Селектор излучения

О П И С А Н И ЕБо 7 оз 7ИЗОБРЕТЕН ИЯ К АВ Союз Советских Социалистических Республик(22) Заявлено льное к авт. синд ву -21)2.1 5811 т 2118-2 7 7 11 01 " 3/09 Я 02 В 5/3 с присоединением заявки215825/2 асударстоеиный комитетСовета Мииистроа СССРпо делам изооретенийи открытий(71) Заявител СГ Инсти зики Л 54) СЕЛЕКГО 11 ЗЛУ 11 11 ИЯ Изобретение относится к области кванговой эпектроники и может быть испопьзовано в монных непрерывных и импульсных пазерах с широкодиапазонной перестройкой частоты изпучения и с узким спектром гене. рации, применяемых в голографии, нелинейной оптике, лазерной спектроскопии, пазерной фотохимии, а также в устройствах, в которых необходима управляемая селекция изпучения, например, в спектрометрах, монохроматорах и т. д.Дпя по:учения 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 значитепьной пучевой прочностью.Известные в настоящее время сепекто ры изнучения (призменные селекторы, интерферометры фабри-Иеро спектроскопические дифракционные решетки и др.) 111 не удовлетворяют в полной мере вышеназванным требованиям Бпижяйцим известным техническим решением явпяется селектор изпучения, союржяший фязовую пропускающую гоогрямму, у которой оптические оси пучков ну свого и пифрягированного порядксв состявлянтодинаковые углы с ее задней гранью Е 2, В таком сепекторе падающее излучение теп длин вопи, дпя которых собпюпается закон Брэгге, испытывает чястичнук дифракцию на гопограмме, расщеппяясь ня два пучка - нулевой н цифракционный. Каждый из 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.10 15 Другую пару пучков образуют отраженныйпучок нулевого порядка и пучок, испытавший,помимо отражения, двукратную дифракцию.Как известно, при дифракции нафаэовой рещетке происходит запаздывание фазы на-Я /2. Вследствие этого дважды дифрагированный пучок оказывается сдвинутым пофазе. на й, т.е. в противофазе с нулевымпучком. В резупьтате интерференции этипучки оспабпяются. При дифракционной эффективностирешетки 11 50% последняя парапучков гасится полностью,Наряду с отмеченными достоинствами,описанный сепектор обпадает тем су ественным недостатком, что дпя получениявысокой дисперсии необходимо испопьзование скопьзяшего падения изпучения на вход ную грань гопограммы, при котором доня потерь на отражение стремится к 100%.Кроме того, нанесение отражакшего спея, например, диэлектрического зеркапа, на голограмму затруднено, а иногда и невозможно технологически, так как при необходимых для этого операциях (промывка, 25 очистка поверхности, подогрев при напылении покрытий и пр,), происходит нарушение свойств решетки. Рецетка с покрытием обладает бопее низкой лучевой стойкостью, .что ограничивает возможности ее исполь- З 0 зования в мощных пазерах.Испопьзование же внешнего отрджатепя, нанесенного на вспомогательную подложку, успожняе к нструкцию селектора. Создани контакта решетки и отражателя приводит к 35 возникновению дополнительного зазора и паразитного сепектнрования на отдепьных участках, вспедствиенеидеапьности реапьных поверхностей, появляются допопнитепь - ные потери на отражение.40 Наконец, практически во всех современных лазерах в качестве отражателей испопьзуются многослойные диэлектрические зеркала, характеристики которых сильно зави 45 сят от угла падения излучечия. Поэтому при необходимости получения высокой дисперсии.в сочетании с широкодиапазонной перестройкой с помощью прототипа неизбеж ны большие и изменяющиеся угпы падения50 излучения на отражатепь селектора, что приводит к резкому,возрастанию потерьЦепью изобретения является увепичение дисперсии устройства и уменьшение потерь сепектируемого излучения. По"тав пеннаяИ цепь достигается тем, что входная грань сепектора наклонена к его задней грани, которой является задняя грань голограммы, на угол, при котором пучки нулевого и дифрагированнсго порядков испытывают попное внутреннее отражение от задней грани селектора. При испопьзовании тонкоспойныхголографических сред, входной гранью сепектора служит грань кпина иэ оптическипрозрачного материапа, помещенного с помощью оптического контакта на граньгопограммы. В случае использования толстослойных гопографических сред входной граньюселектора спужит передняя грань голограммы.На фиг, 1 представлена схема сепектора,содержащего тонкоспойную голограмму; нафиг, 2 - схема селектора содержащеготопстослойную голограмму.Сепектор состоит из входной грани 1,объемной фазовой гопограммы 2, заднейграни 3.В случае использования тонкоспойныхголографических сред (см. фиг. 1) входной гранью 1 селектора является клин изоптических прозрачного материала 4, помещенный с помошью оптического контактана грань голограммы 2.Дпя топстоспойных гопографических сред(см. фиг. 2) входной гранью 1 селектораявляется грань голограммы 2,Пучок, подпежаший селекции, направляется на входную грань 1 сепектора под нормапьным угпом ипи бпизким к нему. (вспучае необходимости входная грань может бытьпросветпена либо выполнена под угпом Брюстера. к падающему излучению). Попав наголограмму, излучение 5 дифрагирует с выполнением закона Брэгга,211 Л ЫБ 8,2 =Л (1) Здесь .Л -период голограммы, ). длинаволны падакшего изпучення О-угон, который составляет пучки нулевого и дифрагироманного порядков в среде голограммы споверхностями максимального показатепяпреломления гопограммы, т - средний показатель препомнения 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 параппепьными и перекрываюшимися (перекрытие пучков оказывается практически поцным, если диаметр падающего пучка 5 намного больше топшины голо граммы) . Вспедствие того, что углы падения пучов на заднюю грань голограммы удовпетво 59703740 Как и в прототипе в случае объемной голограммы с 3. 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 В=с,8/сА . дпя прототипа и предлагаемого устройства,ряют усаоввию полного внутреннего отра 9 алсьц (Ъ), (Р)то указанные пучки беэпотерь возвращаются в гопограмму При этом отпадает необходимость в специальном средстве отражения,Одна пара пучков 6 расйространяетсяв направцении, противоположном падающему пучку 5 и состоит из пучков, испытав- Оших дифракцию одинакового порядка, Этипучки находятся в фазе для любого типаголограмм , и в результате интерференцииусиливаются.Сложнее обстоит депо дпя второй парыпучков 7, один, из которых является пучкомнулевого порядка, а другой испытываетдвукратную дифракцию. Дпя работы устройства необходимо, чтобы эти пучки ослабляли друг друга т. е, имели разность фаз(2 ть +1).3, где щ-целое число, Дпя этого сдвиг фазы при дифракции должен составлять (2 п 3+ 1)М/2. Этому условию отвечает дифракция только на фаэовой голограмме, обьемной, либо тонкой. Именно этиобстоятельства послужили основанием дпяприменения в предлагаемом селекторе фазовой голограммы, объемной либо тонкой(с использованием первого либо другихнечетных порядков дифракции), когда проис 30ходит полное ипи частичное гашение парыпучков 7.Полная дифракционная эффективность уст 35, ойства (д) в обцем случае равна= (1.-Я,)(-), (Ьо,)Здесь % коэффициент отражения от вход 1ной грани селектора,1 - коэффициент отражения средства3.отражения.Так как в предлагаемом устройстве интерферируюшие пучки испытывают полное внутреннее отражение, дпя которого строго В 1,то45 В нашем случае при падении излучения под углом, близким к нормали ко входной грани селектора, угловая дисперсия опредепяется выражениемф (с,) Здесь А-угол между входной и выходнойгранями селектораХ-длина волны сепектируемого нзпучения. Так как угол ос может стремиться к дГ/2 прн сохранении полного внутреннего отражения, то 0,-4 дф при минимальных потерях на отражение. В случае прототипа угловая дисперси сия определяется выражением ю -л ю:хеСОа 8 2 ,(5)где 81 и 8-углы падения излучения наголограмму соответственно в воздухе и всреде Э 2 дисперсия гопогралмы, определяемая выражением;Я 2 , (5)Так как 8 не может в этом случае превышать значение а сЬл 1(1/Ъ ), то 2имеет конечную величину и увеличение дисперсии селектора в целом, как влно из(4 б), происходит практически только засчет препомпения ца передней грани подложки голограммы, что сопряжено с резкимростом потерь на отражение. Текил образом, в прототипе фактически не нспоцьзуется высокая дисперсия голограммы, В предпагаелом селекторе 8 2 может стремиться в Й/2, т.е.2 теоретически принимаетсколь угодно большие значения (высокаядисперсия голограммы используется полностью).Проведенные нами экспериментальныеисследования лазеров, содержащих селекторы типа, взятых нами в качестве прототипа, показали, что их дисперсия недостаточна дпя получения узкопицейчастой, бпизкой к одночастотной генерации, Кроме то -го, в согласии с приведенным анапизол,потери на отражение от грани селекторапревышали 20%,Досихпор работа описываемого селектора рассматривалась на фиксированной длине волны излучения, Предст,твпяет интересвопрос перестройки дпины волны с помощьюпредлагаемого селектора. Перестройка селектора осуществляется изменением направления пучка 5 либо поворотом устройства,Дпя обьемной голограммы с периодом А возможна селекция излучения тех дшн волн,которые попадают в спектральный нцтсовап2 Л С 3 2 пЛ. (6)Границы интервала определяются цеооходимосгью одновременного выпопнения условийБрэгга (1) и полного внутреннего отраже597037 20 7ния на задней грани голограммы 2. В реальных системах спектральный диапазон, в котором возможна селекция излучения с заданной решеткой, чрезвычайно велик, Так, прийъз 1,52 (желатина) 1 может изменяться 5от 2 А доЗЛ . При А=0,2 мкм воз-,можна перестройка в пределах 40006000 1,для ниобата лития (П - 2,2) этот ицтервап возрастает .до 4000+ 8800 А.Анализ показывает, что с помощью предпагаемого сепектора можно производитьэффективную перестройку длины водны генерации в пределах +10% от вепичицы средФцей длины вопны, равной 2,54 Л при от 15носитепьно небопьших изменениях дифракциоцной эффективности (до 10% от максимального значения) и угловой дисперсии(менее, чем в 2 раза). В случае прототипа, рабочий интервал перестройки дпицыволны значитепьцо меньший, ввиду резкогоизменения потерь сепектируемого излучения,Итак, сопоставление прототипа и предпагаемого устройства показывает, что поспеднее обпадает рядом существенных преимуществ:.1, Как показано выше, достигаетсясколь угодно бопьшая дисперсия прц сохранении широкодиапазоццой перестройкичастоты и практически попцом исключениивредных потерь ца отражение,2, Отпадает необходимость в сцециапьном средстве отражения. При этом одновременно возрастает лучевая стойкостьселектора и упрощается его конструкция. венства углов падения и дифракции рабочего порядка, Отметим, что требование строгой нормапьности поверхностей максимапьного показателя преломления к отражателю дпя обьемных гопограмм в действительности не явпяется столь жестким. Проведенный нами ацапиз показал, что требуется пишь выполнение условия Л/Ы, где Г -угол между упомянутыми поверхностями и нормапью к отражающей плоскости. В типичном случае голограмм ца слоях жепатицы (Й - -10 мкм, Л =0,3 мкм) должно быть ЧФ 0,015 = 50 1. То же условие попу- чается 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 дпицы волны Ьф 1,06 мкм (ОКГ наРассмотрим пример конкретного выполненияя устройства. Лп я за писи фазовых решеток наиболее удобно испопьзовацие газовых ОКГ, например, гелий-цеонового, гепий-кадмиевого, аргонового и др, В качестве регистрирующих сред в настоящее время применяются тонкоспойные среды ( бихромированная желатина, хапькогецидные стекла и др,) и топстосдойцые среды (например, кристаллы сегнетоэпектриков). Спедует подчеркнуть, что требуемые топшины тонкоспойных голограмм не превышают нескольких микрон вследствие использования больших углов падения пучков на заднюю грань последней, необходимых 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 ра 41,5 7 0 0 имом угле ктора(см. ции толь жеекцию изависимос Как видно, при легко достиж дифракции 6 е 80 дисперсия селе порядок выше, чем у прототипа мупу 4 б).До сих пор речь шпа о селе чения по длинам волн. Однако с успешно можно производить сеп поляризации, воспопьзовавшись5) 9 7 1;57 Составитель Е, Халатова селева Техред Н. Бабурка КорректорРедак п П Тираж 960ственного комитеделам изобретениМосква, Ж-Э 5, Р акаэ 1159/52 ЦНИИПИ Госу дписное1 инистрой Совете открь 11 ЭО окая на илиад ППП Па жгород, ул. Проектная,зфф 5 ективности л)фракции от иГ)П 5)ризлции ивдак)цего света (5).д (Ль,с/Лбов 6 ), 17 а) = Мр (ЗГп с Сов 2 В/АСОВ 6), (,Лб) 5 Здесь к 1-глубина модуляции показателя преломпения решетки.Предложенный селектор позволит существенно увеличить избирательность оптических квантовых генераторов, легко осуществлять узколинейчатую генерацию с плавнойширокодиапазонной перестройкой для лазеров непрерывного и импульсного действия,свил-лазеров и т. д. при замене им одного 5из зеркал резонатора, Возможно успешноеиспользование предложенного селектора вспектральных исследованиях,ф о р м у л а 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 й с я тем, что, с целью увеличения дисперсии устройства и уменьшения потерь селекти)уемГ)го иГ)лучпи 55, их 3535)я ),555 селектора нлклиГ)ня к ег опии й51 Г 55555, которой является зяпияя грянь гГ 1 Г 5 ц 5 лГ,55,5, нв угол, ири котором пучки иул)555 и 55;- рягироввнного Ги)ряпкя ис.и.ГТ 5,иля т и пи внутреннеетряжепиГ от зяпиГ й г 1 яин се 5 лторя.2. Селектор ио и. 1, о т и и ч я )5- щ е е с я тем, что, Г. цельк гол 5,5 Г 5 яния тонкоспойных глогрл)515 нческих .рГ и, вхоисой гранью селектора служит г 1 яи), клина иэ оптически прозрячиого мятер 55 япя, и- мешенного с помоиыо оптического кГ)итяктя на грань голограммы.3. Селектор ио и. 1, о т и и ч я кш е е с я тем, что, с цепьк 5 нспГ)пьзГичГния топстослойных голографических Г ред,входной гранью селектора служит передняягрань голограммы.Источники информации, принятые Г 5 внимание ири экспертизе;,1. Галутва Г. В. Рязанцев А, И, Селекция типов колебаний н стабилизация чвстоты оптических квантовых генераторов.Связью, М., 1972, с, 20.2. Патент франции Мо 2095291,кл. Н 013/00, С 02 В 5/00,19 70.