Плоская линза из пластически деформированного лейкосапфира

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОАО « НИТИОМ ВНЦ «ГОИ им. С.И. ВАВИЛОВА»

ПЛОСКАЯ ЛИНЗА ИЗ ПЛАСТИЧЕСКИ ДЕФОРМИРОВАННОГО ЛЕЙКОСАПФИРА

Ветров В.Н.

Игнатенков Б.А.

Модификация свойств лейкосапфира путем пластической деформации диска позволяет получить пластины с переменным углом наклона оптической оси кристалла к поверхности, являющиеся линзой для необыкновенных лучей.

Разработка плоских оптических линз актуальная проблема, решение которой позволит избавиться от характерных оптических искажений традиционной оптики. В настоящее время исследования направлены на изучение сдвига фазы излучения на поверхности тонкой пластинки кремния [1] и получение метаматериала с отрицательным коэффициентом преломления излучения [2]. Причем, в первом случае, получены результаты только для ИК-области спектра: для длин волн более 1 мкм.

Рис.1. Схема получения плоской линзы из модифицированного лейкосапфира (1 - заготовка мениска толщиной H, Z - одна из оптических осей, образующих в объёме конус оптических осей; 2 - плоская линза; 3 и 4 - входная и выходная поверхности плоской линзы).

У оптических элементов из анизотропных кристаллов по сравнению с деталями из кристаллов с кубической структурой дополнительный параметр: ориентация оптической оси кристалла относительно преломляющей поверхности элемента, обуславливает особенность оптических свойств детали из-за разности скоростей распространения волн обыкновенного и необыкновенного лучей. Плоскопараллельная пластинка, вырезанная из заготовки мениска, полученной методом центрально кольцевого изгиба диска лейкосапфира, перпендикулярно оси симметрии заготовки (рис. 1), имеют переменный угол оптической оси кристалла Z относительно поверхности. В работе рассмотрены особенности преломления света в пластинке из модифицированного лейкосапфира при падении параллельного пучка лучей перпендикулярно поверхности детали.

Для параллельного пучка лучей, падающих перпендикулярно поверхности пластинки из модифицированного лейкосапфира, наблюдаем картинку подобную коноскопической с осью симметрии совпадающей с центральной точкой, где оптическая оси кристалла перпендикулярна поверхности. Волновой фронт необыкновенных лучей, построенный в соответствии с принципом Гюйгенса, как огибающая поверхность элементарный волн в виде эллипсоидов вращения, определяет новое направление распространение лучей. В нашем случае на выходе пластины лучи смещаются на некоторое расстояние в сторону оси симметрии детали в плоскости, проходящей через последнюю. Причем это смещение увеличивается при удалении от центральной точки пластины. В плоскости перпендикулярной оси симметрии детали получаем осесимметричную зависимость смещения необыкновенных лучей от центральной точки. Именно различие поведения лучей в пластинке с изменяемым углом оптической оси кристалла к поверхности, обуславливает результат подобный коноскопической картинке. При падении параллельного пучка лучей получаем сходящиеся пучок необыкновенных лучей с фокусом на оси симметрии детали.

В пластинке из модифицированного лейкосапфира угол отклонения оптической оси кристалла от нормали к входной поверхности детали равен ( рис.1, 2): лейкосапфир пластический оптический луч

где безразмерный параметр y1 = y/R, R - радиус мениска, а x0 - характеризует расстояние (в долях R ) от вершины заготовки до входящей поверхности, т.е. положение пластинки относительно вершины заготовки.

Рис. 2 Схема преломления лучей 1 и 1ґ в плоской линзе из модифицированного лейкосапфира.

Подставив значения углов 1, для разных точек входной поверхности детали в выражение для определения угла рассогласования необыкновенного луча и оптической оси кристалла (2), приведенное в монографии [3] , а далее согласно уравнения (3), можно определить изменение показателя преломления необыкновенного луча n(y1) на входной поверхности детали при нормально падении пучка лучей.

n0 , ne - показатель преломления обыкновенного и необыкновенного лучей.

Данный подход позволяет оценить изменение показателя преломления необыкновенного луча на выходной поверхности детали. Согласно схемы преломления лучей 1 и 1ґ (рис.2) получаем:

и далее определяем угол рассогласования между направлением оптической оси и необыкновенным лучом на выходной поверхности детали p2 и соответствующую величину ne(y2) для каждой точки этой поверхности.

Рис.3. Зависимость показателя преломления необыкновенного луча ne(y1), ne(y2) от расстояния до центра плоской линзы из модифицированного лейкосапфира при нормальном падении параллельного пучка света (1- входная поверхность линзы 1; 2- вторая поверхность линзы 1, x0=0,036R, =0,036R, =4,206 мкм).

Результат в виде трехмерных графиков для пластинки из модифицированного лейкосапфира, приведенный на рис 3, показывает изменение ne(y1) для каждой точки поверхности и симметричность его величин относительно оси симметрии детали. Диапазон значений ne(y1) линзы обуславливается следующими параметрами: расстоянием от входной поверхности линзы до центра соответствующей заготовки детали и направлением оптической оси кристалла. В центральной точке плоской линзы показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей равны, лучи распространяются не преломляясь. Увеличение отклонения необыкновенного луча от нормали к входной поверхности плоской линзы можно достичь увеличением угла г (уменьшением кривизны пуансона при центрально-кольцевом изгибе) и расстояния входной поверхности линзы до вершины заготовки x0.

На выходной поверхности детали (рис. 2) имеем два процесса обуславливающие величину угла рассогласования p2 , соответственно nе(y2) : уменьшение угла 2 при наклонном распространении необыкновенного луча и изменение угла его падения на вторую поверхность детали. Причем при увеличении расстоянии от центральной точки линзы возрастает отклонение необыкновенного луча от нормали к поверхности и угол его падения на выходную поверхность детали. Учитывая осесимметричность детали, после преломления необыкновенный луч направлен к оси симметрии детали, т.е. линза собирательная для необыкновенных лучей.

В отличие от монокристаллической пластинки лейкосапфира (наклонное падение лучей) где обыкновенный и необыкновенный лучи поляризованы взаимно перпендикулярно, в нашем случае на выходе из плоской линзы имеем эллиптично поляризованный пучок, причем степень эллиптичности увеличивается от центра к периферии детали.

Литература

1. Francesco Aieta , Patrice Genevet, Mikhail A. Kats, Nanfang Yu , Romain Blanchard , Zeno Gaburro , and Federico Capasso. //Nano Lett., 2012, 12 (9), pp 4932-4936.

2. Шустер А., Введение в теоретическую оптику, ОНТИ, Л.М., 1935, 376с

Размещено на Allbest.ru