ОПТИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ ЛАЗЕРНОГО РЕЗОНАТОРА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2009 года по МПК G02B5/18 H01S3/10 

Изобретение относится к лазерной оптике и может быть использовано как оптический элемент лазерного резонатора (градиентное зеркало или «мягкая» диафрагма) при работе с твердотельными и газовыми лазерами для формирования заданного закона распределения оптического излучения, а также в астрономии и спектроскопии для коррекции формы оптической передаточной функции.

Известен оптический элемент лазерного резонатора, выполненный в виде зеркала с гауссовым распределением коэффициента отражения (Н.Р.Белашенков, В.Б.Карасев, Э.С.Путилин, П.Н.Фимин, В.Ю.Храмов. Градиентные лазерные зеркала. Оптический журнал, 2001, т.68, №5, стр.9-19). Многослойное диэлектрическое покрытие выполнено с переменным по поверхности зеркала распределением толщины. В дальней зоне распределение интенсивности излучения лазера с таким зеркалом не имеет дополнительных максимумов.

Однако изготовление таких зеркал сопряжено с большой сложностью создания многослойных зеркал с переменной по поверхности толщиной и необходимостью изготовления для этого специальных диафрагм. Кроме того, существенным недостатком данного оптического элемента лазерного резонатора является невозможность обеспечения произвольно заданного закона распределения пропускания. Кроме того, из-за того, что диэлектрические структуры выполняются с переменной по поверхности толщиной, возникают паразитные фазовые сдвиги, которые нарушают работу резонатора лазера.

Известен также оптический элемент лазерного резонатора, выполненный в виде кюветы с двумя окнами, установленными с зазором, нарастающим от оси кюветы к периферии и заполненной рабочим веществом, ослабляющим оптическое излучение и содержащим оптические неоднородности с показателем преломления, отличными от показателя преломления основного рабочего вещества (Патент РФ №2163386, G02B 27/58. Мягкая диафрагма для лазеров. Сенатский Ю.В. Приоритет 19.03.1999 г. Опубликован 20.02.2001 г.).

Недостатками данного изобретения являются сложность конструкции и невозможность получения произвольного профиля распределения интенсивности из-за технологических трудностей изготовления зазора произвольной толщины, сложность изготовления кюветы и рабочего вещества, низкая лучевая стойкость изготовления кюветы и рабочего вещества, низкая лучевая стойкость оптического элемента и большие световые потери.

Известен также оптический элемент лазерного резонатора, выполненный в виде подложки с нанесенной на нее рельефной металлической дифракционной решеткой (ДР) (Патент РФ №2166819, G02B 5/18, Оптический элемент лазерного резонатора. Низьев В.Г. Приоритет 15.06.1999 г. Опубликован 10.05 2001 г.).

Недостатками данного изобретения являются низкое значение коэффициента пропускания (или отражения), низкая лучевая стойкость, обусловленная применением поглощающей металлической ДР, и большие световые потери.

Наиболее близким по конструкции к предлагаемому изобретению является устройство, состоящее из пластины оптического материала с поверхностным слоем, выполненным в виде ДР со штрихами в виде последовательности углублений поверхностного слоя (Патент РФ №2137163, G02B 5/20. Светофильтр оптического излучения переменной плотности. А.Г.Полещук. Приоритет 10.12.1996 г., опубликован 10.09.1999 г.). Штрихи ДР выполнены в виде концентрических колец с переменной вдоль окружности шириной. Указанное устройство предназначено для создания фильтра с переменным пропусканием, и использовать его в качестве предлагаемого в заявке оптического элемента лазерного резонатора нельзя по следующим причинам:

1. Оно имеет низкое значение коэффициента пропускания (или отражения), обусловленного наличием непрерывных концентрических колец с переменной шириной. Коэффициент пропускания известного элемента определяется выражением:

где d - ширина штриха, Т - период дифракционной решетки.

Из выражения (1) следует, что при значениях Т=5-10 мкм и d_min=1-2 мкм максимальное светопропускание известного устройства составляет =0.35-0.65. Таким образом, более половины световой энергии теряется. В известном устройстве закон изменения пропускания связан с изменением ширины штрихов вдоль окружности.

2. При использовании указанного устройства возможен только угловой закон изменения пропускания, что не позволяет формирование известным изобретением наиболее часто встречающейся на практике супергауссовой радиальной зависимости коэффициента пропускания (отражения) элемента:

где r - расстояние до центра, G₀ - коэффициент пропускания (отражения) в центре, w - расстояние до центра, при котором коэффициент отражения падает в е раз, N - порядок супергауссова закона.

Однако по конструкции это устройство является наиболее близким к предлагаемому изобретению.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание оптического элемента лазерного резонатора, имеющего высокое значение коэффициента пропускания (отражения), обладающего функцией отражения или пропускания с произвольно заданным законом изменения и обеспечивающего аподизацию лазерных пучков в широком спектральном диапазоне (например, с двумерной супергауссовой зависимостью коэффициента пропускания/отражения) и в то же время имеющего высокую лучевую стойкость.

Поставленная задача выполнения произвольно заданного закона радиальной зависимости коэффициента пропускания (отражения) достигается в первом варианте за счет того, что в оптическом элементе лазерного резонатора, состоящем из пластины оптического материала (например, кварца) с поверхностным слоем, выполненным в виде дифракционной решетки со штрихами в виде последовательности углублений или выступов поверхностного слоя, площадь S_xy углубления в области поверхностного слоя с координатами x и y определяется по предложенной авторами формуле

где Т - период следования углублений или выступов, G₁ - коэффициент отражения или пропускания поверхностного слоя, - коэффициент отражения или пропускания поверхностного слоя в области углубления, G(x,y) - закон изменения коэффициента отражения или пропускания оптического элемента лазерного резонатора вдоль координат x и y, при этом огибающей пластины является окружность, а начало координат совпадает с центром окружности. Задаваясь значениями G(x,y), мы можем рассчитать S_xy в каждой точке пластины и тем самым обеспечить требуемый закон изменения коэффициента пропускания или отражения. При этом глубина h углублений штрихов решетки выбирается в пределах от h=0 до h=/2(n-1), где n - коэффициент преломления материала поверхностного слоя. Величина площади углублений S_min выбирается по формуле S>(25-100)·h².

С целью увеличения коэффициента отражения (пропускания) на поверхность пластины нанесена многослойная диэлектрическая структура. Подобная высокоотражающая структура применяется в лазерных зеркалах, а также в просветляющих покрытиях.

При этом во втором варианте оптического элемента лазерного резонатора многослойная диэлектрическая структура дополнительно нанесена на дифракционную решетку, выполненную в поверхностном слое пластины в виде последовательности отличающихся по площади углублений или выступов, а в третьем варианте оптического элемента лазерного резонатора поверхностный слой образуется путем нанесения на пластину многослойной диэлектрической структуры, а дифракционная решетка, состоящая из последовательности отличающихся по площади углублений или выступов, выполнена во внешнем слое многослойной диэлектрической структуры. Период следования Т углублений или выступов штрихов решетки выбирается для всех вариантов по формуле

где - максимальный коэффициент отражения или пропускания оптического элемента лазерного резонатора.

Технический результат заключается в том, что заявляемый оптический элемент лазерного резонатора имеет высокое значение коэффициента пропускания/отражения и функцию отражения/пропускания с произвольно заданным законом изменения, обеспечивает аподизацию лазерных пучков в широком спектральном диапазоне и в то же время имеет высокую лучевую стойкость из-за отсутствия поглощающих веществ в многослойных диэлектрических покрытиях. Достигнутое в устройстве увеличение коэффициента пропускания одновременно повышает контраст.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами.

На фиг.1 представлена схема оптического элемента лазерного резонатора в двух проекциях (а и б).

На фиг.2. представлены примеры сечения оптического элемента с поверхностным слоем, выполненным в виде многослойной дифракционной структуры (а и б).

На фиг.3 представлен пример осуществления заявляемого изобретения в качестве градиентного зеркала лазера.

На фиг.4. представлены зависимости коэффициента пропускания (отражения) от площади углубления.

На фиг.5. представлены для сравнения два графика зависимости коэффициента отражения десятислойного диэлектрического зеркала от материала последнего слоя. На графике 1 последний слой изготовлен из ZnO₂, на графике 2 - из SiO₂.

Оптический элемент лазерного резонатора (фиг.1а) состоит из пластины оптического материала (подложки) 1 с поверхностным слоем 2, выполненным в виде дифракционной решетки со штрихами 3 в виде последовательности углублений поверхностного слоя. Дифракционная решетка имеет период Т и глубину профиля h (фиг.1б).

На фиг.2 изображена подложка 1, на которую дополнительно нанесена многослойная диэлектрическая структура 4. Фиг.2а иллюстрирует выполнение пластины оптического элемента лазерного резонатора по первому варианту изобретения, а фиг.2б - по второму.

Поясним подробнее конструкцию предлагаемого устройства. Поверхностный слой 2 (фиг.1) выполнен в виде дифракционной решетки со штрихами в виде последовательности углублений (или выступов) 3. Площадь S каждого углубления изменяется в зависимости от места на пластине. Углубления в поверхностном слое пластины имеют глубину h не более h=/2(n-1) для оптического элемента, работающего на пропускание, и не более h=λ/4 для оптического элемента, работающего на отражение, где λ - длина волны оптического излучения, n - коэффициент преломления материала поверхностного слоя пластины. Вид штрихов ДР в поперечном сечении вдоль оси x показан на фиг.1б. Период Т и глубина штрихов h выбираются везде одинаковы, а площадь углублений изменяется от S_min до S_max.

Поверхностным слоем подложки может служить дополнительно нанесенная многослойная диэлектрическая структура (МДС) 4, показанная на фиг.2. МДС наносят с целью повышения коэффициента пропускания или отражения. МДС 4 (Фиг.2а) может быть нанесена на поверхность дифракционной решетки, выполненной в материале подложки (изготовление оптического элемента по первому варианту предлагаемого изобретения). А по второму варианту предлагаемого устройства ДР выполняется не в материале подложки, а во внешнем слое МДС (фиг.2б). В первом случае вначале изготавливается ДР, а затем на нее производится напыление N слоев МДС. Во втором случае на поверхность пластины оптического материала 1 напыляются N слоев МДС. Во внешнем слое методом фотолитографии и реактивно-ионного травления формируется рельеф ДР. Так как слои МДС обычно выполняются из различных материалов, травление рисунка ДР по глубине осуществляется до полного стравливания внешнего слоя, предпочтительно выполненного из SiO₂. При этом нижний слой играет роль стоп-слоя, что позволяет выполнить травление по глубине с высокой точностью.

На фиг.3 представлен пример использования заявляемого изобретения в качестве градиентного зеркала. Оптический элемент 1 лазерного резонатора устанавливается последовательно с активной средой 5 и зеркалом 6. Оптические оси отраженного светового потока I_ref и прошедшего светового потока I_outлежат на оптической оси лазерного резонатора, но по разные стороны пластины. Оптические оси светового потока дифракционных порядков с интенсивностью I_-1 и I₊₁ (другие более высокие дифракционные порядки на фиг.3 не показаны) лежат в плоскости светового потока и наклонены под углами α_k=λ/T к оптической оси светового потока, где k=1, 2, 3... - номер дифракционного порядка.

Световой поток, отражаясь от 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_k к оптической оси (фиг.3) и задерживаются входной апертурой активной среды 5. Интенсивность излучения в нулевом порядке дифракции, который является рабочим, на выходе элемента в скалярном приближении описывается выражением

где ϕ=2π·h(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 (3) следует, что коэффициент пропускания или отражения оптического элемента описывается выражением

где G₁ - коэффициент отражения или пропускания поверхностного слоя подложки, G₂ - коэффициент отражения или пропускания поверхностного слоя подложки в области углубления.

Если необходимо иметь заданную функцию G(x,y) изменения коэффициента отражения элемента или пропускания в зависимости от координат x и y, то, как следует из формулы (4), площадь углублений S решетки должна меняться по следующему закону:

где G(x,y) - заданная функция коэффициента отражения или пропускания оптического элемента лазерного резонатора вдоль координат x и y.

На фиг.4 представлены зависимости коэффициента пропускания (отражения) от площади углубления при Т=10 мкм, =0.95 и =0.9. Из графика следует, что при минимальной площади области углубления S=1 мкм² (линейные размеры 1×1 мкм) коэффициент пропускания (отражения) равен R=0.96, а при S=50 мкм² (линейные размеры ˜7×7 мкм) коэффициент пропускания (отражения) стремится к нулю. Таким образом, оптический элемент обеспечивает большой диапазон регулировки интенсивности оптического излучения, в то время как у устройства, являющегося ближайшим аналогом, максимальное пропускание не превышало 0.65 (см. формулу (1)). Т.е. световая энергия в предлагаемом устройстве почти не теряется. Это делает возможным использование предлагаемого оптического элемента в качестве внутрирезонаторного зеркала мощных лазеров.

Коэффициент отражения (пропускания) МДС незначительно меняется в области, где внешний слой удален для формирования углубления. На фиг.5 это изменение равно разности между пиковыми значениями графиков 1 и 2, которое уменьшается с увеличением количества слоев в МДС.

Площадь углублений меняется от минимального значения S_min, определяемого технологией изготовления рельефа поверхности и длиной волны света d_min>λ, до некоторого максимального значения S_max, при котором коэффициент отражения (пропускания) элемента стремится к нулю G=0. Из выражения (4) следует, что при G=0 эта площадь определяется соотношением

Т.е. при G₁=G₂˜1 площадь S_xy=Т²/2. Существенным преимуществом предлагаемого технического решения является выбор произвольной формы углубления. В соответствии с выражениями (4) и (5) для обеспечения функции заданного пропускания или отражения необходимо обеспечить заданную величину площади, причем форма углубления существенного значения не имеет (возможное ограничение - резкие изгибы с радиусами менее длины волны света). Это позволяет существенно упростить изготовление ДР оптического элемента путем применения метода прямой записи импульсным лазером. В этом случае достаточно хорошо контролируется площадь снятого материала, в то время как форма обрабатываемой области меняется.

Величина S_min площади углублений определяется из соотношения их площади и глубины рельефа ДР по формуле

Период следования Т углублений определяется из выражения (4) при максимальном значении коэффициента отражения/пропускания G(x,y)=G_max и минимально технологически выполнимой площади S_min углублений

Предложенный оптический элемент имеет высокое светопропускание, или малые остаточное потери оптического излучения. Это делает возможным его использование в качестве внутрирезонаторного зеркала мощных лазеров. Конструкция оптического элемента лазерного резонатора обеспечивает функцию отражения или пропускания с высоким контрастом и произвольно заданным законом изменения для аподизации лазерных пучков в широком спектральном диапазоне и в то же время имеет высокую лучевую стойкость. Таким образом, предлагаемый оптический элемент обеспечивает новые возможности, отсутствующие у известных аналогов - малые потери света, простота конструкции и возможность эффективно формировать излучение мощных лазеров с заданным распределением оптического излучения.

Оптический элемент лазерного резонатора, состоящий из пластины оптического материала с поверхностным слоем, выполненным в виде дифракционной решетки со штрихами в виде последовательности углублений или выступов поверхностного слоя, отличающийся тем, что площадь S_xy углубления или выступа в области поверхностного слоя с координатами Х и Y определяется из выражения

где Т - период следования углублений или выступов, G₁ - коэффициент отражения или пропускания поверхностного слоя, G₂ - коэффициент отражения или пропускания поверхностного слоя в области углубления или выступа, G(x,y) - требуемая функция изменения коэффициента отражения или пропускания оптического элемента лазерного резонатора вдоль координат Х и Y. Технический результат: получение элемента с высоким коэффициентом отражения/пропускания с произвольно заданным законом изменения, обеспечивающего аподизацию лазерных пучков в широком спектральном диапазоне с высокой лучевой стойкостью. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Оптический элемент лазерного резонатора, состоящий из пластины оптического материала с поверхностным слоем, выполненным в виде дифракционной решетки со штрихами в виде последовательности углублений или выступов поверхностного слоя, отличающийся тем, что площадь S_xy углубления или выступа в области поверхностного слоя с координатами Х и Y определяется из выражения

где Т - период следования углублений или выступов, G₁ - коэффициент отражения или пропускания поверхностного слоя, G₂ - коэффициент отражения или пропускания поверхностного слоя в области углубления или выступа, G(x,y) - требуемая функция изменения коэффициента отражения или пропускания оптического элемента лазерного резонатора вдоль координат Х и Y.

где Т - период следования углублений или выступов, G₁ - коэффициент отражения или пропускания поверхностного слоя, G₂ - коэффициент отражения или пропускания поверхностного слоя в области углубления или выступов, G(x,y) - требуемая функция изменения коэффициента отражения или пропускания оптического элемента лазерного резонатора вдоль координат Х и Y.

где Т - период следования углублений или выступов, G₁ - коэффициент отражения или пропускания поверхностного слоя, G₂ - коэффициент отражения или пропускания поверхностного слоя в области углубления или выступа, G(x,y) - требуемая функция изменения коэффициента отражения или пропускания оптического элемента лазерного резонатора вдоль координат Х и Y.

где G_max - максимальный заданный коэффициент отражения или пропускания.