ОГРАНИЧИТЕЛЬ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК G02B5/22 G02B17/08 

Известны зеркала с управляемым коэффициентом отражения или пропускания [1, 2], содержащие нелинейно-оптический элемент - пленку диоксида ванадия, в которых изменение оптических характеристик зеркала происходит за счет обратимого фазового перехода полупроводник-металл в пленке диоксида ванадия при изменении ее температуры [3]. При фазовом переходе полупроводник-металл в пленке диоксида ванадия происходит увеличение коэффициента поглощения пленки. Нагрев пленки диоксида ванадия до температуры перехода в металлическое состояние (t=70°С [3]) может осуществляться инфракрасным лазерным излучением, что позволяет использовать данные нелинейно-оптические элементы в качестве оптических переключателей.

Известен ограничитель инфракрасного лазерного излучения [4] для длины волны 10.6 мкм, выбранный в качестве прототипа, состоящий из двух нелинейно-оптических элементов и линзы. Нелинейно-оптические элементы представляют собой пленку диоксида ванадия, нанесенную на германиевую подложку и расположены последовательно по ходу распространения сфокусированного лазерного луча. Расстояния нелинейно-оптических элементов от линзы выбраны таким образом, что отношение диаметров луча на первом и втором нелинейно-оптическом элементе превышает два. Такое расположение нелинейно-оптических элементов обеспечивает их последовательное переключение под действием излучения, начиная от второго по ходу распространения луча. Данная конструкция ограничителя позволяет уменьшить порог ограничения излучения за счет фокусировки излучения, а также увеличить динамический диапазон ограничения и коэффициент ослабления излучения в режиме ограничения за счет использования двух и более нелинейно-оптических элементов. Для эффективной работы ограничителя, температура подложек, на которых расположены пленки диоксида ванадия, должна быть равна t=t_н-Δt, где t_н - температура начала фазового перехода, Δt - ширина петли температурного гистерезиса пленки диоксида ванадия. Кроме того, из подложки должен быть обеспечен эффективный отвод тепла, выделившегося в пленке диоксида ванадия при поглощении излучения. Недостатком ограничителя является его большие габариты и вес, связанные с необходимостью использования двух и более нелинейно-оптических элементов и линзы. Недостатком является также сложность термостабилизации нелинейно-оптических элементов ограничителя, так как они разнесены в пространстве, и так как, для данной конструкции, тепловой контакт нелинейно-оптического элемента с термостатом может быть обеспечен только по периметру подложек, на которых расположены пленки диоксида ванадия.

Целью данного изобретения является уменьшение габаритов и веса ограничителя, а также повышение точности поддержания температуры нелинейно-оптического элемента ограничителя.

Поставленная цель достигается тем, что ограничитель содержит положительную линзу и зеркало, расположенное перед линзой, причем на передней поверхности линзы нанесена пленка диоксида ванадия, а на задней поверхности линзы нанесено отражающее покрытие с отверстием в центральной части.

Поставленная цель достигается также тем, что на переднюю поверхность положительной линзы нанесена первая пленка диоксида ванадия с отверстием в центральной части, в котором расположено зеркало в виде отражающего покрытия, а на задней поверхности линзы нанесено отражающее покрытие с отверстием в центральной части, в котором расположена вторая пленка диоксида ванадия.

В первой конструкции ограничителя излучение трижды проходит через пленку диоксида ванадия, причем, благодаря фокусировке излучения, переключение пленки в металлическое состояние происходит последовательно от ее центра к периферии. Тройной проход излучения обеспечивает коэффициент ослабления излучения в режиме ограничения равный К³, где К - коэффициент ослабления излучения пленки диоксида ванадия в металлическом состоянии для одного прохода излучения. Таким образом, изобретение позволяет уменьшить количество нелинейно-оптических элементов ограничителя до одного при сохранении коэффициента ослабления в режиме ограничения, равного коэффициенту ослабления ограничителя-прототипа с тремя нелинейно-оптическими элементами. В данной конструкции ограничитель состоит всего из двух оптических элементов - линзы и зеркала. Благодаря этому обеспечивается уменьшение габаритов и веса ограничителя, по сравнению с прототипом. Точность поддержания температуры пропорциональна площади теплового контакта между объектом термостатирования и термостатом [5]. Так как на задней поверхности линзы расположено отражающее покрытие, тепловой контакт с термостатом может быть обеспечен по периметру линзы и по всей поверхности отражающего покрытия, что позволяет увеличить точность поддержания температуры нелинейно-оптического элемента по сравнению с прототипом.

Во второй конструкции ограничителя излучение проходит через две пленки диоксида ванадия, расположенные на поверхностях одной линзы, причем, благодаря фокусировке, обеспечивается последовательное переключение пленок диоксида ванадия, начиная от второй по ходу распространения луча. При этом в режиме ограничения излучения, коэффициент ослабления равен К². В данной конструкции ограничитель состоит всего из одного оптического элемента - линзы. Благодаря этому обеспечивается уменьшение габаритов и веса ограничителя, по сравнению с прототипом. Кроме того, так как на задней поверхности линзы расположено отражающее покрытие, тепловой контакт с термостатом может быть обеспечен по периметру линзы и по всей поверхности отражающего покрытия, что позволяет увеличить точность поддержания температуры нелинейно-оптического элемента по сравнению с прототипом.

Данное техническое решение является новым, а совокупность отличительных признаков не следует из известных технических решений. Существенность отличительных признаков заключается в том, что ограничитель излучения содержит линзу и зеркало, причем на поверхность линзы нанесено отражающее покрытие и по крайней мере одна пленка диоксида ванадия.

Конкретные примеры реализации изобретения

На фиг.1а показана оптическая схема ограничителя для длины волны излучения 10.6 мкм. Ограничитель состоит из плоско-выпуклой положительной германиевой линзы 1 с алюминиевым отражающим покрытием 3 на плоской поверхности и плоским медным выходным зеркалом 2. Пленка диоксида ванадия, толщиной 0.3 мкм нанесена на выпуклую поверхность линзы 1. Германиевая линза 1 имеет диаметр 50 мм, толщину 6 мм и радиус выпуклой поверхности 300 мм. Покрытие 3 имеет отверстие в центральной части диаметром 6 мм. Зеркало 2 имеет диаметр 10 мм и расположено на расстоянии 50 мм от германиевой линзы. Коэффициент пропускания пленки диоксида ванадия в полупроводниковом состоянии (при температуре менее 55°С) равен T_п=80% для длины волны 10.6 мкм. Коэффициент пропускания пленки диоксида ванадия в металлическом состоянии (при температуре более 70°С) равен T_м=1% для длины волны 10.6 мкм. Тепловой контакт 5 линзы с термостатом обеспечивается по периметру линзы и по поверхности отражающего покрытия на задней поверхности линзы. Температура германиевой линзы поддерживается равной 50°С.

Ограничитель работает следующим образом. Импульс лазерного излучения проходит через пленку диоксида ванадия, германиевую линзу и отражается от алюминиевого покрытия линзы. При прохождении линзы излучение фокусируется. Затем излучение вторично проходит через пленку диоксида ванадия и отражается от плоского зеркала. Отраженное излучение в третий раз проходит через пленку диоксида ванадия в ее центральной части и выходит из ограничителя через отверстие в алюминиевом покрытии. Исходно пленка диоксида ванадия находится в полупроводниковом состоянии, имеющем высокий коэффициент пропускания. При низкой энергии импульса излучения ее недостаточно для нагрева пленки диоксида ванадия до температуры 70°С. Поэтому, в течение импульса излучения она остается в полупроводниковом состоянии, а зависимость энергии излучения на выходе ограничителя от энергии излучения на его входе имеет линейный характер. При высокой энергии импульса излучения происходит нагрев пленки до 70°С и ее переход в металлическое состояние с низким коэффициентом пропускания. В результате этого происходит нелинейное ослабление прошедшего излучения. Благодаря фокусировке излучения, переключение пленки диоксида ванадия в металлическое состояние, при увеличении энергии излучения на входе ограничителя, происходит от центра к периферии пленки. Так как излучение трижды проходит через пленку диоксида ванадия, то при полном ее переходе в металлическое состояние, коэффициент пропускания ограничителя равен Т3м

=10^-4%.

На фиг.1б показана экспериментальная зависимость энергии на выходе ограничителя от энергии излучения на его входе для излучения с длиной волны 10.6 мкм при длительности импульса излучения 10 мкс. Источником излучения являлся импульсный электроионизационный СО₂ лазер. Из фиг.1б видно, что при Е_вх<10^-3 Дж зависимость Е_вх(Е_вых) линейна. При Е_вх>10^-3 Дж происходит ограничение излучения. При Е_вх=15 Дж коэффициент пропускания ограничителя равен 5·10^-3%, то есть в 200 раз меньше, чем коэффициент пропускания пленки диоксида ванадия для одного прохода. Так как ограничитель содержит всего два оптических элемента - линзу и зеркало, его продольный размер в 4 раза меньше продольного размера ограничителя-прототипа с аналогичными характеристиками. Его вес в 2 раза меньше аналогичного ограничителя- прототипа. Благодаря увеличению площади теплового контакта линзы с термостатом в 3 раза, во столько же раз возрастает точность поддержания температуры нелинейно-оптического элемента по сравнению с прототипом.

На фиг.2 показана другая оптическая схема ограничителя для длины волны излучения 10.6 мкм. Ограничитель состоит из положительной германиевой линзы 1, на переднюю поверхность которой нанесена первая пленка диоксида ванадия 3 с отверстием в центральной части диаметром 7 мм. На область отверстия нанесена пленка алюминия 4, образующая сферическое зеркало. На заднюю поверхность линзы нанесено алюминиевое покрытие 2 с отверстием в центральной части диаметром 5 мм, а на область отверстия нанесена вторая пленка диоксида ванадия 5. Покрытие 2 также образует сферическое зеркало. Тепловой контакт 6 линзы с термостатом обеспечивается по периметру линзы, по поверхности отражающего покрытия на задней поверхности линзы и по поверхности отражающего покрытия на передней поверхности линзы.

Ограничитель работает следующим образом. Излучение проходит через пленку диоксида ванадия 3 и фокусируется германиевой линзой 1 и сферическим зеркалом 2 на сферическое зеркало 4. Отраженное от этого зеркала излучение проходит через пленку диоксида ванадия 5 и выходит из ограничителя. Исходно пленки диоксида ванадия находится в полупроводниковом состоянии, имеющем высокий коэффициент пропускания. При низкой энергии импульса излучения ее недостаточно для нагрева пленок диоксида ванадия до температуры 70°С. Поэтому в течение импульса излучения они остаются в полупроводниковом состоянии, а зависимость энергии излучения на выходе ограничителя от энергии излучения на его входе имеет линейный характер. При высокой энергии импульса излучения происходит нагрев пленок до 70°С и их переход в металлическое состояние с низким коэффициентом пропускания. В результате этого происходит нелинейное ослабление прошедшего излучения. Благодаря фокусировке излучения, переключение пленок диоксида ванадия в металлическое состояние, при увеличении энергии излучения на входе ограничителя, происходит начиная от второй. При переходе пленок диоксида ванадия в металлическое состояние коэффициент пропускания ограничителя становится равен Т2м

, то есть соответствует коэффициенту пропускания ограничителя-прототипа с двумя нелинейно-оптическими элементами. Так как ограничитель содержит всего один оптический элемент - линзу, его продольный размер в 5 раза меньше продольного размера ограничителя-прототипа с аналогичными характеристиками. Его вес в 3 раза меньше аналогичного ограничителя-прототипа. Благодаря увеличению площади теплового контакта линзы с термостатом в 3,5 раза, во столько же раз возрастает точность поддержания температуры нелинейно-оптического элемента по сравнению с прототипом.

Таким образом, изобретение позволяет уменьшить габариты и вес ограничителя, а также повысить точность поддержания температуры нелинейно-оптического элемента ограничителя по сравнению с прототипом.

Изобретение может быть использовано в лазерных оптических системах среднего ИК диапазона для управления амплитудой лазерных импульсов и для защиты фотоприемных устройств от разрушения излучением.

Источники информации

1. О.П. Коновалова. А.И. Сидоров, И.Н. Шаганов Интерференционные системы управляемых VO₂-зеркал для спектрального диапазона 0.6-10.6 мкм. Оптический журнал, 1999, т.66, № 5, с.13-22.

2. F.C. Case. Improved VO₂ thin films for infrared switching. Applied Optics, 1991, v.30, p.4119-4126.

3. A.A. Бугаев, Б.П. Захарченя, Ф.А. Чудновский. Фазовый переход металл-полупроводник и его применения. Л.: Наука, 1979, 183 с.

4. О.П. Михеева, А.И. Сидоров. Особенности ограничения лазерного излучения зеркалами на основе диоксида ванадия. Оптический журнал, 2001, т.68, №4, с.48-52.

5. Г. Карслоу, Д. Егер. Теплопроводность твердых тел. М.: Наука, 1964, 487 с.

Ограничитель инфракрасного излучения включает положительную линзу и расположенное перед линзой зеркало. На передней поверхности линзы нанесен нелинейно-оптический элемент в виде пленки диоксида ванадия, а на задней поверхности линзы нанесено отражающее покрытие с отверстием в центральной части. Пленка диоксида ванадия на передней поверхности линзы может быть нанесена с отверстием в центральной части, в котором расположено зеркало в виде отражающего покрытия, а на задней поверхности линзы может быть нанесено отражающее покрытие с отверстием в центральной части, в котором расположена вторая пленка диоксида ванадия. Технический результат - уменьшение габаритов и веса ограничителя, а также повышение точности поддержания температуры нелинейно-оптического элемента. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Ограничитель инфракрасного излучения, включающий нелинейно-оптический элемент - пленку диоксида ванадия, отличающийся тем, что он содержит линзу с положительным фокусом и зеркало, расположенное перед линзой, причем на передней поверхности линзы нанесена пленка диоксида ванадия, а на задней поверхности линзы нанесено отражающее покрытие с отверстием в центральной части.2. Ограничитель по п.1, отличающийся тем, что на переднюю поверхность линзы с положительным фокусом нанесена первая пленка диоксида ванадия с отверстием в центральной части, в котором расположено зеркало в виде отражающего покрытия, а на задней поверхности линзы нанесено отражающее покрытие с отверстием в центральной части, в котором расположена вторая пленка диоксида ванадия.