ДИФРАКЦИОННЫЙ АТТЕНЮАТОР С ПЕРЕМЕННЫМ ПРОПУСКАНИЕМ Российский патент 2006 года по МПК G02B5/20 G02B27/46 

Заявляемое изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности к устройствам для плавной регулировки интенсивности оптического излучения. Может также использоваться в оптических системах, как светоделитель с переменным коэффициентом деления.

Известен аттенюатор, состоящий из пластины оптического материала с поверхностным слоем, имеющим переменный коэффициент пропускания или отражения вдоль хотя бы одой из координат (Melles Griot. Optics Guide 5. Каталог продуктов, производимых фирмой Melles Griot), Germany D-6100, Darmstadt, 1990, стр.11-23). Поверхностный слой создается напылением на подложку из оптического материала поглощающей пленки (хрома) переменной толщины. Изменение толщины пленки обеспечивает плавную регулировку оптического излучения.

Недостатком данного устройства является низкое светопропускание и низкая лучевая стойкость. Поверхностный слой аттенюатора нагревается и разрушается. Это делает невозможным использование аттенюатора для управления излучением мощных лазеров в УФ диапазоне.

Известен также аттенюатор, состоящий из пластины оптического материала с поверхностным слоем, выполненным в виде дифракционной решетки (Патент США №4062628, G 02 b 5/22. Опубл.13 декабря 1977 г.). Аттенюатор предназначен для воспроизведения полутоновых изображений и выполнен в виде набора дифракционных решеток (ДР) с сечениями синусоидальной формы, имеющих разную глубину и период.

Его недостатками являются низкое светопропускание в УФ диапазоне, сложность конструкции, невозможность изготовления фотолитографическими методами (вследствие синусоидальной формы канавок решеток) и низкая лучевая стойкость из-за того, что структура решеток имеет синусоидальную форму и выполняется в слое фоторезиста или другого органического полимера.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является устройство, которое выбрано в качестве прототипа (Патент РФ №2137163, МПК G 02 B 5/20, приоритет от 10.12.96, опубл.10.09.99). Устройство состоит из пластины оптического материала с поверхностным слоем, выполненным в виде ДР с глубиной h штрихов, лежащей в пределах от h=mλ/4 до h=mλ/2(n-1), где λ - длина волны оптического излучения, n - коэффициент преломления материала пластины, m≥1 целое число. Штрихи ДР выполнены в виде концентрических колец с переменной вдоль окружности шириной.

Недостатком данного устройства является низкое светопропускание, особенно в УФ области спектра. Коэффициент светопропускания η=I_in/I_out известного устройства определяется выражением:

где d - ширина штриха, Т - период решетки, I_in - интенсивность входного излучения, I_out - интенсивность выходного излучения.

Период Т решетки выбирается из требуемого угла α_к отклонения света Т=λ/α_к. Для λ=0.35 мкм и α_k=0.1-0.15, период решетки должен быть около Т=2.5-3 мкм. Ширина d штриха определяется технологией изготовления фазовой решетки и составляет d_min=0.5-0.6 мкм. Таким образом, из выражения (1) следует, что при данных значениях Т и d_min максимальное светопропускание известного устройства составляет η=0.35-0.5. и более половины световой энергии теряется. Это делает невозможным использование известного устройства для регулировки излучения мощных лазеров в УФ диапазоне, например эксимерных лазеров или мощных YAG:Nd лазеров с умножением частоты. Также в известном устройстве отсутствует возможность точного определения угла поворота штрихов ДР, что не позволяет осуществлять точное изменение пропускания.

Перед авторами ставилась задача создания аттенюатора, имеющего высокую лучевую стойкость и высокое светопропускание при использовании в УФ области спектра.

Поставленная задача достигается за счет того, что в аттенюаторе, состоящем из пластины оптического материала с поверхностным слоем, выполненным в виде дифракционной решетки, штрихи ДР выполнены в виде последовательности рельефных углублений или последовательности рельефных выступов круглой формы с диаметром d, определяемым из выражения

где Т - период следования углублений или выступов, η(θ) - коэффициент пропускания аттенюатора в зависимости от угла θ поворота, причем пределы изменения диаметра d выбираются от d>λ до d<(0.65-0.85)T, где λ - длина волны оптического излучения. ДР выполнена круговой с периодом в радиальном направлении, не превышающим величину Т. Аттенюатор выполнен с возможностью кругового вращения относительно центра ДР. Глубина углублений или выступов штрихов решетки лежит в пределах от h=mλ/4 до h=mλ/2(n-1), где n - коэффициент преломления материала пластины, m≥1 - целое число. Поверхностный слой выполнен дополнительно содержащим кольцевую зону с одним непрозрачным штрихом с угловой шириной L₀=kL и с последовательностью непрозрачных штрихов с угловой шириной L=πR/N, где R - средний радиус дополнительной зоны, N - количество штрихов, k>2.

Технический результат заключается в том, что заявляемое устройство обеспечивает малые остаточное потери световой энергии. Это будет показано на примере анализа аттенюатора, приведенного ниже. Это делает возможным использование предлагаемого аттенюатора для регулировки излучения мощных лазеров в УФ диапазоне, например эксимерных лазеров или мощных YAG:Nd лазеров с умножением частоты. Также в заявляемом устройстве обеспечивается возможность точного определения угла поворота штрихов ДР, что позволяет осуществлять точное изменение пропускания. Это дает возможность использовать предлагаемый аттенюатор в лазерных технологических установках для регулировки оптического излучения.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена схема дифракционного аттенюатора переменного пропускания в двух проекциях (а и б).

На фиг.2. представлены зависимости светопропускания устройства-прототипа (кривая 1) и предложенного (кривая 2) аттенюатора.

На фиг.3 представлен пример осуществления заявляемого изобретения в качестве системы управления мощностью оптического излучения лазера.

Заявляемый дифракционный аттенюатор с переменным пропусканием (фиг.1а) состоит из пластины 1 оптического материала с поверхностным слоем, выполненным в виде круговой ДР 2 с возможностью вращения относительно центра 3. Штрихи ДР состоят из последовательности углублений или последовательности выступов круглой формы, расположенных виде набора концентрических колец. Диаметр d углублений изменяется в зависимости от угла θ поворота пластины. Углубления в поверхностном слое пластины имеют глубину h не более h=λ/2(n-1) для аттенюатора, работающего на пропускание, и не более h=λ/4 для аттенюатора, работающего на отражение, где λ - длина волны оптического излучения, n - коэффициент преломления материала поверхностного слоя пластины. Поверхностный слой дополнительно содержит кольцевую зону с одним непрозрачным штрихом 4 (фиг.3) и с последовательностью непрозрачных штрихов 5. Блокировка дифракционных порядков выполняется с помощью диафрагмы 6. Аттенюатор также содержит двигатель 7, излучатель 8 и приемник 9 света, электрически связанные с блоком управления 10. Вид штрихов ДР в поперечном сечении А-А показан на фиг.1б. Период кольцевой ДР T и глубина штрихов h везде одинаковые, а диаметр углублений изменяется от d_min до d_max.

Оптические оси входного светового потока I_in и выходного светового потока I_out находятся в одной плоскости, но по разные стороны пластины 1 (фиг.3). Оптические оси светового потока дифракционных порядков с интенсивностью I_-1x и I_+1x, I_-1y и I_+1y (более высокие дифракционные порядки на фиг.3 не показаны) лежат в плоскости выходного светового потока и наклонены под углами α_k=λ/Т к оптической оси выходного светового потока.

Световой поток, проходя ДР, разлагается в угловой спектр на ряд дифракционных порядков. Нулевой порядок дифракции с интенсивностью I₀ не изменяет направления распространения, а боковые дифракционные порядки распространяются под углами α_к к оптической оси (фиг.3) и задерживаются диафрагмой 6. Интенсивность излучения в нулевом порядке дифракции на выходе аттенюатора в скалярном приближении описывается выражением

где ϕ=2πh(n-1) - фазовый сдвиг, вносимый штрихами ДР (В.Н.Котлецов. Микроизображения. Оптические методы получения и контроля. Л., Машиностроение, 1985, стр.210).

Для ДР с ϕ=π из выражения (2) следует, что коэффициент светопропускания предложенного аттенюатора описывается выражением

График зависимости светопропускания аттенюатора от параметра S=d/T (скважности) приведен на фиг.2, кривая 2. Для сравнения на этом же рисунке приведен график светопропускания устройства-прототипа (кривая 1), полученный с использованием выражения (1). Сравнивая приведенные графики, видно, что при Т=2.5-3 мкм и d_min=0.5-0.6 мкм, (S=0.15-0.2) пропускание предложенного аттенюатора составляет 0.9-0.92, что более чем в два раза выше, чем в известном аттенюаторе при тех же значениях Т и d_min. Т.е. световая энергия почти не теряется. Это делает возможным использование известного устройства для регулировки излучения мощных лазеров в УФ диапазоне, например эксимерных лазеров или мощных YAG:Nd лазеров с умножением частоты.

Если необходимо иметь заданную функцию η(ϑ) изменения коэффициента пропускания аттенюатора в зависимости от угла поворота ϑ, то диаметр d углублений или выступов решетки должен меняться по следующему закону:

Наиболее часто на практике используется линейная зависимость коэффициента пропускания аттенюатора от угла поворота ϑ. Если η(ϑ)=ϑ, то выражение для закона изменения диаметра углублений или выступов для этого случая будет иметь вид:

Диаметр углублений или выступов меняется от минимального значения d_min, определяемого технологией изготовления рельефа поверхности и длиной волны света d_min>λ, до максимального значения d_max, при котором коэффициент пропускания аттенюатора стремится к нулю η=0. Из выражения (4) следует, что при η=0 этот диаметр определяется соотношением

Так как на практике форма углублений или выступов немного отличается от круга, для получения минимального пропускания следует выбирать диаметр d_min из соотношения

Для обеспечения дистанционного управления поворотом пластины аттенюатора при регулировке мощного лазерного излучения ось 3 пластины 1 механически соединена с осью электрического двигателя 7 (фиг.3). На внешней зоне пластины расположена вторая ДР 5, выполненная в виде равномерной последовательности радиальных непрозрачных штрихов с угловым периодом L=2πR/N, где R - средний радиус зоны второй ДР, N - целое число. Один штрих 4 выполнен с угловой шириной L₀=kL, где k>2. Считывающей узел, выполненный, например, в виде установленных друг против друга, по обеим сторонам второй ДР, излучателя (светодиода) 8 и фотоприемника (фотодиода) 9, расположен в области, отдаленной от области входного светового потока. Узел электрически связан с блоком управления 10. Блок управления производит считывание величины углового положения пластины со считывающего узла и осуществляет изменение положения пластины аттенюатора согласно заданному уровню пропускания.

Предложенный аттенюатор имеет высокое светопропускание, или малые остаточное потери оптического излучения, которые по крайней мере в два раза меньше, чем в устройстве-прототипе. Это делает возможным использование предлагаемого аттенюатора для регулировки излучения мощных лазеров в УФ диапазоне, например эксимерных лазеров или мощных YAG:Nd лазеров с умножением частоты. Также преимуществом предлагаемого аттенюатора является простота и низкая стоимость в изготовлении. Это обусловлено тем, что в предлагаемом аттенюаторе поверхностный слой, выполненный в виде ДР, изготавливается методом фотолитографии. Это дает возможность легко формировать заданную и воспроизводимую функцию пропускания аттенюатора.

Таким образом, предлагаемый аттенюатор обеспечивает новые возможности применения, отсутствующие у известных аналогов, - возможность регулировки излучения с очень большой плотностью мощности без существенных потерь.

Аттенюатор предназначен для плавной регулировки интенсивности оптического излучения большой мощности в УФ области спектра. Аттенюатор состоит из пластины оптического материала с поверхностным слоем, выполненным в виде дифракционной решетки. Дифракционная решетка выполнена круговой, причем штрихи выполнены в виде последовательности углублений или выступов. Аттенюатор выполнен с возможностью вращения в угловом направлении относительно центра дифракционной решетки. Поверхностный слой выполнен дополнительно содержащим кольцевую зону с одним непрозрачным штрихом и с последовательностью непрозрачных штрихов. Технический результат - высокая лучевая стойкость и высокое светопропускание при использовании в УФ области спектра. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Дифракционный аттенюатор с переменным пропусканием, состоящий из пластины оптического материала с поверхностным слоем, выполненным в виде дифракционной решетки, отличающийся тем, что штрихи дифракционной решетки выполнены в виде последовательности рельефных углублений или последовательности рельефных выступов круглой формы с диаметром d, равным

где Т - период следования углублений или выступов;

η(θ) - коэффициент пропускания аттенюатора в зависимости от угла θ поворота, причем пределы изменения диаметра d выбираются от d>λ до d<(0,65-0,85)T, где λ - длина волны оптического излучения.