CC BY
12
ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ. ЛАЗЕРНАЯ ФИЗИКА
УДК 535.3
ЛОКАЛЬНАЯ ПОПЕРЕЧНАЯ ДИФФУЗИЯ СВЕТА ПРИ ДИФРАКЦИИ ЛАГЕРРОВА ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА
Ю.В. Васильев, A.B. Козарь, Д.А. Кувшинов, А.Е. Лукьянов,
А. В. Селиверстов
(.кафедра общей физики; кафедра радиофизики; кафедра физической электроники)
E-mail: [email protected]
При затенении половины лагеррова лазерного пучка света полубесконечным металлическим экраном с неидеальным краем экспериментально обнаружено явление возникновения тонкой структуры в поперечной диффузии света «полупучка» и ее последующая эволюция в процессе распространения «полупучка» в пространстве.
Известно большое разнообразие форм монохроматических световых пучков: гауссовых, эрмитовых, лагерровых, бесселевых, спиральных, гибридных и т.д. Математически они описываются как решения поперечно-диффузионного, пучкового волнового уравнения Леонтовича-Фока [1]. Сохранение структуры гауссовых, эрмитовых и лагерровых пучков при их фокусировке и свободном распространении без вращения поля можно ассоциировать с однородными деформациями растяжения-сжатия [2].
В работах [3, 4] исследованы процессы, происходящие в распространяющейся электромагнитной волне в случае неоднородной деформации гауссова и лагеррова пучка без вращения поля (при затенении половины пучка полубесконечным дифракционным металлическим экраном). Распространяющийся за экраном «полупучок>> света характеризуется сильной градиентностью края. Сильноградиентный край полупучка света вначале пространственно ран-домизирован микронеровностями края дифракционного экрана. На удаленном регистрационном экране обнаружено появление световых крыльев клиновидной формы по обе стороны от границы геометрической тени.
Цель настоящей работы — исследовать в области тени изменения интенсивности светового крыла в зависимости от времени т распространения полупучка света от исходного лагеррова лазерного пучка без вращения поля.
В нашем эксперименте использован аргоновый лазер ЛГН-503, в оптическом резонаторе которого при минимальной силе тока разряда в активной среде 14 А первой возбуждается пространственная осесимметричная мода ТЕМоо- При токе 16 А вместо нее возбуждается более высокая осесимметричная мода ТЕМ ю, а при 18 А — следующая осесимметричная мода ТЕМ20 •
Согласно принятой в отечественной литературе [5] классификации, генерируемый лазером пучок оптического излучения в первом случае (мода ТЕМоо) называется гауссовым пучком света, во втором (мода ТЕМю) — осесимметричным лагер-ровым пучком света с радиальным индексом р = 1 и с азимутальным индексом / = 0, а в третьем (мода ТЕМ20) — лагерровым пучком света с индексами р = 2, 1 = 0.
Принципиальная оптическая схема эксперимента на голографической измерительной установке УИГ-22М показана на рис. 1. Аргоновый лазер / типа ЛГН-503 непрерывно генерирует лагерров пучок 2 линейно-поляризованного монохроматического излучения с длиной волны Л = 514.5 нм. Максимум интенсивности света в осесимметричном лагерровом пучке с радиальным индексом р = 2 и с азимутальным индексом 1 = 0 находится на оси пучка, в центре его керна. Керн этого пучка ограничен окружностью первой нулевой амплитуды света диаметром 1.3 мм, за которой расположено первое световое кольцо пучка. Диаметр второго кольца света лагеррова пучка приблизительно равен
X 2 ? . 4 И 6 / / / V
1
Z 7
Рис. 1. Принципиальная оптическая схема эксперимента: 1 — лазер, 2 — лагерров пучок лазерного излучения, 3 — набор светофильтров, 4 — ослабленный лагерров пучок света, 5 — механический затвор, 6 — фотографическая рамка голографической установки, 7 — клиновидно заостренный край плоского лезвия безопасной бритвы
3.5 мм (в локальном максимуме интенсивности света в кольце).
Ось 2 правой декартовой системы координат xyz совмещена в плоскости рисунка с осью пучка 2, ось х лежит в плоскости рисунка, а ось у перпендикулярна к ней. Электрический вектор светового поля лазерного пучка 2 колеблется параллельно оси у.
Набор нейтральных светофильтров 3 ослабляет интенсивность лазерного пучка 4, и он падает на нормально закрытый механический затвор 5. Затвор управляет длительностью времени экспонирования лазерным излучением плоского листа фотобумаги в подвижной фотографической рамке 6 голографи-ческой установки (ось пучка 4 перпендикулярна плоскости листа фотобумаги). На расстоянии 150 см от излучателя лазера установлена перпендикулярно к оси пучка 4 тонкая металлическая пластина 7 с клиновидным краем — плоское лезвие безопасной бритвы для технических целей. Прямой острый край лезвия совмещен с диаметром пучка 4, причем линия острия ориентирована вдоль оси у.
Реальный, микроскопический профиль края лезвия существенно отличается от прямой линии. Исследования в растровом электронном микроскопе с увеличением х 1000 показывают, что локальные выступы, впадины или ступеньки микронных размеров разбивают профиль кончика края лезвия на множество кусочно-линейных отрезков. Отрезки практически параллельны друг другу, причем их длина хаотически варьируется в среднем в диапазоне от единиц до нескольких десятков микрометров (рис. 2).
Опыт показывает, что за малый промежуток времени т распространения полупучка света за лезвием, в области геометрической тени (в параксиальной области пространства, размеры которой по оси у ограничены величиной диаметра лагеррова пучка, а по оси х — в несколько раз больше этого диаметра), возникает необычное световое крыло с тонкой структурой.
10 мкм
Рис. 2. Микрофотография произвольно выбранного участка края лезвия, полученная в растровом электронном микроскопе при увеличении х 1000. Вид со стороны излучателя лазера
В качестве примера на рис. 3, а приведено негативное изображение светового крыла, зарегистрированного на листе фотобумаги при удалении от плоскости лезвия на расстояние Ь = 50 мм (т = 0.17 не). Нижняя часть изображения (сплошное черное поле) примыкает к диаметру полупучка на границе геометрической тени. Ее форма напоминает сглаженный график изменения интенсивности света по оси х в зависимости от смещения вдоль диаметра лагеррова пучка (р = 2, 1 = 0) по оси у. Визуально контур сглаженного графика похож на центральный холм с двумя парами сателлитов, высота которых убывает при удалении от середины холма к периферии.
Выше холма и его сателлитов на фотобумаге видны локализованные совокупности весьма узких и длинных черных полосок клиновидной формы, вершины которых ориентированы в глубь геометрической тени, вдоль положительного направления оси х. Клиновидные полоски хаотически смещены относительно друг друга по оси у. Как длина, так и ширина соседних полосок существенно различаются. В среднем поперечный размер таких полосок по оси у порядка нескольких десятков микрометров (на рис. 3, а показаны лишь наиболее интенсивные и широкие полоски).
С увеличением времени т узкие полоски размываются, так что происходит полное исчезновение тонкой структуры в строении светового крыла. Например, на рис. 3, б видно, что на расстоянии Ь = 500 мм (т = 1.7 не) в средней части изображе-
х
Рис. 3. Характерные примеры негативного изображения картины распределения освещенности листа фотобумаги в параксиальной области геометрической тени при дифракции лагеррова пучка на краю полубесконечного металлического экрана: вблизи от этого экрана (лист фотобумаги на расстоянии Ь = 50 мм от экрана) (а) и вдали от экрана (Ь = 500 мм) (б). Каждой картинке (а и б) этого рисунка на листе фотобумаги соответствует прямоугольная площадка размера 8x4 мм в координатной плоскости ху
ния возникает привычное, монолитное, клиновидное световое крыло, которое выходит из края керна лагеррова полупучка света (как и в работе [4], где параметры р= 1, / = 0).
Физически эволюцию тонкой структуры светового крыла можно интерпретировать как результат трансформации полупучка в процессе его распространения [3]. Установлено, что за время г а 1 не происходит сглаживание резких перепадов амплитуды на границе геометрической тени. При этом за время т в несколько сотен пикосекунд происходит подавление высокочастотных пространственных гармоник вдоль оси у в полупучке, у которого исходный, сильноградиентный по оси х край был вначале пространственно хаотически модулирован по оси у (в момент т = 0).
Литература
1. Киселёв А.П. // Оптика и спектроскопия. 2007. 102, № 4. С. 661.
2. Абрамочкин Е.Г., Волостников В.Г. 11 УФН. 2004. 174, № 12. С. 1273.
3. Васильев Ю.В., Козарь A.B., Лукьянов А.Е. 11 Вести. Моск. ун-та. Физ. Астрой. 2007. № 4. С. 69.
4. Васильев Ю.В., Козарь A.B., Лукьянов А.Е., Селиверстов A.B. II Вести. Моск. ун-та. Физ. Астрой. 2007. № 5. С. 57.
5. Ананьев ¡O.A. Оптические резонаторы и лазерные пучки. М., 1990.
Поступила в редакцию 15.02.2008
