Селектор излучения
Иллюстрации
Реферат
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОИУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Союз Советских
Социалистических
Республик
< о649074 (61) Дополнительное к авт. свил-ву (22) Заявлено 301276 (21) 2436304/18-25 с присоединением заявки РЙ (23) Приоритет
Опубликовано25.0279. Бюллетень № 7
Дата опубликования описания 280279 (51) М. Кл.
Н 01 S 3/098
G 02 В 5/32
Государственный комитет
СССР по делам изобретении и открытий (53) УДК 621. 375, .8:772.99(088.8) (72) Авторы изобретения
М.С. Соскин и В.Б. Тараненко (71) Заявитель
Институт физики AH Украинской ССР (54 ) СЕЛЕКТОР ИЗЛУЧЕНИЯ
Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано для получения уэколинейчатой перестраиваемой по частоте в широком спектральном диапазоне генерации вынужденного излучения, применяемого в лазерной спектроскопии, голографии, нелинейной оптике, лазерной фотохимии, а также в устройствах, в которых необходимо изменение расходимости селектируемого излучения.
В настоящее время в большинстве областей применения лазеров требуется уэколинейчатая (в пределе одночас- 1 тотная) перестраиваемая в широком спектральном диапазоне генерация вынужденного излучения. Для решения укаэанной задачи требуются селекторы излучения, обладающие высокой избирательностью в широком спектральном интервале, а также большой дифракционной эффективностью (или малой величиной вредных потерь излучения) и значительной лучевой прочностью. Известные селекторы излучения (призменные селекторы, спектроскопические дифракционные решетки и др.) не удовлетворяют в полной мере этим требованиям.
Кроме того, поскольку поле в резонаторе лазера имеет расходимость, значительно превышающую дифракционную (теоретический предел), то даже резонаторы с высокой избирательностью не позволяют обеспечить узколинейчатую генерацию (близкую к одночастотной) .
Проблема уменьшения расходимости лазерного излучения обычно решается сочетанием в резонаторе лазера селектора с телескопом, например, с линзовым, состоящим из пары софокусно расположенных линз. Однако линзовый телескоп в лазерной технике широкого распространения не получил иэ-эа сложности его конструкции и больших геометрических размеров, а также ввиду трудностей его юстировки и наличия аберраций.
Известно также использование для укаэанной цели призматического телескопа, которым является призма, работающая при почти скользящем падении излучения (1). В отличие от линзового, призматический телескоп выполняет также функции селектора, ввиду наличия дисперсии показателя преломления материала призмы. Однако поскольку дисперсия призмы не высока
649074 (2-;4 угл. с/А), приэматич ский телескоп используется в сочетании с ди фракционными решетками для получения узколинейчатой генерации. Кроме того, в таком телескопе уменьшение расходимости тем больше, чем больше угол падения излучения на его входную грань, что, как известно, сопряжено с резким ростом потерь излучения на френелевское отражение. Этот факт накладывает ограничение на предельно достижимый коэффициент телескопичности, прак- 30 тически не превышающий 20-30 крат.
Наилучшим сочетанием высокой угловой дисперсии и низких потерь селектируемого излучения среди известных устройств обладает селектор излуче- )5 ния, содержащий пропускающую объемную фазовую голограмму, у которой оптические оси пучков нулевого и дифрагированного порядков составляют одинаковые углы с ее задней гранью, ъп т.е. поверхности максимального показателя преломления голограммы перпендикулярны ее задней грани (2).
Входная грань селектора наклонена к его задней грани, которой является грань голограммы, на угол, при котором пучки нулевого и дифрагированного порядков испытывают полное внутреннее отражение от задней грани селектора. В таком селекторе излучение, падающее на его входную грань
0 о под углом, близким к 0 (для этого период голографической решетки селектора и угол наклона его граней выбираются соответствующим образом), испытав преломление, попадает на 35 объемную решетку и дифрагирует на ней. В результате брэгговской дифракции и полного внутреннего отражения от задней грани голограммы происходит интерференционное сложение ди- 40 фрагированных пучков, идущих по направлению падающего пучка, т.е. реализуется автоколлимационный режим.
Поскольку угол дифракции в среде голограммы может стремиться к Г/2i 45 то можно обеспечить сколь угодно высокую избирательность при минимальных потерях излучения на отражение.
Однако описанный селектор не изменяет расходимость селектируемого излучения, а практически даже увеличивает ее из-за неоднородностей и шумов, присущих голограммам. Таким образом, несмотря на большую величину избирательности, которая в принципе может быть достигнута в данном случае, этот селектор не позволяет получить узколинейчатую (близкую и одночастотную) генерацию без йспольэования телескопа.
Кроме того, в прототипе высокая избирательность имеет место при его высокой. угловой дисперсии, т.е. в области, в которой. угловые повороты селектора не приводят к значительным изменениям длины волны селектируемого излучения. Другими словами, спектральный диапазон высоких значений избирательности селектора недостаточен для решения вышеназванной задачи.
Следует также отметить, что автоколлимационный режим, в котором работает этот селектор, накладывает жесткие -:ребования на параллельность дифрагированных пучков. Практически изэа рассеяния на неоднородностях голограммы дифракционная эффективность не может достигать 1ООЪ.
Целью изобретения является изменение расходимости селектируемого излучения и расширение спектрального диапазона высоких значений избирательности селектора.
Достигается зто тем, что в селекторе, содержащем объемную фаэовую голограмму, поверхности максимального показателя преломления голограммы наклонены к ее граням.
На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.
Ю .
Селектор состоит из объемной фазовой голограммы 1 с периодом Л и углом наклона поверхностей максимального показателя преломления относительно ее граней ф
Для уменьшения потерь селектируемого излучения на френелевское отражение необходимо использовать устройство ввода — клин 2 из прозрачного материала с тем же показателем преломления, что и у материала голограммы, помещенный с помощью оптического контакта на переднюю грань голограммы.
Условие интерференционного сложения пучков, идущих от соседних поверхностей максимального показателя преломления решетки, имеет вид
Л ., Я { > пЧ+б пЦ ) 7 (1) cosð П.
/ где (p и — соответственно углы падения и дифракции в среде относительно нормали к граням голограммы. Учитывая, что (р = ф «92 и g = ф -9< ,и, произведя преобразования, условие (1) переходит в обычное условие Брэгга
2ПАБ4П в2=A.
Здесь 82 — угол падения излучения, отсчитываемый от поверхностей равного показателя преломления решетки.
Таким образом условие {1) является условием Брэгга для решетки, у которой поверхности максимального показателя преломления наклонены на уголф.
В результате дифракции пучка излучения на селекторе-телескопе по условию (1) происходит изменение его ,сечения в К раз в плоскости диспер649074 соб М (3) соВ ф+а сбЮ
80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 89,5
К 5,75 6,40 7,20 8,22 9,60 11,5 14,3 19,1 28,7 57,2 115
minim =(-Яд(13<)sin (8) сии решетки. Из геометрического ðàñсмотрения следует,что
С другой стороны, дифференцируя условие (1) при условии, что =СОПВС, получаем
dv cos y
Ф (4)
dy СоВ 1 К
В известном устройстве поверхности максимального показателя преломления голограммы перпендикулярны ее задней грани, т.е. ф = 0 и согласно условию (3) К-l, а это значит, что в процессе селектирования не происходит изменения расходимости и сечения се:лектируемого пучка.
Сравним теперь избирательность, -Я5 т.е. Угловую дисперсию при постоянном угле падения в случае с известным устройством и предлагаемым. Для изве.стного устройства избирательность определяется соотношением 30 (5) а8, iИ пьсятe, Видно, что при стремлении 82 к Я/2 селективность стремится к oa . Однако в области высокой избирательности устройство мало чувствительно к его угловым вращениям, а поскольку эта область ограничена сравнительно небольшим {несколько Угловых градусов) угловым диапазоном, то поэтому невозможно получить широкодиапазонную перестройку длины волны излучения при высокой избирательности устройства.
Иначе обстоит дело для предлагаемого устройства, избирательность которого определяется двумя соотношениями
d4I сos ф
d A пЛсов у для Р--еоп$1 и а (7)
d i1 пЛсоб у 56 для {)1=СоПВ1. Поскольку углы р и резко различаются, то резко различаются и избирательности устройства для излучения, падающего на его входную и выходную грани. Иэ условия (7) б0 видно, что при ф-+Ю/2 избирательность стремится к оа и так как в данном случае 8 2 значительно меньше 4с //22, то устройство весьма чувствительно к угловым поворотам, что обеспечивает
Это означает, что угловая расходимость пучка изменяется в 1/К раз.
Таким образом после прохождения излучения селектора-телескопа сечение пучка увеличивается в плоскости дисперсии-решетки в К раз, а его угловая расходимость в К раз уменьшается.
В таблице приведена зависимость
K от при условии, что ш = О. (Это оптимальный угол с точки зрения максимально достижимого эффекта телескопичности). щирокодиапазонность перестройки при
:высокой селективности. Тот факт, что предлагаемое устройство обеспечивает изменение угловых характеристик селектируемого излучения, позволяет при использовании устройств в резонаторе лазера производить с помощью поворота одного иэ отражателей резонато12а грубую настройку на заданную длину волны, а с помощью другого тонкую. Это является дополнительным преимуществом предлагаемого устройства перед известным, которое такими свойствами не обладает.
Полная дифракционная эффективность предлагаемого устройства, определяемая отношением интенсивностей дифрагированного и падающего пучков, равна
Здесь R 1 и R — - коэффициенты стражею ния соответствейно от входной и выходной граней селектора, n l — амплитуда модуляции показателя преломления, Т вЂ” толщина голограммы — длина волны излучения в вакууме, ц> н W соответственно угол падения и дифракции в среде. Выбором параметров устройства (периода голограммы, угол наклона поверхностей максимального показателя преломления голограммы и угла клина) можно обеспечить, падение излучения, близкое к нормалям и его входной и выходной граням, т.е. обеспечить Rl= R< e О. Тогда из условия (8) видно, что g,+ определяется только дифракционной эффективностью голограммы, которая теоретически может достигать 100%, а экспериментально достигает 97%. Автоколлимационный режим, в котором работает известное устройство, накладывает жесткое условие на параллельность днфрагированных пучков, которое практически трудно выполнить из-за наличия неоднородностей голограммы, что не позволяет для g+ превысить величину 80t.
649074
ЦНИИПИ Заказ 570/50 Тираж 922 Подписное
Филиал ППП Патент,г.ужгород,ул.Проектная,4
Пример конкретного выполнения устройства. Для голографической записи фазовых решеток наиболее удобно использовать газовые OKI работающие в одномодовом режиме, например, гелийнеоновый, гелий-кадмиевый, аргоновый.
В качестве регистрирующих сред в 5 настоящее время наиболее пригодны кристаллы сегнетоэлектриков, бихромированная желатина, халькогенндные стекла и др.
Запись осуществляется по двухпле- 10 чевой схеме. Для этого пучок лазера расширяется телескопом и ограничивается диафрагмой такого диаметра, чтобы через нее проходила наиболее однородная часть пучка. Затем с помо- 15 щью делителя пучок расщепляется на два и поворотными зеркалами обеспечивается их пересечение, в область которого помещается регистрирующая среда. Обеспечить наклон поверхностей максимального показателя преломления на угол ф такой величины, чтобы для считывающего излучения с длиной волны Я угол р был близок к 90 в (угол tp в среде 1 ), можно несколькими путями:
1. Испольэовать при записи излучения с Яусс с
2. Если же А "- Я.с, то мжжно вводить записывающйе пучки через клин, помещенный с помощью иммерсии на подложку голограммы, 3. При считывании использовать второй или более высокие порядки дифракции Брэгга, так как при этом
@Кб Вб 35 .а (p ф + 6 2 (Н вЂ” порядок дифракR
МБ ции).
Итак, проведенный выше анализ показывает, что описываемое решение позволяет получить ряд существенных преимуществ: достигается изменение расходимости селектируемого излучения; достигается расширение спектрального диапазона высоких значений избирательности селектора; устраняются жесткие требования к оптическому совершенству голограммы и к строгости юстировки дифрагированных пучков, так как устранен автоколлимационный режим работы устройства.
При использовании в сочетании с описываемым решением известного решения, а именно клина из прозрачного материала, помещенного с помощью оптического контакта на переднюю грань голограммы, укаэанные преимущества обеспечиваются при высоких значениях дисперсии и практическом отсутствии потерь излучения на отражение от входной грани селектора.
Формула изобретения
Селектор излучения, содержащий объемную фазовую голограмму, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью изменения расходимости селектируемого излучения и расширения спектрального диапазона селектора, поверхности максимального показателя преломления голограммы наклонень к ее граням.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1. Голутва Г.В., Рязанцев A.È.
Селекция тиров колебаний и стабилизация частоты оптических квантовых генераторов. М., Связь, 1972, с. 20.
2. Заявка Р 2158192/25, М.Кл.
Н 01 S 3/098, 18.07.75, по которой принято положительное решение о выдаче авторского свидетельства.