SU597037A1 - Селектор излучени - Google Patents

Description

(54) СЕЛЕКТОР ИЗЛУЧЕНИЯ Другую пару пучков образуют отраженный пучок нулевого пор дка и пучок, испытавш помимо отражени , двукратную дифракцию. Как известно, при дифракции на фазовой решетке происходит запаздывание фазы на 3Jt /2. Вследствие этого дважды дифрагированный пучок оказываетс  сдвинутым по фазе, на J, т.е. в противофазе с нулевым, пучком. В резупьтате интерференции эти пучки ослабл ютс . При дифракционной эффективности решетки последн   пара пучков гаситс  полностью. Нар ду с отмеченными достоинствами, описанный селектор обладает тем существенным недостатком, что дл  получени  высокой дисперсии необходимо использование скольз щего падени  излучени  на вхо ную грань голограммы, при котором дол  потерь на отражение стремитс  к 10О%. Кроме того, панесе ше отражающего сло , например, диэлектрического зеркала, на голограмму затруднено, а иногда и невозможно технологически, так как гфи необходимых дл  этото операци х (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 использовани  в мощных лазерах. Использование же внешнего отражатеп нанесенного на вспомогательную подложку, усложн ет КС нструкцию селектора. Создани контакта решетки и отражател  приводит к возникновению дополнительного зазора и паразитного селектировани  на отдельных участках, вследствие нейдеапыюсти реальных поверхностей, по вл ютс  дополнительные потери на отражение. Наконец, практически во всех современных лазерах в качестве отражателей испол зуютс  многослойные диэлектрические зеркала , характеристики которых сильно завис т от угла падени  излучени . Поэтому при необходимости получени  высокой дисперсии в сочетании с широкоднапазонной перестройкой с помощью прототипа неизбеж ны большие и измен ющиес  углы падени  излучени  на отражатель селектора, что приводит к резкому ;возрастанию; потерь. Целью изобретени   вл етс  увеличение дисперсии устройства и уменьшение потерь селектируемого излучени . Поставленна  цель достигаетс  тем, что входна  грань селектора наклонена к его задней грани, которой  вл етс  задн   грань голограммы на угол, при котором пучки нулевого и дифрагированного пор дков испытывают поп ное внутреннее отражение от задней грани селектора. При использовании тонкослойных голографических сред, входной гранью селектора служит грань клина из оптически прозрачного материала, помещенного с помощью оптического контакта на грань , голограммы. В случае использовани  толстослойных голографических сред входной гранью селектора служит передн   грань голограммы, На фиг. 1 представлена схема селектора, содержаш.его 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 использовани  тонкослойных голографических сред (см. фиг. 1) входной гранью 1 селектора  вл етс  клин- из оптических прозрачного материала 4, помещенный с помощью оптического контакта на грань голограммы 2. Дл  толстослойных голографических сред (см. фиг . 2) входной гранью 1 селектора  вл етс  грань голограммы 2, Пучок, подлежащий селекции, направл етс  на входную грань 1 селектора под нормальным углом или близким к нему, (в случае необходимости входна  грань может быть просветлена либо выполнена под углом Брюстера- к падающему излучению). Попав на голограмму, излучение 5 дифрагирует с выполнением закона Брэгга, 2пА air- Q Здесь .-Л -период голограммы, А длина волны падающего излучени  Sj-yrorf, который составл ет пучки нулевого и дифраги рочанного пор дков в среде голограммы с поверхност ми максимального показател  преломлени  голограммы, п - средний показатель преломлени  среды, в которой записана голограмма. После отражени  пучков нулевого и дифрагированного пор дков от задней грани голограммы 3, каждый из них вновь дифрагирует на голограмме: образуютс  две пары когерентных пучков 6 и 7. Так как голограмма записана так, что пучки нулевого и дифрагированного пор дков образуют одинаковые углы падени  на заднюю грань 3 последней, то, в соответствии с законом зеркального отражени  указанные пары пучков  вл ютс  параллельными и перекрывающимис  (перекрытие пучков оказываетс  практически по.1ным, если диаметр падающего пучка 5 намного больше толшины голограммы ). Вследствие того, что углы падени  пучсов на заднюю грань голограммы удовпетвор ют усповвию попного внутреннего отражени ft . /J/ /ОЛ 92,a-rc6i.n(.l/n) , С2-) то указанные пучки без потерь возвращают с  в гопограмму. При этом отпадает необкодимость в специальном средстве отражени . Одна пара пучков 6 распростран етс  в направпении, противоположном падающему пучку 5 и состоит из пучков, испытавших дифракцию одинакового пор дка. Эти пучки наход тс  в фазе дп  пюбого типа голограмм , и в результате интерференции усиливаютс . Сложнее обстоит депо дп  второй пары пучков 7, один . из которых  вл етс  пучком нулевого пор дка, а другой испытывает двукратную дифракцию. Дп  работы устройства необходимо, чтобы эти пучки ослабл ли друг друга, т. е. имели разность фаз (2тп +1)Ж , где тп-целое чиспо. Дп  это го сдвиг фазы при дифракции должен составл ты (2п8+ 1)Л/2. Этому условию отвечает дифракци  только на фазовой голограмме , объемной, либо тонкой. Именно эти обсто тельства послужили основанием дп  применени  в предлагаемом селекторе фазовой голограммы, объемной либо тонкой (с использованием первого либо других нечетных пор дков дифракции), когда проис ходит полное или частичное гашение пары пучков 7. Полна  дифракционна  эффективность уст ройства (/«) в общем случае равна ) Здесь R коэффициент отражени  от входной грани селектора, коэффициент отражени  средства отражени . Так как в предлагаемом устройстве интерферирующие пучки испытывают полное  нутреннее отражение, дл  которого строго 1 цС1- ,)) , (3,5) Как и в прототипе, в случае объемной голограммы с 1| 0,5 пучки 7 гас тс  полностью , а их энерги  перекачиваетс  в пучок 6. При этом Т| определ етс  только 4ренелевским отражением на входной грани селектора л. Эти потер  дп  предлагаемого селектора могут быть сведены к мин 1муму , если параметры селектора выбраны таким образом, чтобы селектируемое излучение падало по нормали ко входной грани селектора или близко к ней. . Сравним теперь основную характеристик сепектора, угловую дисперсию Bj cL8jM.Jt дп  прототипа и предлагаемого устройства. В нашем случае при падении излучени  под углом, близким к нормали ко входной грани селектора, углова  дисперси  определ етс  вьфажением . , Ktg-gC Здесь #.-угол между входной и выходной гран ми селектора Х-длина волны селектируемого излучени . Так как угол . может стремить с  к Г/2 при сохранении полного внутреннего отражени , то D при минимальных потернх на от- ражение, В случае прототипа углова  дисперси си  определ етс  выражением fvCos 8 COS 9 Я где Q -углы падени  излучени  на голограмму соответственно в воздухе и в среде Dj дисперси  гопограммы, опредеп ема  выражением: , -iiLl2. Так как 82 не может в этом случае превышать значение arc8L-n( ), то D имеет конечную величину и увепичение дисперсии селектора в цепом, как внщю из (46), происходит практически только за счет преломлени  на передней грани подложки голограммы, что сопр жено с резким ростом потерь на отр женне. Таким образом , в прототипе фактически не используетс  высока  дисперси  голограммы. В npettпагаемом селекторе 6 может стремитьс  в 3t/2, т.е.Б2.теоретически принимает сколь угодно большие значени  (высока  дисперси  голограммы используетс  полностью ). Проведенные нами экспериментальные исследовани  лазеров, содержащих сепекторы типа, вз тых нами в качестве прототипа , показали, что их дисперси  недостаточна дл  получени  узколинейчастой, близкой к одночастотной генерации. Кроме того , в согласии с приведенным анапизом, потери на отражение от грани селектора превышали 2О9о. До сих пор работа описываемого селектора рассматривалась на фиксированной длине волны излучени . Представл ет интерес вопрос перестройки длины вопны с помощью предлагаемого селектора. Перестройка селектора осуществл етс  изменением направпени  пучка 5 либо поворотом устройства. Дл  объемной голограммы с периодом Л возможна селекци  излучени  тех длин волн,. которые попадают в спектральный интсовал ,2пА.(б) Границы интервала определ ютс  неоьходимосгью одновременного выполЕ)ени  условип Брэгга (1) и полного внутреннего отражени  на задней грани голограммы 2. В реал ных системах спектральный диапазон, в ко тором возможна сепекци  излучени  с зада ной решеткой, чрезвычайно велик. Так, при П 1,52 (желатина) Л может измен тьс  от 2 Л до о ЗА . При ,2 мкм во зможна перестройка в пределах 4000-г 6000 А дл  ниобата лити  (Л 2,2) этот интервал возрастает до 4ООО-4-88ОО Д. Анализ показывает, что с помощью пред лагаемого селектора можно производить эффективную перестройку длины волны Генерации в пределах ±10% от величины сред ней длины волны, равной 2,54Л при относительно небольших изменени х дифракционной эффективности (до от максимального значени ) и угловой дисперсии (менее, чем в 2 раза). В случае прототипа , рабочий интервал перестройки ппины волны значительно меньший, ввиду резкого изменени  потерь селектируемого излучени Итак, сопоставление прототипа и предла гаемого устройства показывает, что поспе нее обладает р дом существенных преимуществ: 1.Как показано выше, достигаетс  сколь угодно больша  дисперси  при сохранении широкодиапазопной перестройки частоты и практически полном исключении вредных потерь на отражение, 2.Отпадает необходимость в специап :)ном средстве отражени . При этом одновременно возрастает лучева  стойкость селекто{эа и упрощаетс  его конструкци . Рассмотрим пример конкретного выполнени  устройства. Дл  записи фазовых решеток наиболее удобно использование газовых ОКГ, например, гепий-неонового, гелий-кадмиевого, аргонового и др. В качестве регистрирующих сред в насто шее врем  примен ютс  тонкослойные среды (бихромированна  желатина, халькогенидные стекла и др.) и толстослойные среды (например, кристаллы сегнетоэлектриков ). Следует подчеркнуть, что требуемые толщины тонкослойных голограмм не превышают нескольких микрон вследствие использовани  больших углов падени  пучков на заднюю грань последней, необходимых дл  получени  эффекта полного внутреннего отражени . Помимо снижени  вредных потерь на отражением т. п. и экономии материала, это обеспечивает максимальное перекрытие интерферируемых пучков, что повьпиает эффективность устройства. Запись решеток производитс  по обычной цвухлучевой схеме, причем они допжны- быть симметричны к слою регистрирую щей среды, чтобы вьтопн пось условие раенства углов падени  и дифракции рабочего пор дка. Отметим, что требование строгой нормальности поверхностей максимального показател  пре юмлени  к отражателю дл  объемных голограмм в действительности не  вл етс  столь жестким. Проведенный нами анализ показал, что требуетс  лишь выполнение услови  f «A/2dl, где Т-угол между упом нутыми поверхност ми и нормалью к отражающей плоскости. В типичном случае голограмм на сло х желатины (d -10 мкм, ,3 мкм) должно быть « 0,015 - 50 1®, То же условие получаетс  и дл  тонкой голограммы. Таким образом, при записи пучки должны составл ть одинаковые углы с нормалью к задней грани регистрирующей среды с точностью более 1, что легко достижимо. Приведены дисперсионные характеристики селектора на кристалле ниобата лити  дл  длины войны jtal,06 МКМ (ОКГ на стеклах и кристаллах, активированных Nd ) (таблипа). D2 d8j/dA, угл. сек/А Как видно, при легко достижимом угле дифракции дисперси  селектора на пор док выше, чем у прототипа (см формулу 46). До сих пор речь шла о се лекции изпу чени  по длинам волн. Однако столь же успешно можно производить сепекцию по поп рЕзапни, воспользовавшись зависимостью

эффективности дифракции от Г1пп фиапции падающего света (5)

.л (JCniCi/ACos9;i),. С7а)

4Сгг(Л-п с1Со52Э2,/Ас:о«в2). (75)

Здесь -гпубина модуп ции покааатеп  препомпени  решетки.

Предпоженный селектор позвонит существенно увеличить избирательность опткческих квантовых генераторов, легко осуществл ть уакопинейчатую генерацию с плавной широкодиапазонной перестройкой дп  лазеров непрерывного и импульсного действи , свип-пазеров и т. д. при замене им одного из зеркап резонатора. Возможно успешное использование предложенного селектора в спектральных исследовани х.

Claims (3)

1. Селектор излучени , содержащий фазо вую пропускающую голограмму, у которой оптические оси пучков нулевого и дифрагированного пор дков составл ют одинаковые углы с ее задней гранью, о т п и ч а и и с   тем, что, с цепью увеличени  дисперсии устройства и уменьшени  потерь

селектируемого изпучгчнт, вчиммл  грип. селектора нпклонона к его зопилП грлпи, которой  вл етс  лопин  герань Гп/шгр.чкгмь на угол, при котором пучки иуповогон nii.-fi рагированного пор пка ИСИЫТР П ИПТ пс/пиш внутреннее отражение от .чанной pjiaitn сгтгс тора.

2.Селектор по ti. 1, о т п и ч п )чш е е с   тем, что, с попью н(-п()11(,)г лни  тонкослойных гопогрофических (ррп, входной гранью селектора служит грлш, кпнна из оптически прозрачного материапа, пг)мешенного с помощью оптического коитактп на грань голограммы.

3.Селектор по п. 1, о т п и ч а е е с   тем, что, с целью нспопкчс  ни  толстослойных го/1ографических сред, гранью сепсктора спужит передн   грань голограммы.

Источники информации, прин тые по внимание при экспертизе

1.Галутва F. В., Р занцев А. И, Селекци  типов колебаний и стабилизаци  частоты оптических квантовых генераторов. Св зь, М., 1972, с. 20.

2.Патент Франции № 2095291. кл. Н01 S З/ОО, С 02 В 5/00, 1970.

/Т