BG67331B1 - Разделител на светлинни снопове с композиционни клиновидни интерференчни структури - Google Patents

Abstract

Изобретението се отнася до разделител на светлинен монохроматичен лазерен сноп, изграден от композиционни клиновидни интерференчни субструктури, който осъществява пространствено разделяне в отделни два снопа на лъчението на падащия сноп или наслагва два пространствено разделени снопове в единствен сноп и който намира приложение в оптични устройства, оптични измерителни и анализаторни системи, лазерната техника, промишлени оптични апаратури, оптичните комуникации. Разделителят на светлинен сноп на пространствено отделни снопове е изграден от насложени последователно поне две интерференчни клиновидни субструктури (S1 и S2) по дължината им в геометрия на последователни попадания на преминалото лъчение от едната към последващата. Субструктурите са с еднакви дължини от 3 до 15 сm. Те могат да бъдат клиновидно обработени подложки (от стъкло, кварц, сапфир) с дебенини 0,2 - 2 mm, паралелно разположени на разстояние от 0,1 до 10 mm една от друга по перпендикуляра към страните на клиновете, а също да представляват нанесени един върху друг частично отражаващи и пропускащи диелектрични слоеве за максимална компактност. Повърхностите на субструктурите са с минимална гладкост от ламбда/4, където ламбда е централната дължината на светлинната вълна, за която се използва разделителя. Всяка субструктура (S1 и S2) представлява подложка с нанесен върху всяка от повърхностите (R1,2 и R3,4) отражателен диелектричен слой или диелектрично огледало с коефициенти на отражение r1,2 и rЗ,4 между 0,04 и 0,8. Самите субструктури могат да представляват клиновиден диелектричен слой от Титанов двуокис, нанесени един върху друг. Ъгълът при върха на всяка клиновидна структура алфа 1 и алфа 2 е с големина между 0.5 x 10 на степен минус 5 и 5 х 10 на степен минус 5 радиана, а субструктурите са с дебелиии в средата е1 и е2 между 1 и 1000 микрона, с коефициенти на пречупване n1 и n2 на съответния материал, от който те са изградени (например за стъкло n1 и n2 = 1.44). Клиновидните слоеве на субструктурите са разположени така, че да бъдат с взаимно паралелни Физо-линии на равен наклон (резонансни линии). За съответно две дебелини е1 и е2 за едната и другата субструктури (S1 и S2) съответстващите резонанси се застьпват частично с отстояние между максимумите им с дължина на отстоянието (в мм) делта x от 1/4 до 1/2 от полуширината на резонансната линия с по-голямата полуширина.

Description

Област на техниката

Изобретението се отнася до разделител на монохроматичен светлинен сноп с композиционни клиновидни интерференчни структури за пространствено разделяне в отделни снопове на лъчението от единствен сноп или за сумиране на пространствено разделени снопове в единствен сноп, който намира приложение в оптиката и оптични устройства, оптични измерителни и анализаторни системи, лазерната техника, промишлени оптични апаратури, оптичните комуникации и др.

Предшестващо състояние на техниката

Известни са устройства за пространствено разделяне на светлинен сноп в отделни снопове, използващи поляризационно разделяне [1], [2], като падащия лъч се разделя на два лъча с различна поляризация. Основен недостатък е управляемост на разделянето само при работата с поляризирана светлина, светлинна поляризираност на изходящите потоци и сложност на реализацията и некомпактност на разделителя.

Известни са устройства за пространствено разделяне на светлинен сноп в отделни снопове базирани на прозрачен материал с абсорбционно допирани примеси [1], [2], [3]. Недостатък са високите енергетични загуби от абсорбция от работните примеси, както и ограничението за работа с ниски мощности на падащия сноп за избягване на загряването и разрушението на делителя и некомпактност.

Известни са устройства за пространствено разделяне на светлинен сноп в отделни снопове базирани тип Фабри-Перо интерферометри [1], [2]. Основен недостатък при тях е промяната на направлението на получените лъчи от разделянето при стандартното управление чрез ъглово завъртане, както и промяна на отражението на съставящите диелектрични отражатели при завъртането. При изграждането им от метални отражаващи слоеве допълнителен недостатък са високите загуби от поглъщане в отражателите. Модулирането на дебелината на специализиран Фабри-Перо интерферометъра чрез пиезо-разделители с електрическо управление и от там на енергетичното разделяне на падащия сноп, води до обща сложна и некомпактна електронно-оптична система-разделител, също с влияние на външни електрични и магнитни полета.

За групата разделители базирани на влакнесто-оптично разделяне [4] основен недостатък е неуправляемост на разделянето и некомпактносг на разделителя.

За разделители базирани на прости едноъглови интерференчни клиновидни структури [5] [6], основен недостатък е присъщата високата стръмност на промяна разделянето при транслацията им, което води до промяна на напречната пространствена структура на получените снопове от разделянето, късия линеен участък на разделяне или високата крайна стойност (70-80%) на разделянето при удължаване на линейния участък с изграждането му от огледала с нисък коефициент на отражение (10-20%).

Техническа същност на изобретението

Задачата на изобретението е да се създаде разделител на падащ светлинен сноп в два отделни светлинни снопа с управляемо съотношение на мощностите в двата снопа, който да обезпечава плавна промяна на съотношението на мощностите в двата снопа, да е без или с пренебрежимо малки (Si под 3%) енергийни загуби от разделянето, да запазва при промяната на енергийното съотношение за сноповете направлението на разпространение на получените снопове, да е с възможност за разделяне на лъчения с високи мощности, без поляризационни изисквания към падащия сноп и получените снопове, с намалена деформация на напречното

BG 67331 Bl разпределение на формираните сноповете спрямо това на падащия, да постига понижена крайна стойност (25%) на разделянето и да бъде с компактна и опростена конструкция.

Задачата се решава с разделител на светлинен сноп на пространствено отделни снопове, който е изграден от насложени последователно интерференчни клиновидни субструктури Si и S₂ по дължината им в геометрия на последователни попадания на преминалото лъчение от едната към последващата. Субструкгурите са с еднакви дължини от 3 до 15 cm. Те могат да бъдат клиновидно обработени подложки (от стъкло, кварц, сапфир) с дебелини 0,2-2 mm, паралелно разположени на разстояние от 0,1 до 10 mm една от друга по перпендикуляра към страните на клиновете, а също да представляват нанесени един върху друг частично отражаващи и пропускащи диелектрични слоеве за максимална компактност. Повърхностите на субструктурите са с минимална гладкост от λ/4, където λ е централната дължината на светлинната вълна, за която се използва разделителя. Всяка субструктура Si и S₂ представлява подложка с нанесен върху всяка от повърхностите Ri,₂ и R_3j4 отражателен диелектричен слой или диелектрично огледало с коефициенти на отражение Γι_>2 и г₃,4 между 0,04 и 0,8. Самите субструктури могат да представляват клиновиден диелектричен слой от титанов двуокис, нанесени един върху друг. Ъгълът при върха на всяка клиновидна структура ой и а₂ е с големина между 0.5x10 ⁵ и 5x10 ⁵ радиана, а субструктурите са с дебелини в средата ei и е₂ между 1 и 1000 μ, с коефициенти на пречупване Πι и п₂ на съответния материал, от който са изградени (например за стъкло щ и п₂ = 1.44). Клиновидните слоеве субструктури са разположени така, че да бъдат с взаимно паралелни Физолинии на равен наклон (резонансни линии). За съответно две дебелини ei и е₂ за едната и другата субструктури Si и S₂ съответстващите резонанси се застъпват частично с отстояние между максимумите им с дължина на отстоянието (в mm) Δχ от 1/4 до 1/2 от полуширината на резонансната линия с по-голямата полуширина.

При дадените подбрани по-горе параметри на субструктурите и падащ светлинен лъч върху разделителя с диаметър, по-малък от полуширините на пространствените резонанси на двете субструктури Si и S₂ за дадените дебелини и ъглите им а₂ и а₂, коефициентите на отражение на всяка субструктура г,.₂ и г₃,₄ и отстоянието Δχ между резонансите формираното разпределение на пропускането от двете субструктури S,, и S₂ по линията, перпендикулярна на ъглите на клиновете, има плавен линеен (или с минимални отстъпи от линейност) спад от максимална стойност до минимална при дължина на спада превишаваща линейния спад на пропускането за всеки съответен резонанс на субструктурите Si и S₂ със стръмност на спадане по-малка от тази за съответните резонанси на субструктурите.

Предимство на разделителя, съгласно изобретението е, че той обезпечава плавен линеен спад на пропускането от максимална стойност до минимална с по-малка стръмност на спада от тази на резонанса за всяка субструктура при дължина на спада, превишаваща дължината на линейния спад на пропускането за всеки съответен резонанс на субструктурите. Това дава възможност, като съществено предимство, за плавна и линейна промяна на пропускането за падащия светлинен сноп спрямо тази на единичните образуващи субструктури Si и S₂ без или с пренебрежимо малка деформация на разпределението на интензитета на светлината в напречното сечение на преминалия и отразения снопове. Управлението на съотношението на мощностите в двата снопа от разделянето на падащия сноп се осъществява с плавна транслация на разделителя в неговата равнина (равнината на двете образуващи субструктури) и по перпендикулярна линия на ръба на клиновете, което не променя направлението на разпространение за всеки от сноповете. В два формирани снопа при разделянето (преминал и отразен) се съсредоточава цялата мощност на падащия сноп, като в изградения от диелектричните слоеве разделител загубите в слоевете са пренебрежимо малки от разсейване и поглъщане в тях (части от процента - свойство на слоевете при тяхното качествено изграждане). При транслационното управление за субструктури с нанесени върху тях отражатели тип многослойни диелектрични огледала се

BG 67331 Bl избягва нежеланата промяна на интерференчните свойства на диелектричните огледала поради запазване на ъгъла на падане. При наложени един върху друг подходящи диелектрични слоеве субструктури, разделителят представлява компактен листоподобен елемент с висока лъчево разрушителна устойчивост, надвишаваща MW/cm².

Предимствата на разделителя се реализират за директно падащи върху разделителя снопове с диаметър по-малък от полуширината на пространствените и спектрални резонанси на двете образуващи разделителя клиновидни субструктури. Ефективното действие на разделителя с по-широк попадащ сноп се осъществява при фокусировката на снопа върху разделителя, намаляваща диаметъра на попадащия за разделяне сноп.

Пояснение на приложените фигури

По нататък в описанието е представено едно примерно изпълнение на разделителя на светлинен сноп с композиционни клиновидни интерференчни структури, което е онагледено с помощта на придружаващите описанието чертежи, където:

Фигура 1 - представлява примерно схематично изпълнение на работната част на разделителя с аналитична графика към него за пояснение на действието му.

Фигура 2 - представлява експериментална крива на пропускането за сноп с диаметър 1 mm за Не-Не лазер (λ = 0.6328 pm) и коефициент на отражение на огледалата 0.8, при което долната крива с кръговите точки е за разделителя съгласно изобретението, а горната крива с триъгълниците е за съставяща субструктура, използвана самостоятелно като разделител.

Фигура 3 - представлява експериментална крива на пропускането за сноп с диаметър 1 mm за син полупроводников лазер (λ = 0.405 pm), за който коефициентите на отражение на огледалата са 0.15, при което долната крива с кръговите точки е за разделителя съгласно изобретението, а горната крива с триъгълниците е за съставяща субструктура, използвана самостоятелно като разделител.

Примери за изпълнение на изобретението

В показаното на фигура 1 изпълнение се представя схематично практически важният случай на падащ паралелен лазерен сноп с примерен диаметър 1 mm (в случая от излъчващ на дължина на вълната 532 nm Nd:YAG лазер-втора хармонична). Ъгълът на падане на снопа към разделителя е 5°. В схематичното изпълнение, представено на фигура 1, разделителят е образуван от две наложени клиновидни диелектрични слоевообразни субструктури Si и S₂, всяка представляваща клиновиден диелектричен слой със съответна оптична дебелина ei = 5 pm и е₂ = 3 pm и ъгли на клиновете αι = 1.2 х IO'⁵ rad и α2 = 0.59 х 10'⁵ rad, и ъгъл на падане на лъча спрямо нормалата към равнината на разделителя 5°. Повърхностите на субструктурите са с отражателни покрития Ri 2 и R3 4 с коефициент на отражение ri_>2 = 0.6, г₂ 4 = 0.5. Субструктурите в примера са нанесени върху стъклени подложки с размери за всяка с дължина 5.4 cm и ширина за Si = 1.8 cm. Подложката (подложките) са с малка клиновидност ~ (2°-5°) от непокритата страна за избягване на интерференчни ефекти. Слоевете, както е показано на фигура 1, са плътно един над друг на разстояние 5 mm и подходящо застъпени по рамото на клина за паралелност на линиите на равен наклон. Разстоянието Δχ по рамото на субструктурите между максимумите на избраните резонанси за Si (еι дебелина = 5 pm) и за S₂, (е₂ дебелина - 3 pm) е подбрано експериментално да бъде 65% от дължината на пространствената ширина на резонанса на S₂ (8,4 cm на полувисочина) чрез приплъзване на субструктурите едната върху другата. В този случай, търсеният линеен участък от формираната крива на пропускане от произведението на двете криви има оптимална дължина - поголяма ~ 2 пъти от тази на всяка субструктура и стръмност на кривата на спадане мощност по малка от ~ 4

BG 67331 Bl пъти спрямо стръмността на резонансното спадане за съставящите субструктури, което е търсеното подобрено действие на разделителя. Отразеният сноп е допълнителен на преминаващия с отчитане на пренебрежимите загуби в диелектричните слоеве.

В долната част на фигура 1 е представена графика на аналитичното пресмятане на постигнатата трансформация на кривите на пропускане на отделните структури Si и S₂ (дадени на фигурата с пунктираните линии) в търсената крива с подобрени разделителни качества от подходящо наслагване на пропускането на двете субструктури с подходящи резонанси и подходящото им застъпване. С пунктирани линии за сравнение са дадени съответните пресметнати резонансни криви на пропускане за всяка субструктура за случай на тяхната самостоятелна работа като разделителни едноклинови структури (интерференчни клинове) за падащият сноп със същия размер (изобразен с пунктир за начална част към линиите). С широката плътна стрелка към резултантната резонансната крива за S i + S₂ е дадена схематично началната част от падащия сноп върху формираната линия от двете линии на разделителя. В представянето, дължината на всичките стрелки е еднаква, като дължините на частта от стрелките, отсечени от очертанията на резонансните криви, са пропорционални на разликата в пропускането за двата краища на падащия сноп, т. е. на деформацията след преминаването му през съответната субструктура и през разделителя, съгласно изобретението. За хомогенно разпределение на светлинния интензитет на сноповете деформацията на полето (за сноп е диаметър 1 mm) е повече от 4 пъти по-малка от тази за използване на единичните субструктури, като разделители интерференчни клинове (съответно 5%/ mm срещу 20%/ mm и 30%/ mm за едната и другата субструктури). В зависимост от приложението, при подбор на по-дълго отстояние Δχ между резонансите за описаните по-горе параметри на субструктурите, деформацията при разделителя спада ~ 6 пъти и повече в сравнение с тази в субструктурите, използвани като отделни разделители (3.3%/ mm срещу 20%/ mm и 30%/ mm). Областта на плавно линейно управление (намаление на пропускането) за разделителя по изобретението е 2-3.5 пъти поширока от тази за субструктурите, използвани като разделители поотделно. Максималното стартово пропускане и минималното за линейния участък се задава от диаметъра на снопа и огледалата на субструктурите и дебелината им.

За сравнение, на фигура 2 и фигура 3 (двойки графики) са представени експериментални криви на пропускането. Кривите с кръговете са за разделителя по изобретението с указаните по-горе параметри и за две отражения на огледалата на субструктурите. Коефициентите на отражение са 95%. Резултатът, посочен на фигура 2, е за сноп с диаметър 1 mm от Не-Не лазер (λ = 0.6328 pm) и отражение на огледалата на структурите 0.8, а на фигура 3 е за син полупроводников лазер (λ = 0.405 pm), за който коефициентите на отражение на огледалата са 0.15. На двете фигури долните криви с кръговите точки са за разделителя съгласно изобретението, а горните криви с триъгълниците са за съставяща субструктура, използвана самостоятелно като разделител - за случая Si.

Графиките показват съществено по-добрите практически показатели на разделителя по изобретението (2 пъти по широка област на плавно линейно управление, повече от 4 пъти по-малка стръмност на кривата на спада и от там на силно намалена (практически пренебрежима) деформация на формираните снопове при разделянето. Комбинацията с по-ниския коефициент на отражение на огледалата обезпечава съществено поголяма дължина на управление (~7 mm) и плавност и то при по-ниски стойности на крайното пропускане от 10% за линейния участък (линеен спад на пропускането от 40% до 5%) съответно и може да бъде прилагана с предимство в тези граници на управление.

Съществено намаление на деформациите при практически същата дължина на линейното управление се постига при фокусировка на падащия сноп (петно с диаметър - 0.1-0.2 mm върху разделителя.

BG 67331 Bl

Деформациите при разделителя са от порядъка на части от процент и по-малко, което на практика означава работа напълно без деформация, докато за субструктурите деформациите са ~ 10%. Най-подходящ случай за приложение на фокусировка на снопа е разделяне на Гаусов сноп. В този случай фокусиращата леща формира във фокуса, който трябва да съвпада с челната повърхност на разделителя, шийка с плосък вълнов фронт на снопа който е особено подходящ за действие на клиновидните субструктури и на композирания от тях разделител. Оптимален случай на приложение е фокусиране със сравнително дългофокусна леща (фокално разстояние 10-15 cm) за необходимата дължина от 5-10 mm на плосковълновата част на фокусираното лъчение. Така се въвежда в разделителя фокусиран стеснен сноп с формирана шийка върху разделителя и с дължина на Релей на плосък вълнов фронт по-голяма от дебелината на разделителя в участъка на падане на снопа.

Claims (1)

1. Разделител на светлинен сноп с композиционни клиновидни интерференчни структури за пространствено и мощностно разделяне на падащ паралелен монохроматичен светлинен сноп с диаметър до няколко mm на два снопа, характеризиращ се с това, че е изграден от наложени една върху друга последователно поне две композиращи го интерференчни слоевообразни клиновидни субструктури (S1 и S2) с еднакви дължини от 3 до 15 сm и с успоредни резонансни Физо-линии на пропускане, които субструктури са с оптични дебелини e1 и е2 от 0,2 до 2 mm, паралелно разположени на разстояние от 0,1 до 10 mm една от друга по перпендикуляра към страните на клиновете и ъгли при върховете на клиновете алфа1 и алфа 2 с големина между 0.5х10 на степен минус 5 и 5x10 на степен минус 5 радиана, при което нанесения върху всяка от повърхностите (R1,2 и R3,4) отражателни диелектрични слоеве на субструктурите (S1 и S2) ca с коефициенти на отражение r1,2 и r3,4 между 0,04 и 0,8, като пространственото отстояние делта х между две резонансни линии на пропускане съответно на всяка субструктура е от 1/4 до 1/2 от полуширината на резонансната линия с по-голямата полуширина