ОПТИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ ЛАЗЕРНОГО РЕЗОНАТОРА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ РАДИАЛЬНО ПОЛЯРИЗОВАННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК H01S3/08 

Изобретение относится к области лазерной оптики, более конкретно к лазерным резонаторам.

Известен оптический элемент в составе резонатора лазера для получения радиально поляризованного излучения (прототип) [1]. Он представляет собой оптический дифракционный элемент с радиальной структурой штрихов на рабочей поверхности, который устанавливается внутри резонатора в качестве глухого зеркала. Период и форма штрихов подбираются таким образом, чтобы при нормальном к поверхности элемента падении луча обеспечить максимальный коэффициент отражения для радиальной компоненты электрического поля и минимальный коэффициент отражения для азимутальной компоненты поля. Это достигается за счет резонансного взаимодействия периода рельефа с падающим и дифрагирующим электромагнитными полями, в результате чего возбуждаются поверхностные электромагнитные волны (ПЭВ) [2,3]. Возникновение резонансных поверхностных электромагнитных волн сопровождается значительным уменьшением амплитуды отраженной в нулевой дифракционный порядок волны, вектор электрического поля которой направлен перпендикулярно штрихам. Указанный механизм поляризационной селективности достигается на трапецеидальном рельефе, период которого d приблизительно равен длине волны λ, а глубина h может быть в 15-40 раз меньше λ в зависимости от материала покрытия [3]. Обладая поляризационной селективностью, такой элемент создает дополнительные дифракционные потери для азимутально поляризованных мод и обеспечивает таким образом генерацию радиально поляризованного излучения.

Такой элемент имеет ряд недостатков:
1. При радиальной структуре штрихов на рабочей поверхности период рельефа изменяется, увеличивается от центра по радиусу. Поскольку поляризационная селективность зависит от периода рельефа, то при таком рисунке штрихов трудно создать оптимальные параметры на поверхности зеркала.

2. Поляризационная селективность элемента не высока и составляет 22%.

3. Радиальный рисунок штрихов невозможно получать на станках алмазного точения, используемых для производства дифракционных элементов ИК-диапазона, т. к. эти станки могут нарезать рисунок штрихов или в виде параллельных линий, или в виде фигур вращения [4].

Техническая задача изобретения - создание оптического элемента лазерного резонатора для получения радиально поляризованного излучения, имеющего высокую, близкую к 100% поляризационную селективность и рисунок штрихов с постоянным периодом на всей рабочей поверхности элемента.

Указанная задача достигается тем, что в известном элементе, выполненном в виде отражательного дифракционного элемента с трапецеидальной формой штрихов рельефа штрихи нанесены на рабочей поверхности в виде концентрических окружностей, период штрихов элемента приблизительно равен двум длинам волн, а глубина штрихов составляет около половины длины волны. Согласно численным расчетам, период рельефа T и глубина h могут принадлежать интервалам 2λ(1±0.1) и 0.5λ(1±0.1) соответственно, где λ - длина волны излучения. В этом случае компонента электрического поля, параллельная штрихам, полностью перерассеивается в первые радиационные порядки дифракции, а компонента, перпендикулярная штрихам, испытывает максимальное зеркальное отражение за счет перерассеяния ПЭВ в нулевой порядок дифракции. Если значение T или h отстоит от оптимального более чем на 10%, то указанный механизм поляризационной селективности не реализуется. Выбор T и h с точностью до 10% обусловлен резонансным характером возбуждения ПЭВ.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежом. Оптический элемент лазерного резонатора выполнен в виде дифракционного элемента, селективного по поляризации. Штрихи нанесены на рабочей поверхности в виде концентрических окружностей с центром на оси элемента, период рельефа T = 2λ(1±0.1), а глубина штрихов h = 0.5λ(1±0.1). В этом случае компонента электрического поля, параллельная штрихам, полностью перерассеивается в первые радиационные порядки дифракции, а компонента, перпендикулярная штрихам, испытывает максимальное зеркальное отражение за счет перерассеяния ПЭВ в нулевой порядок дифракции [5] . Такой элемент резонатора обеспечивает генерацию радиально поляризованного излучения, при котором плоскость колебаний вектора электрического поля E в любой точке поперечного сечения луча проходит через ось луча.

Элемент работает следующим образом. При использовании предлагаемого элемента в составе лазерного резонатора внутрирезонаторные потери для лазерных мод с разными типами поляризации оказываются различными. Минимальные потери будут для радиально поляризованного излучения. В данном случае реализуется следующий механизм поляризационной селективности. Компонента электрического поля, параллельная штрихам решетки, полностью перерассеивается в первые радиационные порядки дифракции. При периоде рельефа T = 2λ(1±0.1) в случае падения на решетку волны с электрическим вектором, перпендикулярным штрихам, происходит резонансное возбуждение ПЭВ. При глубине штриха h = 0.5λ(1 ± 0.1) происходит перерассеяние резонансно возбужденных ПЭВ в нулевой порядок дифракции. Таким образом обеспечивается высокое, близкое к 100%, отражение волны с вектором E, перпендикулярным решетке.

Радиальной поляризацией, в частности, может обладать мода Эта мода является суперпозицией двух простых мод TEM_0,1, повернутых друг относительно друга вокруг оси резонатора на 90^o [6]. Сложение этих мод дает кольцеобразное распределение интенсивности излучения.

При установке в резонатор предлагаемого оптического элемента моды TEM_0,1 имеют взаимно перпендикулярную линейную поляризацию. Кольцеобразное излучение моды оказывается радиально поляризованным, поскольку именно такая поляризация имеет минимальные внутрирезонаторные потери.

Источники информации
1. A. V. Nesterov, V.G. Niziev, V.P. Yakunin. Generation of high-power radially polarized beam // Journal of Physics D Appl. Phys. 1999, v.32, p. 2871-2875.

2. С.А. Ахманов, В.Н. Семиногов, В.И. Соколов. Дифракция света на шероховатой поверхности с "глубоким" произвольным профилем; взаимодействие дифрагированных волн, аномальное поглощение, максимально достижимые локальные поля // ЖЭТФ, 1987, т. 93, вып. 5(11), с. 1654-1670.

3. С. А. Ахманов, С.В. Алексеев, В.Н. Семиногов, В.И. Соколов. Влияние формы периодического рельефа на величину локального поля вблизи поверхности и на эффект подавления зеркального отражения // Препринт НИЦТЛ РАН, Троицк, 1987, N 26, 24 с.

4. F.E. Jonson, T.T. Satio. Application of diamond turning to IR optical systems // Optical Engineering, 1977, v. 16, N 4, p. 382- 292.

5. H. Haidner, P. Kipfer, J. Sheridan, J. Schwider, N. Streibi, J. Lindolf, M. Collischon, A. Lang, J. Hutfless Polarizing reflection grating beamsplitter for the 10.6-μm wavelength // Optical Engeering 1993, v. 32, N 8, p. 1860-1865.

6. Ю. А. Ананьев. Оптические резонаторы и лазерные пучки. M.: Наука, 1990, с. 110.

Изобретение относится к лазерной технологии, а более конкретно - к лазерным резонаторам. Оптический элемент представляет собой отражательный дифракционный элемент, который может использоваться в качестве глухого зеркала в резонаторе лазера, штрихи отражательного дифракционного элемента нанесены на рабочей поверхности в виде концентрических окружностей с центром на оси элемента, период рельефа Т=2λ(1±0,1), а глубина штрихов h= 0,5λ(1±0,1), где λ - длина волны излучения. Технический результат изобретения - создание оптического элемента лазерного резонатора для получения радиально поляризованного излучения, имеющего высокую, близкую к 100% поляризационную селективность. 1 ил.

Оптический элемент лазерного резонатора для получения радиально поляризованного излучения, выполненный в виде отражательного дифракционного элемента, отличающийся тем, что штрихи на рабочей поверхности нанесены в виде концентрических окружностей с центром на оси элемента, период рельефа Т = 2λ (1±0,1), а глубина штрихов h = 0,5λ (1±0,1), где λ - длина волны излучения.