Селектор излучения
Иллюстрации
Реферат
Оп ИСАНИЕ ы7О
ИЗОБРЕТЕН ИЯ
Союз Советских
Социалистических
Республик
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. синд-ву— (51) М, Кл, ll 01 Ь 3/098 (22) Заявлено18.07.75 (21) > ) 58102/18-2. с присоединением заявки № 2158255/25 (23) Приоритет (43) Опубликовано 05.03.78. Бюллетень №О (45) Дата опубликования описания 15.02.78
Я 02 В 5/32
Гасударственный комитет
Совета Министров СССР па делам изооретений н открытий (53) УДК 62.1.375.8: . 772.99 (088.8) 72) Авторы изобретения
M. С. Соскин и Б. Б. Та1яненко (71) 3а явитель
Институт физики Л1l УССР (54) СЕЛЕК ГОР 113ЛУ ll:l114Я
Изобретение относится к области квантовой эпектроники и может быть использовано в мощных непрерывных и импупьсных пазерах с широкодиапазонной перестройкой частоты изпучения и с узким спектром генерации, применяемых в голографии, нелинейной оптике, лазерной спектроскопии, паэерной фотохимии, а также в устройствах, в которых необходима управляемая селекция иэпучения, например, в спектрометрах, моно-lp хроматорах и т. д.
Дпя получения широкодиапазонной узкопинейчатой перестройки частоты изпучения требуются селекторы изпучения, обпадающие высокой дисперсией в широком спект 15 рапьном интервапе, а также бодьшой дифракционной эффективностью (ипи мапой вепичиной вредных потерь иэпучения) и значительной пучевой прочностью.
Известные в настоящее время сепекто- 20 ры изнучения (призменные селекторы, интерферометры Фабри-Г1еро, спектроскопические дифракционные решетки и др.) Pj не удовлетворяют в полной мере вышеназванным требованиям.
Бпижяйшим известным техническим решением явпяется селектор изпучения, ссцн ржяший фязовую нропускяюшую гопогрямму, у которой оптические оси пучков »у свого и пифрягированного порядков составляют одинаковые углы с ее задней гранью (2).
В таком сепекторе падающее излучение теп длин вопи, дпя которых собпюпается закон Брэгге, испытывает частичную дифракцию на гопограмме, расщеппяясь ня два пучка — нулевой и дифракционный. Каждый иэ них после отражения от средства отражения вновь расшеппяется ня двя, образуется четыре пучка. Еспи гопогрямма записана так, что угпы падения пучков нулевого и дифракционного порядков на отражатепь одинаковы, то указанные пучки образуют две тары когерентных параппепьных перекрывающихся пучков. Одна пара состоит из дифрягированных пучков, испытавших дополнительное отражение, в реэупьтате которого они выходят иэ гопограммы в направпении, противоположном направпению падающего излучения.
Эти пучки, таким образом, находятся в фазе и,в результате интерференции усиливаются.
597037
Другую пару пучков образуют отраженный пучок нулевого порядка и пучок, испытавший, помимо отражения, двукратную дифракцию.
Как известно, при дифракции на фаэовой решетке происходит запаздывание фазы на
- Я /2. Вследствие этого дважды дифрагированный пучок оказывается сдвинутым по фазе. на Лт т.е. в противофазе с нулевым пучком. В результате интерференции эти пучки ослабляются. При дифракционной эффективности решетки Q 504 последняя пара пучков гасится полностью.
Наряду с отмеченными достоинствами, описанный селектор обладает тем суг ественным недостатком, что для получения высокой дисперсии необходимо использова ние скользящего падения излучения на вход
15 ную грань голограммы, при котором доля потерь на отражение стремится к 10С6о, Кроме того, нанесение отражающего слоя, например, диэлектрического зеркала, на голограмму затруднено, а иногда и невозможно технологически, так как при необходимых для этого операциях (промывка, очистка поверхности, подогрев при напылении покрытий и пр.), происходит нарушение свойств решетки. Решетка с покрытием обладает более низкой лучевой стойкостью, .что ограничивает возможности ее исполь- 50 зования в мощных лазерах.
Использование же внешнего отражателя, нанесенного на вспомогательную подложку, усложняет к нструкцию селектора. Создани контакта решетки и отражателя приводит к 35 возникновению дополнительного зазора и паразитного селектнрования на отдельных участках, вследствие неидеалы ости реальных поверхностей, появляются дополнитель— ные потери на отражение.
Наконец, практически во всех современных лазерах в качестве отражателей используются многослойные диэлектрические зеркала, характеристики которых сильно зави45 сят от угла падения излучечия. Поэтому при необходимости получения высокой дисперсии в сочетании с широкодиапазонной перестройкой с помощью прототипа неизбеж ны большие и изменяющиеся углы падения
50 излучения на отражатель селектора, что приводит к резкому,возрастанию. потерь..
1Яелью изобретения является увеличение дисперсии устройства и уменьшение потерь селектируемого излучения. По"тав ленная
И цепь достигается тем, что входная грань селектора наклонена к его задней грани, которой является задняя грань голограммы, на угол, при котором пучки нулевого и дифрагированнсго порядков испытывают полное внутреннее отражение от задней грани селектора. При использовании тонкослойных голографических сред, входной гранью селектора служит грань клина иэ оптически прозрачного материала, помещенного с помощью оптического контакта на грань голограммы. В случае использования толстослойных голографических сред входной гранью селектора служит передняя грань голограммы.
На фиг. 1 представлена схема селектора, содержащего тонкослойную голограмму; на фиг. 2 — схема селектора, содержащего толстослойную голограмму.
Селектор состоит из входной грани 1, объемной фазовой голограммы 2, задней грани 3.
В случае использования тонкослойных голографических сред (см. фиг. 1) входной гранью 1 селектора является клин из оптических прозрачного материала 4, помещенный с помощью оптического контакта на грань голограммы 2.
Для толстослойных голографических сред (см. фиг. 2) входной гранью 1 селектора является грань голограммы 2, Пучок, подлежащий селекции, направляется на входную грань 1 селектора под нормальным углом или близким к нему. (вслучае необходимости входная грань может быть просветлена либо выполнена под углом Брюстера. к падающему излучению). Попав на голограмму, излучение 5 дифрагирует с выполнением закона Брэгга, Здесь Л -период голограммы, ). длина волны падак щего излучения 8 g- yrort, который составляет пучки нулевого и дифраги романного порядков в среде голограммы с поверхностями максимального показателя преломления голограммы, т1 - средний показатель преломления среды, в которой записана голограмма, После отражения пучков нулевого и дифрагированного порядков от задней грани голограммы 3, каждый из них вновь дифрагирует на голограмме: образуются две пары когерентных пучков 6 и 7. Так как голограмма записана так, что пучки нулевого и дифрагированного псрядков образуют одинаковыо углы падения на заднюю грань 3 последней, то, в соответствии с законом зеркального отражения указанные пары пучков являются параллельными и перекрывающимися (перекрытие пучков оказывается практически полным, если диаметр падающего пучка 5 намного больше толщины голо граммы) .
Вследствие того, что углы падения пуч«ов на заднюю грань голограммы удовлетво597037
l.= (-,Р i(- ), (5) Как и в прототипе, в случае объемной голограммы с g- 0,5 пучки 7 гасятся полностью, а их энергия перекачивается в пучок 6. При этом т) определяется только френепевским отражением на входной грани селектора Ф,1 . Эти потеря дпя предлагаемого сепектора могут быть сведены к минимуму, если параметры селектора выбраны таким образом, чтобы сепектируемое излучение падало по нормали ко входной грани селектора ипи близко к ией. . Сравним теперь основную характеристику селектора, угловую дисперсию Р =d,e /сЕЬ . дпя прототипа и предлагаемого устройства. ряют усаоввию полного внутреннего отра9 > 01 С ба (1Ъ )» Ф) то указанные пучки беэ потерь возвращаются в гопограмму.. При этом отпадает необходимость в специальном средстве отражения.
Одна пара пучков 6 расйространяется в направцении, противоположном падающему пучку 5 и состоит из пучков, испытав- »О ших дифракцию одинакового порядка. Эти пучки находятся в фазе для любого типа голограмм, и в результате интерференции усиливаются.
Сложнее обстоит депо дпя второй пары пучков 7, один .из которых является пучком нулевого порядка, а другой испытывает двукратную дифракцию. Лпя работы устройства необходимо, чтобы эти пучки ослабляли друг друга т. е. имели разность фаз
1 (2лэ +1).Д, где »т -целое число, Дпя этого сдвиг фазы при дифракции должен составлять (2 + 1ф/2. Этому условию отвечает дифракция только на фаэовой голограмме, обьемной, либо тонкой. Именно эти обстоятельства послужили основанием дпя применения в предлагаемом селекторе фазовой голограммы, объемной либо тонкой (с использованием первого либо других нечетных порядков дифракции), когда проис30 ходит полное ипи частичное гашение пары пучков 7.
Полная дифракционная эффективность уст35, ойства (if в об»цем случае равна
1.-R1) (i-q), (О.)
Здесь R коэффициент отражения от вход1 ной грани селектора, — коэффициент отражения средства
2. отражения.
Так как в предлагаемом устройстве интерферируюшие пучки испытывают полное внут реннее отражение, дпя которого строго R - 1, то
В нашем случае при падении излучения под углом, близким к нормали ко входной грани селектора, угловая дисперсия опредепяется выражением
Ф1- (»» с».)
Здесь с4-угол между входной и выходной гранями селектора
3 -длина волны сепектируемого »»злучения.
Так как угол M может стремиться к дГ/2 прн сохранении полного внутреннего отражения, то Q< при минимальных потерях на ог ражение. В случае прототипа угловая дисперси сия определяется выражением и -л " = хе
each Е 2 (5 )
1 где 81и 8 -углы падения излучения на гопограмл»у соответственно в воздухе и в среде 92 дисперсия гопограл»мы, определяемая выражением:
Я 2 . (S)
Так как 6 не может в этом случае превышать значение are sir (l /p, ), то D> имеет конечную величину и увеличение дисперсии селектора в целом, как видно из (4б), происходит практически только за счет препомпения на передней грани подложки голограммы, что сопряжено с резким ростом потерь на отражение. Тлкил» образом, в прототипе фактически не используется высокая дисперсия голограммы. В предлагаемом селекторе 8 может стремиться в Й/2, т.е.2g Tåîðåòè÷åñêè принимает сколь угодно большие значения (высокая дисперсия голограммы используется полностью).
Проведенные нами экспериментальные исследования лазеров, содержащих селекторы типа, взятых нами в качестве прототипа, показали, что их дисперсия недостаточна дпя получения узкопипейчастой, бпизкой к одночастотной генерации. Кроме то—
ro, в согласии с приведенным анапизол», потери на отражение от грани селектора превышали 20о.
Досихпор работа описываемого селектора рассматривалась на фиксированной длине волны излучения. Предст, »впяет интерес вопрос перестройки дпины волны с помощью предлагаемого селектора. Перестройка селектора осуществляется изменением направления пучка 5 либо поворотом устройства.
Дпя обьемной голограммы с периодом A возможна селекция излучения тех длин волн, которые попадают в спектральный интсрвап
2 Л (3. < 2п Л. (6)
Границы интервала определяются неооходимосгью одновременного выпопцения условий
Брэгга (1 ) и полного внутреннего отраже597037
27
2) 30
7 ния на задней грани голограммы 2. В реальных системах спектральный диапазон, в котором возможна селекция излучения с заданной решеткой, черезвычайно велик. Так, при йъ 1,52 (желатина) Д, может изменяться 5 от 2 А до 33.. При А-0,2 мкм воз-, можна перестройка в пределах 4000 6000 А, для ниобата лития (П = 2,2) этот HIITepвап возрастает .до 4000+ 8800 А.
Анализ показывает, что с помощью предлагаемого сепектора можно производить эффективную перестройку длины вопны генерации в пределах «+104 от вепичины сред+ ней длины вопны, равной 2,54Л при от15 носитепьно небопьших изменениях дифракционной эффективности (до 10!о от макс имапьного значения) и угловой дисперсии (менее, чем в 2 раза). В случае прототипа, рабочий интервал перестройки дпины
20 волны значитепьно меньший, ввиду резкого изменения потерь сепектируемого излучения.
Итак, сопоставление прототипа и предпагаемого устройства показывает, что поспеднее обпадает рядом существенных преимуществ: .1. Как показано выше, достигается сколь угодно бопьшая дисперсия прп сохранении широкодиапазонной перестройки частоты и практически попном искпючении вредных потерь на отражение.
2. Отпадает необходимость в специап» ном средстве отражения. При этом одновременно возрастает лучевая стойкость селектора и упрощается его конструкция. венства углов падения и дифракции рабочего порядка. Отметим, что требование строгой нормапьности поверхностей максимапьного показатепя преломления к отражателю дпя обьемных гопограмм в действительности не явпяется столь жестким. Проведенный нами анапиз показал, что требуется пишь выполнение условия «Л/2d, где W -угол между упомянутыми поверхностями и нормапью к отражающей плоскости. В типичном
1 случае голограмм на слоях жепатины (d—
-10 мкм, Л =0,3 мкм) должно быть Ч « 0,0.15 = 50 1 . То же условие попучается и дпя тонкой голограммы. Таким образом; при записи пучки должны составлять одинаковые углы с нормалью к задней грани регистрирующей среды с точностью более 1, что легко достижимо, Приведены дисперсионные характеристики селектора на кристалле ниобата лития для дпины волны Л 1,06 мкм (ОКГ на .14ф стекпах и кристаппах, активированных № (TcI t> IIII II II ), Рассмотрим пример конкретного выполнения устройства. I1IIя записи фазовых решеток наиболее удобно испопьзование газовых ОКГ, например, гелий-неонового, гелий-кадмиевого, аргонового и др. В ка40 честве регистрирующих сред в настоящее время применяются тонкоспойные среды (бихромированная желатина, хапькогенидные стекла и др.) и топстоспойные среды (например, кристаллы сегнетоэпектриков). Спедует подчеркнуть, что требуемые топщины тонкоспойных гопограмм не превышают нескольких микрон вследствие использования больших углов падения пучков на заднюю грань последней, необходимых
59 дпя получения эффекта попного внутреннего отражения. Помимо снижения вредных потерь на отражение и т. и. и экономии материала, это обеспечивает максимальное перекрытие интерферируемых пучков, что повышает эффективность устройства.
Запись решеток производится по обычной двухпучевой схеме, причем они должны быть симметричны к слою регистрирую щей среды, чтобы выполнялось условие ра41,5
Как видно, при легко достижимом угле дифракции 6+80 дисперсия селектора на
Ю порядок выше, чем у прототипа (см. формупу 4 б).
llo сих пор речь шпа о селекции излучения по длинам волн. Однако столь же успешно можно производить селекцию по поляризации, воспопьзовавшись зависимостью
597037
Составитель Е. Халатова
Редактор P. Киселева Техред Н, Бабурка Корректор Е. Папп
Заказ 1 1 59/52 - Тираж 960 Подписное
HHHHfIH Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., a. 4/5
Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 зфф)ективности лифракции от пол%)ризяции пацан)шего света (5) q .-n (xn,,d./ Cos 9 ), (7a.)
М„Л (Xn d Cos 2S /А Сов ) . (76)
Здесь е -глубина модуляции показателя преломпения решетки.
Предложенный селектор позволит существенно увеличить избирательность оптичес- )о ких квантовых генераторов, легко осушествлять узколинейчатую генерацию с плавной широкодиапазонной перестройкой для лазеров непрерывного и импульсного действия, свил-лазеров и т. д. при замене им одного 15 из зеркал резонатора. Возможно успешное использование предложенного селектора в спектральных исследованиях.
Ф о р м у л a и з о б р е т е н и я
1. Селектор излучения, содержаший фазо вую пропускающую голограмму, у которой оптические оси пучков нулевого и дифрагированного порядков составляют одинаковые углы с ее задней гранью, о т л и ч а юш и и с я тем, что, с целью увеличения дисперсии устройства и уменьшения потерь селекти1)Уемого и;)лУч IIH)), PII(i)III, I)I t . IIII селектора наклонена к его;)ацн и гp.,)яи, которой является зяпняя грянь гnllnl ))яч,1)я, на угол, при котором пучки цуяоBI>) п и л))фрягированного лорялкя испытьп;ял т»l»lllol внутреннее отражение от зяпной Гpl)IIH сел кторя.
2. Селектор по и. 1, о т и и ч я )»ш е е с я тем, что, с польл1 ис»I»II. оляния тонкослойных г1логр))фических .рс л, входной гранью селектора служит гря)п, клина иэ оптически прозрячного материала, Ilr)мешенного с помои)ью олти Iel)IIOI к )нт))ктя на грань голограммы.
3. Селектор по и. 1, о т л и ч а к ш е е с я тем, что, с цельк исl)n11))AI) ния толстослойных голографических сред, входной гранью селекгоря служит передняя грань голограммы.
Источники информации, принятые I)n внимание при экспертизе;, 1. Галутва Г. В. Рязанцев А. И. Селекция типов колебаний и стабилизация чястоты оптических квантовых генераторов.
Связь, М., 1972, с, 20.
2. Патент Франции No. 2095291, кл. НО1 6 3/00, С 02 Б 5/ОО, 19 70.