СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИИ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G02B27/28 G02B27/44 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно, к способам преобразования поляризации лазерного инфракрасного (ИК) излучения, и может быть использовано для преобразования линейно-поляризованного излучения мощных технологических CO₂ лазеров в эллиптически- и циркулярно-поляризованное излучение.

В связи с широким внедрением лазерной техники и технологии в промышленность возникает необходимость в преобразователях поляризации лазерного излучения. Излучение лазера обычно является линейно-поляризованным, а при резке металлов, например, более эффективным является применение циркулярно-поляризованного излучения. Традиционно подобные задачи преобразования поляризации в видимом и СВЧ диапазоне решались с помощью призм полного внутреннего отражения, анизотропных кристаллов, металлических зеркал, механически перестраиваемых по частоте компенсаторов фазового сдвига. В ИК-диапазоне из-за отсутствия подходящих материалов эти способы не всегда применимы. Используемые в настоящее время в ИК-диапазоне фазосдвигающие элементы, выполненные на основе многослойных покрытий, очень дорогостоящи и трудоемки в изготовлении. В то же время известно, что при взаимодействии света с дифракционными решетками происходит изменение состояния поляризации падающего излучения. В ряде работ было предложено использовать это свойство решеток для преобразования поляризации излучения.

Известно техническое решение получения циркулярно-поляризованного субмиллиметрового излучения на основе металлических решеток [1] В данном техническом решении используются особые свойства металлических решеток в области значений параметра κ = d/λ≃1, где d период решетки, λ длина волны. Оно основано на том, что при k ≃ 1 коэффициент пропускания волн типа Е (вектор Е параллелен проводникам решетки, ) и типа H (E_⊥l) при определенных значениях коэффициента заполнения s (s=b/d, b диаметр проводника ) сравнимы и близки к единице, т.е. T_E≃ T_H≃ 1, а фазовый сдвиг между волнами E и H может составлять Δφ ≃ π/2 Коэффициент эллиптичности таких преобразователей для ИК-диапазона составляет ≃ 97% а эффективность преобразования ≃ 85% Недостатком описанных преобразователей для субмиллиметрового диапазона является сложность изготовления "проходных решеток" с d ≃ λ и большим коэффициентом преобразования.

Известно техническое решение, в котором предлагается использовать отражательную дифракционную решетку как преобразователь поляризации ИК-излучения с l ≃ 10 мкм. Для реализации этого технического решения исследовались решетки с d=100, 200, 300, 600 штр./мм и углом блеска 30^o. Оказалось, что с помощью решеток с d= 100 штр. /мм (ИКС-16, ЛОМО) можно получить излучение, близкое к циркулярно-поляризованному с главным углом падения θ_гл≃ 70^° Однако основным недостатком этих решеток является большое отражение в 1-й порядок (≃ 50%) Решетки с d=300 штр./мм и 600 штр./мм работают так же, как плоское металлическое зеркало, т.е. их главный угол падения близок к 90^o. Наилучшие результаты получены с помощью решетки 200 штр. /мм с углом блеска 30^o (решетка ИКС-21, ЛОМО). Измерения проводились на 4-х линиях генерации CO₂-лазера с λ = 10,6; 10,2; 9,5; 9,2 мкм. Установлено, что отношение компонент поля отраженной волны при азимутальном угле ψ = 45^q близко к единице и имеет слабую зависимость от λ и θ_пад. Разность фаз составляла величину π/2 при главном угле падения θ_гуп≃ 70^° Потери энергии излучения при этом составляли ≅7% и связывались с диффузным рассеянием. Недостатком рассмотренных дифракционных решеток является то, что они имеют большой главный угол падения (≃ 70^°). Это приводит к тому, что преобразователь поляризации, построенный на таких решетках, содержит дополнительные зеркала, которые снижают эффективность преобразования и увеличивают стоимость преобразователя поляризации.

Цель изобретения является разработка высокоэффективного преобразователя поляризации излучения мощных технологических CO₂-лазеров с заданными параметрами преобразования на основе дифракционных решеток с периодом d≥λ.
Цель достигается тем, что по сравнению с известным способом преобразования поляризации (преобразователями дифракционного типа на репликах ИКС-16, 21 с углом блеска 30^o и h,d≃λ) преобразование поляризации осуществляется при дифракции падающего излучения в условиях проявления аномалии Вуда, которое возможно на достаточно мелких решетках с h<λ,d;d≥λ Аномалиями Вуда называется явление резкой зависимости амплитуд дифрагированных волн от l и θ, обусловленное резонансным возбуждением поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ). Резонансное возбуждение ПЭВ достигается при углах паденияθ, близких к углам, при которых происходит исчезновение какого-либо порядка дифракции, т. е. превращение радиационной (объемной) дифрагированной волны в поверхностную волну.

Приведем теоретическое обоснование этого явления и получим явные аналитические выражения для расчета оптимальных параметров преобразователя линейно-поляризованного излучения в циркулярно-поляризованную волну. Пусть на среду диэлектрической проницаемостью ε = (n+im)², заполняющую полупространство

падает плоская линейно-поляризованная волна

Здесь k_y= k_osinθ, k_z= k_ocosθ проекции волнового вектора (k_o= 2π/λ = ω/c) падающей волны на оси y и z соответственно, вектор обратной решетки направлен вдоль оси x, т.е. штрихи решетки расположены параллельно плоскости падения (zy), вектор напряженности электрического поля, где лежит в плоскости падения, а перпендикулярен этой плоскости. Для простоты ограничимся далее рассмотрением класса поверхностей, рельеф которых описывается антипериодической функцией: f(x+d/2)=-f(x). Ряд Фурье такой функции не содержит членов с четными значениями p. Например, для рельефа с симметричным треугольным профилем (b=d/2) имеем
ξ_pg= a_pgh,a_(2p+1)g= 2/π²(2p+1)¹,a_2pg= 0, (2)
p=0, ±1, ±2,
где набор коэффициентов a_pg характеризует форму рельефа.

Возникшее в результате дифракции поле в вакууме представляется в виде разложения Рэлея по плоским волнам:

где причем ReГ_pg≥0, если k_pg>k_o и ImГ_pg<0, если k_pg<k_o. Значению p= 0 соответствует зеркально отраженная в вакуум волна. Из результатов известных работ следует, что при амплитуды волн для которых резонансно возрастают. Будем предполагать, что λ,θ, d таковы, что резонансными являются волны с p=±1 (фиг.1). Тогда при условиях

s- и p-поляризованные компоненты зеркально отраженного поля можно записать согласно результатам работы [7] в форме

где резонансный заменитель Δ в случае рельефа (1, 2) при (λ/d)≥cosθ имеет вид

Третий член в (6) учитывает перерассеяния резонансных волн в нерезонансные ПЭВ (фиг.1). Четвертый и пятый член в (6) возникают благодаря затуханию резонансных ПЭВ омическому и из-за перерассеяния волн в зеркале отраженную волну на фурье-гармонике рельефа (фиг.1).

Пусть E_is=E_ip, т.е. вектор поляризации падающего линейно-поляризованного излучения направлен под углом 45^o к плоскости падения. Воспользуемся далее выражениями (5,6) для выяснения условий, при которых возможно высокоэффективное преобразование линейно-поляризованного падающего излучения в циркулярно-поляризованную зеркально отраженную волну, для которой
E_os/E_op=±1. (7)
Введем обозначения

В этих обозначениях с учетом неравенства выражения (5,6) перепишутся в виде (λ/d≥cosθ)

Из (9) следует, что для того, чтобы отношение E_os/E_op принимало чисто мнимые значения, необходимо выполнение равенства
(Δ_o-ah²)² = c²h⁴-β2n

, (10)
которое возможно лишь для рельефа с h>h_o, где h_o= (β_n/c)^1/2. При фиксированных λ, d, h условие (10) определяет два оптимальных угла θ₊ и θ_-, при которых достигается сдвиг фаз Φ = ∓π/2 между s- и p-компонентами зеркально отраженного поля:


где введены обозначения

Значения оптимальных углов θ_± по формулам (11-13) легко находятся методом итераций, полагая на первом шаге sinθ_±≈ (1-λ²/d²)^1/2. Заметим при этом, что выражения (11-13) для θ_- справедливы, если

Для более глубоких решеток, когда условие (14) нарушается, для нахождения угла θ_- следует использовать вместо формулы (6) более общее выражение для резонансного знаменателя Δ, справедливое при λ/d<cosθ.
Вычислим теперь, полагая h>h(±)o и θ = θ_±, отношение E_os/E_op и коэффициент преобразования в зеркально отраженную волну (E_is=E_ip)

Из формул (9,10) или, что то же самое, из формул (9, 11-13) в обозначениях (13) имеем R=R_+-, где

Из выражений (15) видно, что при выбранной нами геометрии ( (h>h(±)o, θ = θ_±, E_is= E_ip) при всех H_+- коэффициент отражения R_+-<1, а условие циркулярности (7), строго говоря, недостижимо. Однако на практике, выбирая достаточно глубокие решетки (но оставаясь в рамках применимости теории, см. условия (4)), можно добиться высокой степени циркулярности зеркально отраженной волны и значительной эффективности преобразования (R_+-≈1).

Для того чтобы добиться 100%-ной циркулярности зеркального отражения, нужно несколько изменить геометрию, а именно положить h>h(±)o

,θ = θ_±,E_ip= αE_is, где α<1 а углы θ_± по-прежнему вычисляются по формулам (11-13). Тогда в результате рассмотрения, аналогично проведенному выше, вместо выражений (15) получим

Это означает, что для фиксированных значений λ, d, h существуют такие оптимальные углы θ = θ_± и такие значения α = α_±, равные

при которых согласно (16)

т. е. достигается 100%-ная циркулярность зеркального отражения. Эффективность преобразования (18) возрастает с ростом h, но несколько меньше, чем эффективность (15).

Следует отметить, что так как принцип преобразователя, рассмотренного здесь, основан на явлении резонансного возбуждения ПЭВ, то угловая ширина этого резонанса Δθ при использовании металлических решеток может быть очень малой, особенно в ИК области спектра возбуждающих волн. Поэтому при практической реализации преобразователя становится важным вопросо о точности настройки на углы q = θ_±. Для того чтобы охарактеризовать эту точность, введем в рассмотрение еще два угла. Во-первых, угол θ = θ_R, определяемый из условия Δ_o+β_m= 0 и равный

является углом, при прохождении которого происходит трансформация ПЭВ в радиационную электромагнитную волну. Во-вторых, введем угол θ = θ_o(θ_R,θ_-<θ_o<θ₊), определяемый условием Δ_o-ah² = 0, при котором согласно (9) разность между s- и p- компонентами зеркально отраженного поля Φ = 0 (h>h_o). В явном виде этот угол находится из решения системы трансцендентных уравнений (20,10)

при этом в (13) индексы (±) заменяются на индексы (0). Заметим, что при выполнении условия (14) имеют место неравенства θ_R<θ_-<θ_o<θ₊. При нарушении условия (14) (см. обсуждение после (14)), если уголθ_- существует, то θ_R<θ_o<θ₊. Когда θ_-<θ_R, то выражения (15,18) для R_- неверны. Следует ожидать, что истинные значения для R_- меньше вычисленных по формулам (15, 18), поскольку при этом дифрагированные резонансные волны с p=±1 являются объемными, т.е. существует дополнительный канал радиационных потерь. Из этого вытекает, что преобразование линейно-поляризованного излучения в циркулярно-поляризованное предпочтительно проводит при угле θ = θ₊.
Из проведенного анализа совершенно очевидно, что при фиксированных λ, d, h рассмотренные здесь решетки могут быть использованы для преобразования разности фаз Φ на произвольную величину при изменении угла падения q Кроме того, преобразование разности фаз v на произвольную величину может быть осуществлено и в том случае, когда штрихи решетки ориентированы перпендикулярно плоскости падения. Указанное преобразование возникает при вариации q вблизи когда происходит возбуждение резонансной электромагнитной волны либо первого, либо минус первого порядков дифракции.

Для реализации предложенного технического решения были рассчитаны параметры преобразователя в двух рассмотренных выше геометриях для медной решетки, когда λ= 10,6 мкм, d=14,9 мкм ε = (n+im)² = (12+163)² (см. таблицу) с треугольным профилем штриха и h=lh_o, где l=1, 2, 3, Из таблицы видно, что зависимость разности фаз Φ от угла q менее резкая в области углов q ≈ θ₊, чем в области θ ≈ θ_-, а также, что геометрия (б) (см. примечание к таблице) более выгодна, так как при этой геометрии достигается 100%-ная циркулярность зеркально отраженной волны без существенного снижения эффективности R₊ по сравнению со случаем геометрии (а).

Предлагаемое изобретение имеет существенные признаки новизны.

Преобразование поляризации осуществляется при дифракции излучения в условиях проявления аномалии Вуда. Яркими примерами аномалии Вуда являются достаточно хорошо изученные эффекты полного подавления зеркального отражения и резкого возрастания локальных полей вблизи поверхности с периодическим рельефом [2] В отличие от этих эффектов явление преобразования поляризации при резонансном возбуждении ПЭВ ранее не исследовалось. Принцип преобразования поляризации в отличие от аналогов и прототипов основан на явлении резонансного возбуждения ПЭВ. Угловая ширина этого резонанса Δθ и главный угол падения q_гуп= θ_±, в зависимости от параметров решетки d и h, могут варьироваться в широких пределах в отличие от прототипа, в котором главный угол падения составлял θ_гуп≃ 70^q. При этом значения θ_гуп= θ_± и h могут быть подобраны такими, что достигается 100%-ная циркулярность зеркального отражения, а эффективность преобразования составит 95-97%
Перечисленные существенные отличия образуют новую совокупность признаков, не обнаруженную в технической и патентной литературе.

Предлагаемое техническое решение иллюстрируется следующим примером. Были изготовлены методом фотолитографии медные решетки с d=15 мкм и h от 2 до 4,4 мкм и профилем штриха, близким к треугольному. Измерения проводились на длине волны λ -10,6 мкм CO₂-лазера. Результаты измерений приведены на фиг.1 где представлены зависимости разности фаз (а) и эффективность (б) от угла падения излучения на решетку. Период решетки d=12 мкм, глубина профиля h=2,4 мкм. Плоскость падения ориентирована вдоль штрихов решетки. Там же пунктирной линией показаны расчетные зависимости R и Dv. Получено хорошее согласие экспериментальных и расчетных зависимостей. Расхождение экспериментальных и расчетных зависимостей, по-видимому, связано с нечетным изготовлением профиля штриха.

Кроме того, выбирая соответствующим образом форму профиля штрихов решетки возможно добиться того, что разность фаз окажется слабо зависящей от длины волны и угла падения излучения на решетку в достаточно широком диапазоне изменения данных параметров при сохранении высокой эффективности преобразования h ≃ 92÷96% (см. фиг.2, на которой представлена зависимость разности фаз (а) и эффективности (б) от угла падения излучения на решетку. Период решетки d=12 мкм, глубина профиля h=3,9 мкм. Кривая 1 соответствует длине волны излучения λ9,2 мкм, кривая 2 l10,6 мкм).

Испытания проводились также на мощном технологическом лазере ТЛ-1,5. Были сделаны круговые резы тонкого стального листа с дифракционной решеткой (в качестве поворотного зеркала ) и с обычным зеркалом. В первом случае отклонений от формы не наблюдалось, а качество реза было значительно выше, чем во втором. Это подтверждает практическую реализацию таких решеток в качестве преобразователей поляризации в лазерных технологических установках.

Использование: для преобразования поляризации ИК лазерного излучения, в том числе излучения мощных технологических CO₂-лазеров. Сущность изобретения: преобразование поляризации осуществляется при дифракции падающего излучения в условиях проявления аномалии Вуда (резонансного возбуждения поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) на дифракционных решетках с глубиной профиля h<λ,d и периодам d≥λ , причем значение фазового сдвига может быть в интервале П<Φ<П. В частности, может быть обеспечено преобразование линейно-поляризованного излучения с длинной волны λ = 10,6 мкм в циркулярно-поляризованное с эффективностью преобразования h ≃ 92÷96% . Кроме того, при соответствующем выборе параметров решетки возможно обеспечить стабильность значений сдвига фаз и эффективности преобразования при изменении в широком диапазоне длины волны и угла падения излучения на решетку. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

1. Способ преобразования поляризации ИК-излучения, в том числе излучения мощных технологических CO₂-лазеров, с использованием отражательной дифракционной решетки, отличающийся тем, что преобразование поляризации осуществляют в условиях резонансного возбуждения поверхностных электромагнитных волн и ориентации плоскости падения излучения параллельно штрихам решетки с глубиной профиля h<λ,d и периодом дифракционной структуры d≥λ.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что преобразование линейно-поляризованного излучения в циркулярно-поляризованное реализуют на основе трапецеидальной дифракционной решетки с периодом d 12 мкм и глубиной h 3,9 мкм, с энергетической эффективностью η ≃ 92-96% для длин волн λ ≃ 9,2-10,6 мкм при углах падения излучения на решетку α ≃ 28-48^°.с