Селектор излучения

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОИУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик о 11649074-2 присоединением заявкиО) Приоритет Опубликовано 25,02.79 Госуд ственный комитетСССРдм изобретенииоткрытий о д ДК 621,375,:772.99 (088.8) летень Ю ата опубликования описания 2802.79(71) Заявител иэики АН Украинско тит 4) СЕЛЕКТОР ИЗЛУЧЕНИЯ квантово польэойчатой в широковыо рацииняемоголограернойвах, врасходния. о В настоящее время в большинстве областей применения лазеров требуется уэколинейчатая (в пределе одночастотная) перестраиваемая в широком спе ктральном 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. ду тру аберра ЯО Известно также использование дляукаэанной 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 по- З) скольку дисперсия призмы не высока Изобретение относится кэлектронике и может быть ивано для получения узколинперестраиваемой по частотеспектральном диапазоне геннужденного излучения, примв лазерной спектроскопии,фии, нелинейной оптике, латохимии, а также в устройсторых необходимо изменениемости селектируемого излуче Кроме того, поскольку поле в резонаторе лазера имеет расходимость,значительно превышающую дифракционную (теоретический предел), то даже б резонаторы с высокой избирательностью не позволяют обеспечить узколинейчатую генерацию (близкую к одночастотной) .Проблема уменьшения расходимости О лазерного излучения обычно решаетсясочетанием в резонаторе лазера селектора с телескопом, например, слинзовым, состоящим из пары софокусно расположенных линз, Однако линэоо вый телескоп в лазерной технике широкого распространения не получил иэ-эасложности его конструкции и большихгеометрических размеров, а также ввидностей его юстировки и наличия(2-;4 угл. с/А), приэматич ский телескоп используется в сочетании с дифракционными решетками для получения узколинейчатой генерации. Кроме того, в таком телескопе уменьшение расходимости тем больше, чем больше угол падения излучения на его входную грань,5 что, как известно, сопряжено с резким ростом потерь излучения на френелевское отражение. Этот факт накладывает ограничение на предельно достижимый коэффициент телескопичности, прак тически не превышающий 20-30 крат,Наилучшим сочетанием высокой угловой дисперсии и низких потерь селектируемого излучения среди известных устройств обладает селектор излуче ния, содержащий пропускающую объемную фазовую голограмму, у которой оптические оси пучков нулевого и дифрагированного порядков составляют одинаковые углы с ее задней гранью, щ 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 грань30опод 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 фрагированных пучков, идущих по направлению падающего пучка, т.е. реализуется автоколлимационный режим. Поскольку угол дифракции в среде голограммы может стремиться к юГ/2 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 50 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 вышеназваннойзадачи.Следует также отметить, что автоколлимационный режим, в котором рабо"тает этот селектор, накладывает жесткие :.Ребования на параллельность дифрагированных пучков. Практически изэа рассеяния на неоднородностях голограммы дифракционная эффективность неможет достигать 100.Целью изобретения является изменение расходимости селектируемого излучения и расширение спектрального диапазона высоких значений избирательности селектора.Достигается зто тем, что в селекторе, содержащем объемную фаэовуюголограмму, поверхности максимального показателя преломления голограммынаклонены к ее граням,На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.Селектор состоит из объемной фазовой голограммы 1 с периодом Л и углом наклона поверхностей максимального показателя преломления относительно ее граней фДля 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 видЛ ., Я- 84 П Ч+ ЫП 1 - , (1)созе П./где ) и- соответственно углы падения и дифракции в среде относительно нормали к граням голограммы. Учитывая, что р:ф +Юг и Ю=Фг,и, произведя преобразования, условие (1) переходит в обычное условие Брэгга2 пАьщ Ог=1.Здесь 62 - 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 диспер(8) стоит делства, иэбделяется с)9 со 50 дЛ пЛсо я Ч:ЕО 7)д Х пЛсоб ропт. Поскольку углы р и различаются, то резко раэличаизбирательности устройства лучения, падающего на его вход- выходную грани. Иэ условия (7) что приф +Й/2 избирательность тся к оО и так как в данном 82 значительно меньше Й /2 то ство весьма чувствительно к поворотам, что обеспечивает 56 длЯ (11:срезкоются идля иэную ивидно,стремислучаеустройугловым сии решетки. Из геометрического рассмотрения следует,что С,другой стороны, дифференцируя условие (1) при условии, что =СОПВС, получаемдЮ СОВАтюж а(4)дц СОВ (Р К В известном устройстве поверхности максимального показателя преломления голограммы перпендикулярны еезадней грани, т.е. ф = 0 и согласно З)условию (3) К=1, а это значит, что впроцессе селектирования не происходитизменения расходимости и сечения селектируемого пучка.Сравним теперь избирательность, .25т.е. Угловую дисперсию при постоянномугле падения в случае с известнымустройством и предлагаемым. Для изве.стного устройства избирательностьопределяется соотношением 30(5)о 82ад пЛсоее,Видно, что при стремлении 8 2 к Я/2селективность стремится к оо . Однако 35в области высокой избирательностиустройство мало чувствительно к егоугловым вращениям, а поскольку этаобласть ограничена сравнительно небольшим (несколько Угловых градусов)угловым диапазоном, то поэтому невозможно получить широкодиапазоннуюперестройку длины волны излученияпри высокой избирательности устройства,45Иначе об о для предлагаемого устрой ирательность которого опре двумя соотношениями Это означает, что угловая расхолимость пучка изменяется в 1/К раз, Таким образомпосле 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 к от р 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 резонатора 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, рав- на Здесь В 1 и В - коэффициенты отражения соответствейно от входной и выходной граней селектора, и 1 - амплитуда модуляции показателя преломления, Т - толщина голограммы - длина волны излучения в вакууме, ц н 4 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 В 1= 2 й О, Тогда из условия (8) видно, что + 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+ превысить величину 80.649074 Заказ 570/50 Тираж 922 Подписное ПП Патент,г.ужгород,ул.Проектная, ЦНИИПИ Пример конкретного выполнения устройства. Для голографической записифазовых решеток наиболее удобно использовать газовые ОКГ, работающие водномодовом режиме, например, гелийнеоновый, гелий-кадмиевый, аргоновый.В качестве регистрирующихсред в 5настоящее время наиболее пригодныкристаллы сегнетоэлектриков, бихромированная желатина, халькогенндныестекла и др.Запись осуществляется по двухплечевой схеме. Для этого пучок лазерарасширяется телескопом и ограничивается диафрагмой такого диаметра, чтобы через нее проходила наиболее однородная часть пучка, Затем с помо- )5щью делителя пучок расщепляется надва и поворотными зеркалами обеспечивается их пересечение, в областькоторого помещается регистрирующаясреда. Обеспечить наклон поверхностей максимального показателя преломления на угол ф такой величины,чтобы для считывающего излучения сдлиной волны Яс угол (р был близокк 90 в (угол ц) в среде 1), можно несколькими путями:1. Испольэовать при записи излучения с Л 8 Я2. Если же А"-Я.с, то мжжно вводить записывающйе пучки через клин,помещенный с помощью иммерсии на подложку голограммы,3. При считывании использоватьвторой или более высокие порядкидифракции Брэгга, так как при этома пукэдб35а дф + 6 2 (Б - порядок дифрак 2МБции).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 изобретенияСелектор излучения, содержащий объемную фазовую голограмму, о т л и ч а ю щ и й с я 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 экспертизе1. Голутва Г.В., рязанцев А.И. Селекция тиров колебаний и стабилизация частоты оптических квантовых генераторов. М., Связь, 1972, с. 20.22. Заявка 9 2158192/25, М.Кл. Н 01 Я 3/098 у 18.07,75, по которой принято положительное решение о выдаче авторского свидетельства.