СВЕТОДЕЛИТЕЛЬНОЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЕ ПОКРЫТИЕ Российский патент 1997 года по МПК G02B5/28 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к интерференционным покрытиям, и может быть использовано для создания выходных зеркал резонаторов мощных технологических CO₂-лазеров.

Одним из важных параметров, определяющих качество обработки изделий лазерной технологией является плотность мощности и минимально возможный размер фокусировки лазерного пучка. Как показано в ряде работ [1-4] одним из возможных средств, уменьшающих расходимость излучения, является применение в резонаторе технологического лазера выходного зеркала со светоделительным (зеркальным) покрытием, имеющим переменный по радиусу коэффициент отражения. Такое покрытие имеет максимальное значение коэффициента отражения в центральной зоне, плавно уменьшающееся в периферийной зоне до минимального значения, близкого к нулю, причем изменение фазы прошедшего (или отраженного) излучения в пределах светоделительного покрытия не должно превышать π/2.

Для технологических CO₂-лазеров с выходной мощностью излучения более 1 кВт важным параметром резонаторных зеркал является оптическое поглощение, величина которого должна быть пренебрежимо малой. Из-за поглощения части оптической энергии в выходном зеркале, (включая просветляющее и светоделительное покрытия), происходит нагрев зеркала, что приводит к его деформации и, следовательно, искажению фронта излучения. Кроме того, увеличивается тепловая нагрузка на зеркало, что существенно сокращает срок его службы.

В практике производства технологических CO₂-лазеров в качестве основания (подложки) выходных резонаторных зеркал зарекомендовал себя селенид цинка (ZnSe), объемное поглощение которого (b_v) составляет (3-10)•10^-4 см^-1 в зависимости от качества материала. Оптическое поглощение выходного зеркала включает, кроме объемного поглощения подложки β_v также поверхностное поглощение двух оптически полированных поверхностей 2• β_s. Кроме того, соответствующий вклад вносит поглощение интерференционных покрытий, нанесенных на обе поверхности 2• β_c В свою очередь поглощение интерференционных покрытий зависит от коэффициента поглощения (k) пленкообразующих материалов (ПОМ) и конструкции покрытия. В последнем случае существенным фактором, определяющим достижение минимального поглощения, является оптимальное распределение интенсивности электрического поля в сечении покрытия [5]
В силу достаточного большого коэффициента усиления в резонаторах технологических CO₂-лазеров мощностью более 1 кВт, максимально необходимый коэффициент отражения светоделительного покрытия обычно не превышает (60 80)%
Известная конструкция светоделительного покрытия [6] обеспечивающая переменный по радиусу коэффициент отражения, для выходных зеркал CO₂-лазеров вида П H B Kr H B где: П подложка из ZnSe, H и B - четвертьволновые на рабочей длине волны слои фторида тория (ThF₄) и ZnSe соответственно, Kr закон изменения толщины внешнего слоя ThF₄ в зависимости от радиальной координаты зеркала r. Причем, максимальное значение Kr имеет в центральной области (при r 0) и минимальное (близкое к 0) в периферийной области зеркала. В этом случае диапазон изменения толщины внешнего слоя ThF₄ не превышает λ/4, что обеспечивает выполнение условия изменения фазы не более p/2. Такая конструкция светоделительного покрытия обеспечивала максимальный диапазон изменения коэффициента отражения от 1,9 до 82% В периферийной зоне этого покрытия (в силу Kr 0) конструкция приобретает вид П H B B, для которой наличие двух четвертьволновых слоев ZnSe эквивалентно их отсутствию (с точки зрения величины коэффициента отражения), следовательно конструкция эквивалентна просветляющему покрытию вида П H с коэффициентом отражения r 1,9%
Основными недостатками рассмотренного технического решения можно считать следующие: а) повышенное поглощение из-за применения ThF₄, имеющего достаточно большой коэффициент поглощения (k (3-4)•10^-4), а также за счет "лишних" двух четвертьволновых слоев ZnSe в периферийной зоне; б) предъявляются более жесткие требования к точности контроля всех толщин слоев в процессе их нанесения для создания необходимого закона изменения коэффициента отражения; в) сложность технологического процесса нанесения такого покрытия в силу необходимости его прерывания перед и после нанесения слоя ThF₄ с переменной толщиной, так как необходима установка а затем изъятие специальной оснастки, обеспечивающей нанесение слоя ThF₄ с переменной толщиной.

Известно техническое решение (прототип) [7] в котором светоделительное покрытие с переменным коэффициентом отражения представляет собой конструкцию вида П H Kr B, где: П подложка из ZnSe, H четвертьволновое просветляющее покрытие, B четвертьволновый слой германия с переменной толщиной, определяемой законом K в зависимости от радиальной координаты r. Причем, в центральной области зеркального покрытия Kr 1 и коэффициент отражения максимальный, а в периферийной области Kr 0 и коэффициент отражения становится равным значению отражения просветляющего покрытия. В центральной области светоделительного покрытия коэффициент отражения может достигать 74% а изменение фазы в пределах светоделительного покрытия не превышает p/2.

Основным недостатком этого технического решения является повышенное поглощение в центральной области светоделительного покрытия, что по нашим экспериментальным данным составляет 0,3 0,5% Это объясняется значительной величиной коэффициента поглощения слоя германия, который составляет k (7-20)•10^-4 [8] Такая величина поглощения ограничивает применение рассмотренного светоделительного покрытия для выходных зеркал резонаторов лазеров мощностью более 1 кВт.

Целью предлагаемого изобретения является уменьшение поглощения при сохранении диапазона изменения коэффициента отражения светоделителя.

Указанная цель достигается тем, что в конструкции вида П ⊗ KrB, где П - подложка из ZnSe, t просветляющее покрытие, B внешний четвертьволновый слой с высоким показателем преломления с переменной толщиной, определяемой законом Kr, реализующий изменение коэффициента отражения от 1,5% до (68 - 74)% просветляющее покрытие представляет собой конструкцию вида П B H, где B четвертьволновый слой из теллурида германия (GeTe), H четвертьволновый слой из пленкообразующих материалов с показателем преломления n (2,2 2,7), например сульфид цинка (ZnS), сульфид мышьяка As₂S₃, селенид цинка (ZnSe) или сульфид сурьмы (Sb₂S₃).

На фиг. 1 условно (в сечении) показана конструкция светоделительного покрытия с переменным по радиусу коэффициентом отражения, соответствующая прототипу; на фиг. 2 графики распределения интенсивности электрического поля в поперечном сечении светоделительного покрытия прототипа; на фиг. 3 - конструкция светоделительного покрытия в соответствии с предлагаемым изобретением; на фиг. 4 графики распределения интенсивности электрического поля в поперечном сечении предложенного решения светоделительного покрытия.

На фиг. 1 представлена конструкция светоделительного покрытия, соответствующая прототипу вида П H Kr B, где: 1 подложка из ZnSe, 2 - просветляющее покрытие из четвертьволнового слоя фторида свинца (PbF₂) или фторида висмута (BiF₃), имеющего показатель преломления n 1,6 - 1,65, В внешний слой из германия (Ge), имеющий показатель преломления n 4,0, Kr закон изменения толщины внешнего слоя в зависимости от радиальной координаты r (в центре r 0).

На фиг. 2 представлены графики распределения интенсивности электрического поля в поперечном сечении светоделительного покрытия, соответствующего прототипу, где: 1 интенсивность поля в периферийной зоне (при Kr 0), 2 - интенсивность поля в центральной зоне светоделительного покрытия (при Kr≅1).

На фиг. 3 дана конструкция предложенного светоделительного покрытия с переменным коэффициентом отражения вида П В Н Kr В, где: 1 подложка, на которую нанесено просветляющее покрытие, состоящее из 2 слоя GeTe (n 3,7) и 3 -слоя ZnSe (n 2,4), 4 внешний слой GeTe с переменной толщиной по закону Kr.

На фиг. 4 представлены графики распределения интенсивности электрического поля в поперечном сечении светоделительного покрытия по предлагаемому изобретению, где: 1 интенсивность поля в периферийной зоне (при Kr 0), 2 - в центральной зоне светоделительного покрытия (при Kr 1), 3 для сравнения дано распределение электрического поля в периферийной зоне прототипа.

Предложенное техническое решение имеет следующие существенные отличительные признаки. Первый просветляющее покрытие, являющееся составной частью светоделительного покрытия, выполнено в виде двухслойной четвертьволновой конструкции типа П В Н, в которой слой "В" имеет показатель преломления n 3,7 а слой "Н" имеет показатель преломления n (2,2 2,7). Хотя четвертьволновые двухслойные просветляющие покрытия известны, их использование в составе светоделительных покрытий с переменным коэффициентом отражения в доступной патентной и технической литературе не известно. Существенным преимуществом такой двухслойной конструкции по сравнению с прототипом является значительное снижение интенсивности электрического поля, что очевидно из сравнения графиков на фиг. 2 и фиг. 4. Второй выбранный диапазон значений показателя преломления слоя "Н" (n 2,2 2,7) обоснован следующими соображениями. С одной стороны, это позволяет получать предельно минимальное значение коэффициента отражения преломляющего покрытия (в периферийной зоне) не более 1,5% что во многих случаях удовлетворительно. С другой стороны, это позволяет реализовать достаточно большие величины коэффициента отражения в центральной зоне светоделительного покрытия, например 68,5% для Sb₂S₃ (n 2,7) и 78% для ZnS (n 2,2). Кроме того, указанные ПОМ ZnS, As₂S₃, ZnSe и Sb₂S₃ имеют малые величины коэффициента поглощения k (0,1 -2,0)•10^-4 [9] и обладают удовлетворительными эксплуатационными характеристиками для применения в составе выходных зеркал мощных технологических CO₂-лазеров. Третий в качестве пленкообразующего ПОМ с высоким значением показателя преломления используется теллурид германия, имеющий по результатам наших исследований показатель преломления n 3,7 и коэффициент поглощения k 2•10^-4. GeTe незначительно отличается от Ge по показателю преломления, однако имеет коэффициент поглощения в 5 10 раз меньше при удовлетворительных эксплуатационных характеристиках.

Рассмотренные отличительные признаки образуют новую совокупность признаков, неизвестную в патентной и технической литературе.

Предложенное техническое решение реализуется следующим путем. В качестве исходных данных для изготовления светоделительного покрытия для выходного зеркала резонатора должны быть известны геометрические размеры подложки из ZnSe и закон изменения толщины Kr внешнего слоя из GeTe, который может быть получен как расчетным, так и экспериментальным путем, исходя из требуемого закона изменения коэффициента отражения зеркала ρ f(r). Светоделительное покрытие такого типа может быть нанесено на подложку методом термического испарения и конденсации в вакууме в два этапа. Первый этап наносят просветляющее покрытие вида П В Н, при этом сначала наносят на подложку четвертьволновой на рабочей длине волны слой GeTe, а затем четвертьволновой слой из ПОМ ZnS, As₂S₃, ZnSe или Sb₂S₃. Второй этап наносят внешний слой GeTe с переменной толщиной, используя необходимую оснастку, формирующую нужное распределение слоя по толщине. После нанесения покрытия производят контроль коэффициента отражения светоделительного покрытия по координате r на соответствие с заданным законом.

Практически нами было изготовлено выходное зеркало для технологического CO₂-лазера "Лантан-3М". Зеркало представляло собой оптически полированную подложку из ZnSe ⊘ 60х6 мм, на входную грань которой было нанесено просветляющее покрытие вида П В Н из четвертьволновых слоев GeTe и ZnSe, которое уменьшает потери подложки на отражение величины ≅0,2% Затем на другую грань было нанесено светоделительное покрытие с переменным по радиусу коэффициентом отражения вида П В Н Kr B, состоящее из просветляющего покрытия П В Н из четвертьволновых слоев GeTe и ZnSe и внешнего слоя GeTe с переменной толщиной. Закон изменения толщины слоя Kr был экспериментально определен в процессе подбора параметров специальной оснастки (маски) для обеспечения необходимого закона изменения коэффициента отражения близкого к супергауссову. Все покрытия наносились термическим испарением в вакууме на отечественной вакуумной установке ВУ-2М.

Были достигнуты следующие характеристики выходного зеркала. Просветляющее покрытие на выходной грани вида П В Н имело коэффициент отражения ρ≅0,2% поглощение b 0,02% Светоделительное покрытие имело в периферийной зоне коэффициент отражения r≅0,2% в центральной зоне коэффициент отражения составил r 72% а поглощение b 0,03% Суммарное поглощение выходного зеркала, включающее объемное и поверхностное поглощения подложки, поглощения покрытий с обеих граней, составило b_S 0,17% что соответствует требованиям, предъявляемым для работы в условиях воздействия мощных лазерных пучков. Таким образом, предложенное светоделительное покрытие имело поглощение по крайней мере в 10 раз меньше по сравнению с прототипом. Изготовленное нами выходное зеркало было успешно испытано на лазере "Лантан-5" при выходной мощности до 5 кВт в непрерывном режиме, при этом достигалась расходимость излучения не более 0,6 мрад [10]
Источники информации
1. Кузнецов М.Н. Куликов О.Л. //Квантовая электроника, т. 18, N 6, 1991, c. 697.

2. De Silvestri S. et. al.//IEEE J. Guantum Electron 26, 1500 (1990).

3. Шерстобитов В.Н. Винокуров Г.Н. //Квантовая электроника, N 3(9), 36 1972.

4. Lavique P. McCarthy N. Demers J.G. //Appl. Optics, 2, 2581, 1985.

5. Oded Arnon //Appl. Optics, v.16, N 8, 2147, 1977.

6. Emiliani G. at. al. //Appl. Optics, v.28, N 14, 2832, 1989.

7. Brock D.R. Taylor M.Z. Warren S.W. //Труды конференции LEOS, 90, США, (4 9 ноября 1990.

8. Глебов В.Н. Малютин А.М. Якунин В.П. //Оптический журнал, 1992, N 4, с.32.

9. Takeo Miyata //SPIE, v.660, 131, 1986.

10. Генералов Н.А. Зимаков В.П. и др. //Оптика лазеров-93. С-Петербург: ВНЦ ГОИ им. С.И. Вавилова, т.1, 1993, с.277.

Использование: в оптическом приборостроении при получении интерференционных покрытий, в т. ч. при создании выходных зеркал резонаторов мощных технологических СО лазеров. Сущность изобретения: в светоделительном интерференционном покрытии, имеющем вид ПОKrB, где П - подложка из селенида цинка, О - просветляющее покрытие, KrB - внешний слой с высоким значением показателя преломления с переменной толщиной, определяемой законом Kr изменения толщины в зависимости от радиальной координаты, причем толщина внешнего слоя KrB не превышает λ/4, где λ - рабочая длина волны, просветляющее покрытие представляет собой конструкцию вида BH, где B - четвертьволновый слой из теллурида германия, H - четвертьволновый слой из пленкообразующего материала с показателем преломления n = 2,2 - 2,7, а внешний слой с переменной толщиной выполнен из теллурида германия. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Светоделительное интерференционное покрытие с переменным коэффициентом отражения для выходных зеркал резонаторов, имеющее вид ПОКrВ, где П подложка из селенида цинка, О просветляющее покрытие, КrВ внешний слой с высоким значением показателя преломления с переменной толщиной, определяемой законом Кr изменения толщины в зависимости от радиальной координаты, причем толщина внешнего слоя КrВ не превышает λ/4, где λ - рабочая длина волны, отличающееся тем, что просветляющее покрытие представляет собой конструкцию вида ВН, где В четвертьволновый слой из теллурида германия, Н четвертьволновый слой из пленкообразующего материала с показателем преломления n 2,2 2,7, а внешний слой с переменной толщиной выполнен из теллурида германия. 2. Покрытие по п.1, отличающееся тем, что материал с показателем преломления n 2,2 2,7 представляет собой сульфид цинка, или сульфид мышьяка, или селенид цинка, или сульфид сурьмы.