оси может свидетельствовать о локализации в данной точки топологического заряда. Для подтверждения данного предположения мы также использовали выше упомянутый интерференционный метод

Для генерации полихроматических бесселевых пучков нулевого порядка была усовершенствована экспериментальная установка для генерации полихроматических бесселевых пучков нулевого порядка приведенная на Рис. 3.1. Изменения в данной экспериментальной установке приведены на Рис.3.6

Рис. 3.6. Экспериментальная установка для генерации полихроматических бесселевых пучков первого порядка 1- зеркало; 2- лампа; 3- линзы; 4,6,8- микрообъектив; 5- оптоволокно; 7- аксикон; 9,13- палеризатор; 10,12- линзы; 11- кристалл NbLiO₃; 14- CCD камера.

Свет от ксеноновой лампы высокого давления ДКсШ180при помощи линзового конденсора и 20-ти кратного микрообъектива направлялся на оптическое волокно (Рис.3.2) с диаметром сердцевины 7,5мкм и диаметром оболочки 27,5мкм .

После прохождения света в волокне мы проводили коллимирование излучение на выходе при помощи 20-ти кратного микрообъектива .

В дальнейшем наш пучок мы направляли на коническую линзу - аксикон. Поведение пучка при прохождении аксикона представлено на Рис.3.3. Растянутую фокальную зону после аксикона мы проецировали 10-ти кратным микрообъективом на входную грань одноосного кристалла для генерации полихроматического вихря с топологическим зарядом l=1. Но для генерации «белого» полихроматического вихря необходимо, чтобы на анизотропный кристалл попадал линейно поляризованный пучок. Для этого между проецируюшим микрообъективом и анизотропным кристаллом размещался поляризационный фильтр, который преобразовывал пучок в пучок с линейной поляризацией. В дальнейшем после анизотропного кристалла пучок проходил второй поляризационный фильтр и попадал на матрицу CCD - камеры. Результаты, полученные на данной экспериментальной установке, приведены на Рис.3.7.

.2.2 Интерференция полихроматических бесселевых пучков первого порядка

Как мы говорили в пункте 3.1.2 получение интерференционной картины возможно только в том случае, если интерференционные волны когерентны между собой. В нашей же экспериментальной установке для генерации полихроматических бесселевых пучков нулевого порядка мы использовали ксеноновую лампу, которая имеет очень малую длину когерентности, и хотя для увеличения длины когерентности мы использовали оптическое волокно в качестве точечного источника, получение классической интерференции явилось очень затруднительным. Поэтому для получения интерференционной картины мы использовали бипризму Френеля [7] (Рис. 3.5).

На Рис (3.8) представлена интерференционная картина полихроматических бесселевых пучков первого порядка.

При рассмотрении интерференционной картины явно видно наличие цветной вилки положение которой совпадает с положением минимума на оси пучка. Это свидетельствует о том, что наши предположения о наличии оптического вихря на оси пучка подтвердилось. Также в интерференционной картине присутствуют парные противонаправленные вилки, местонахождение которых соответствует положению исходного квадруполя пучка Бесселя-Гаусса.

3.3 Техника безопасности

Техника безопасности при работе с оптоволокном

- Если в здании, где вы работаете, установлено активное сетевое оборудование, удостоверьтесь, подлежащее тестированию оптоволокно отсоединено от него.

Для защиты глаз используйте специальные защитные очки с покрытием, блокирующим проходящее по оптоволокну излучение светодиодов и лазеров, которые используются в оптических трансиверах. Лазеры класса 1 не могут повредить глаза, поскольку обладают невысокой мощностью, однако лазеры более высоких гласов уже достаточно опасны для глаз.

Обеспечьте надежную связь между работниками, тестирующими оптоволокно - это необходимо для координации действий и обеспечения должной безопасности.

Большинство химикатов, которые используются для очистки оптоволокна - вредны для здоровья. Поэтому следует стараться не вдыхать их - избегать работы в замкнутых пространствах и хорошо проветривать помещения. Что делать в случаях, если это невозможно, описано в стандартах ANSI Z.I 17.1 Safety Requirements for Confined Spaces.

Рабочее место должно быть организовано таким образом, чтобы было просторно - хорошо оборудованное место позволит должным образом и без травматизма подготовить оптоволоконный кабель к монтажу разъемов, и смонтировать разъемы. Если терминирование кабелей происходит в тесном пространстве, можно использовать небольшой раскладной стол.

Изучите правильные методики подготовки кабеля к монтажу разъемов - большинство травм при работе с кабелем связано с использованием ручных инструментов. Поэтому надо четко знать, как безопасно удалять внешнюю оболочку кабеля и его броню.

Помните, что в процессе терминирования кабеля оптоволокно вставляют в наконечник разъема, и небольшая часть кабеля без буферного покрытия выступает оттуда. Обнаженное оптоволокно может поранить человека.- Производя зачистку оптоволокна, направляйте инструмент от себя, чтобы, если он соскользнет, избежать ранения.

Снимая буфер, обрезайте его небольшими кусочками, чтобы избежать поломки кабеля.

Тем не менее, травму можно получить, даже несмотря на все возможные меры предосторожности, однако требования техники безопасности значительно сокращают количество несчастных случаев.

Данные требования относятся не только к процессам тестирования и терминирования оптоволокна. Также очень важно оставлять место монтажа в порядке после проведения работ - если на месте работы остались осколки волокна, то может пораниться другой человек, не знающий специфики работы с оптоволокном.

При работе с лампами высокого давления

Строго следуйте схеме подключения, проверяйте изоляцию, проверяйте соответствие фаз.

Не используйте лампы без защитного стекла, если в инструкции прямо не написано, что возможно применение без него.

При смене лампы проверяйте отсутствие на ней жирных пятен или капель. Иначе лампа может взорваться.

Используйте светильники с возможностью горячего перезапуска или применяйте реле отложенного времени.