ЗЕРКАЛО ДЛЯ ЛАЗЕРОВ Российский патент 2009 года по МПК H01S3/08 

Область техники

Изобретение относится к технической физике, а именно к полупрозрачным зеркалам с многослойным интерференционным покрытием, используемым в лазерной технике.

Уровень техники

Известно, что зеркало для лазеров, выполненное в виде многослойного покрытия, состоящего из 3-15 или большего числа чередующихся слоев с высоким и низким показателями преломления, может повысить отражение от прозрачной подложки, например обычного оптического стекла, с 4 до 55-99%. Отражение растет по мере увеличения числа слоев покрытия тем значительнее, чем больше разница в показателях преломления слоев. При этом расчет спектрального отражения от поверхности с многослойной пленкой достаточно громоздок, с использованием различных счетно-решающих устройств. Максимальное значение коэффициента отражения дает многослойное покрытие, состоящее из чередующихся слоев высокого и низкого показателей преломления равной оптической толщины по четверти длины волны излучения. Покрытие может содержать как четное, так и нечетное число чередующихся слоев. Наиболее широко применяются покрытия с нечетным числом слоев, у которых крайние слои, граничащие с подложкой и окружающей средой, имеют высокий показатель преломления [1].

Известно диэлектрическое зеркало, состоящее из перемежающихся слоев двуокиси кремния и титана, нанесенных на подложку, и нанесенного на зеркало защитного слоя из двуокиси кремния с оптической толщиной λ/2, где λ - длина волны излучения [2].

Известно лазерное зеркало, содержащее подложку и нанесенное на нее многослойное диэлектрическое покрытия из перемежающихся слоев с низким и высоким коэффициентами преломления. Покрытие имеет защитный слой из двуокиси кремния, оптическая толщина которого равна полуволне излучения [3].

Недостатком этого зеркала является малая лучевая прочность, связанная с нагревом внешних слоев покрытия и защитного слоя из двуокиси кремния при поглощении в них части проходящего лазерного излучения, их дальнейшего расплава и выхода зеркала из строя.

Известно зеркало для лазеров, содержащее подложку и нанесенное на нее многослойное диэлектрическое покрытие с защитным слоем из двуокиси кремния, оптическая толщина каждого слоя которого равна полуволне излучения. Для повышения лучевой прочности зеркала на его защитный слой нанесен буферный слой из тугоплавкого прозрачного материала с оптической толщиной в 2-3 длины волны излучения [4].

Недостатком этого лазерного зеркала является то, что оно не может быть использовано для химического лазера, в частности с активной средой на основе возбужденных молекул фтористого водорода (HF) и фтористого дейтерия (DF).

Известно, что с активной средой на основе возбужденных молекул фтористого водорода (HF) и фтористого дейтерия (DF) область генерации этого лазера находится в спектральном диапазоне от 2700 до 4100 нм. Рабочая смесь химического лазера на основе обоих фторсодержащих компонентов с молекулами водорода (Н₂) и дейтерия (D₂) позволяет осуществить лазерную генерацию в широком спектральном диапазоне [5].

За прототип выбрано, как наиболее близкое по технической сущности, зеркало для лазеров, выполненное из многослойного покрытия, описанного в работе [4].

Недостатком данного зеркала является то, что оно не обладает устойчивостью к воздействию агрессивной химической среды, каковыми являются молекулы HF и DF и не позволяет осуществлять высокоэффективную генерацию в широком спектральном диапазоне, т.к. не обеспечивает значения коэффициента отражения 70-80% для длин волн от 2700 до 4100 нм.

Необходимым условием эффективной генерации лазера в широком спектральном диапазоне является наличие соответствующих широкополосных резонаторных зеркал. Особую технологическую проблему представляет изготовление выходного полупрозрачного зеркала такого лазера, поскольку оно не может быть изготовлено с использованием металлов и металлических пленок, а также диэлектрических и полупроводниковых материалов, обладающих поглощением в области генерации. Принципиальной трудностью при изготовлении подобного широкополосного зеркала является также то обстоятельство, что оно должно быть устойчиво к воздействию агрессивной химической среды, каковыми являются молекулы HF и DF.

Раскрытие изобретения

Технический результат

Техническим результатом изобретения является создание полупрозрачного резонаторного зеркала, обладающего устойчивостью к воздействию агрессивной химической среды, обеспечивающего значение коэффициента отражения зеркала, равное 70-80%, позволяющего осуществлять высокоэффективную генерацию в широком спектральном диапазоне.

Технический результат достигается тем, что зеркало для лазеров содержит подложку и нанесенное на нее многослойное диэлектрическое покрытие чередующихся слоев с высоким и низким показателями преломления с защитным слоем. Новым в зеркале является то, оно снабжено дополнительным защитным слоем, нанесенным на подложку из фтористого кальция. Оставшееся нечетное число чередующихся слоев покрытия выполнено из селенида цинка и фторида иттрия, причем толщины защитных слоев - первого и седьмого слоя, считая от подложки, выполнены из фторида иттрия размером, не более λ₀/40, второго слоя - размером, менее или равным λ₀/2; а третьего, четвертого, пятого, шестого слоев - размером, равным λ₀/4, где λ₀ длина волны в середине спектрального диапазона длин волн 2700...4100 нм.

Проведенные исследования использования интерференционных резонаторных зеркал лазеров на основе HF и DF показывают, что их химическая стойкость может быть существенно повышена с помощью защитного покрытия в виде слоя фторида металла. Для большей технологичности многослойной структуры зеркала оно должно быть двухкомпонентным, поэтому фторид металла следует использовать не только в качестве верхнего защитного покрытия, но и внутри интерференционной стопы в качестве чередующего слоя с низким показателем преломления. Известны следующие наиболее часто используемые в качестве пленкообразующих материалов фториды металлов: магния MgF₂, стронция SrF₂, бария BaF₂, свинца PbF, иттрия YF₃ [6-7]. Однако пленки из MgF₂ в интересующем нас диапазоне длин волн обладают сильными растягивающими напряжениями, что приводит к растрескиванию многослойного покрытия; пленки SrF₂ отличаются сильным диффузным рассеянием, вызывающим значительные потери оптической мощности; пленки BaF₂ растворимы в воде, а пленки PbF₂ обладают повышенной токсичностью, что затрудняет их практическое использование. Пленки из YF₃ характеризуются высокой механической и температурной стабильностью, устойчивостью к агрессивной среде химического лазера, нетоксичны и нерастворимы в воде. Эти свойства фторида иттрия позволяют использовать его в качестве низкопреломляющего компонента многослойного интерференционного зеркала.

В качестве пленкообразующего вещества с высоким показателем преломления в среднем инфракрасном диапазоне длин волн излучения обычно используют сульфит и селенид цинка ZnS и ZnSe, а также полупроводниковые материалы Si и Ge [6-7]. Использование полупроводников в структуре выходного зеркала для химического лазера менее целесообразно, поскольку это понижает лучевую стойкость и затрудняет юстировку резонатора с помощью лазерных источников видимого диапазона по причине непрозрачности Si и Ge в видимой области. Селенид цинка более предпочтителен для использования в интерференционной структуре, чем сульфит цинка, поскольку селенид цинка обладает большим по сравнению с сульфитом цинка показателем преломления и, следовательно, позволяет создавать в паре с фторидом иттрия широкополосные покрытия.

Таким образом, по совокупности свойств селенид цинка и фторид иттрия являются оптимальным выбором компонент полупрозрачного зеркала химического лазера на основе молекул HF и DF. В качестве подложки для интерференционной стопы в рассматриваемом здесь спектральном диапазоне, как правило, используется флюорит кальция, отличающийся отсутствием поглощения, а также хорошей лучевой, механической и химической стойкостью [7]. Отобранные выше составляющие полупрозрачное зеркало материалы в области длин волн от 2700 до 4100 нм имеют следующие показатели преломления: селенид цинка n=2.42÷2.43; фторид иттрия n=1.50÷1.52; фторид кальция n=1.40÷1.42 [7].

Толщина защитных слоев многослойного покрытия из фторида иттрия размером не более λ₀/40 выбрана достаточной для того, чтобы выполнить функцию защиты зеркала от агрессивной среды активного вещества лазера, не влиять на спектр отражения зеркала. Кроме того, наличие защитного слоя из фторида иттрия непосредственно на подложке защищает зеркало от последствий возможных процессов долговременной диффузии агрессивных компонентов рабочего вещества лазера вдоль границы раздела подложка - многослойное покрытие.

Толщина второго оптического слоя из селенида цинка экспериментально подобрана таким образом, чтобы максимально выровнять характеристику отражения в спектральном диапазоне 2700...4100 нм. В результате оптическая толщина второго слоя, равная λ₀/2, в сочетании с оптической толщиной третьего, четвертого, пятого, шестого слоев - размером, равным λ₀/4, где λ₀ длина волны в середине спектрального диапазона длин волн 2700...4100 нм приводит к достижению вышеуказанному технического результату, а именно получению коэффициента отражения в спектральном диапазоне 2700...4100 нм, равного 70-80%.

Не обнаружены технические решения, совокупность признаков которых совпадает с совокупностью признаков заявляемого зеркала для лазеров, в том числе с отличительными признаками. Эта новая совокупность признаков обеспечивает получение технического результата, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию «изобретательский уровень».

На фиг.1 представлена спектральная зависимость коэффициента отражения зеркала при выполнении покрытия из чередующихся слоев селенида цинка и фторида иттрия с оптической толщиной, равной λ₀/4. Из фиг.1 видно, что коэффициент отражения в спектральном диапазоне 2700...4100 нм неравномерен и равен 35-87%.

На фиг.2 представлена спектральная зависимость коэффициента отражения заявляемого зеркала при нормальном падении лучей.

Зеркало для лазера, преимущественно для рабочих веществ HF и DF, содержащее подложку из фтористого кальция с нанесенным на одну ее сторону многослойным покрытием из семи чередующихся слоев фторида иттрия и селенида цинка, причем первый и седьмой слои выполнены из фторида иттрия. При этом оптические толщины первого и седьмого слоя, считая от подложки, выполнены размером не более λ₀/40, второго слоя - размером, равным λ₀/2; а третьего, четвертого, пятого, шестого слоев - размером, равным λ₀/4, где λ₀ длина волны в середине спектрального диапазона длин волн от 2700 до 4100 нм.

Предлагаемая конструкция выходного зеркала для химического лазера на основе HF/DF практически реализована нанесением в вакууме методом электронно-лучевого испарения пленкообразующих материалов ZnSe и YF₃ на одну поверхность плоскопараллельной подложки CaF₂ диаметром 25 мм и толщиной 7 мм. Необходимые значения показателей преломления, входящих в состав заявляемого покрытия компонент, достигались подбором оптимальных условий нанесения: температурой и скоростью осаждения пленок, а также значением давления остаточных газов в камере. Оптические толщины слоев контролировались фотометрическим методом по пропусканию неподвижной тестовой подложки.

Выходные зеркала по предлагаемому техническому решению прошли ресурсные испытания внутри резонатора химического лазера на основе HF/DF. Результаты испытаний свидетельствуют о том, что заявляемая конструкция полупрозрачных зеркал обладает необходимой лучевой, механической, климатической и химической стойкостью и позволяет осуществлять высокоэффективную лазерную генерацию в широком спектральном диапазоне от 2700 до 4100 нм. Уровень выходной мощности лазера свидетельствует о близости параметров выходной зеркала к требуемым значениям.

Изобретение найдет применение для лазеров-локаторов, лазерных систем, предназначенных для газоанализа и зондирования земной атмосферы, а также для физических исследовательских установок.

Источники информации

1. Т.Н.Крылова «Интерференционные покрытия», Л., «Машиностроение», 1973, с.224;

2. Авторское свидетельство СССР №789452, кл. С03С 17/34, опубл. 23.12.1980, БИ №47.

3. Технологическая инструкция. Покрытия оптические для ОКГ, ИАБ-50-74. Государственный оптический институт, 1976, с.12.

4. Патент RU №2059331, кл. Н01S 3/08 опубл.27.04.96.

5. С.Д.Великанов, А.С.Елутин, А.Ф.Запольский и др. «Широкополосный химический лазер, работающий одновременно на возбужденных молекулах HF и DF». Квантовая электроника", 18, № 2 (1991 г.), с.186.

6. Э.Риттер «Пленочные диэлектрические материалы для оптических применений», Физ. тонк. пл., том 8, М., «Мир», 1978, с.7-60;

7. Е.М.Воронкова, Б.Н.Гречушников, Г.И.Дистлер, И.П.Петров «Оптические материалы для инфракрасной техники», М., «Наука», 1965, с.87-91.

Изобретение относится к технической физике, а именно к полупрозрачным зеркалам с многослойным интерференционным покрытием, используемым в лазерной технике. Зеркало для лазера содержит подложку и нанесенное на нее многослойное диэлектрическое покрытие чередующихся слоев с высоким и низким показателями преломления с защитным слоем. Подложка выполнена из фтористого кальция с дополнительным защитным слоем. Толщины защитных слоев - первого и седьмого, считая от подложки, выполнены из фторида иттрия размером не более λ₀/40. Остальные чередующиеся слои покрытия выполнены из селенида цинка и фторида иттрия, причем толщины второго слоя - размером, менее или равным λ₀/2; а третьего, четвертого, пятого, шестого слоев - размером, равным λ₀/4, где λ₀ длина волны в середине спектрального диапазона длин волн 2700...4100 нм. Технический результат - создание полупрозрачного резонаторного зеркала, обеспечивающего высокоэффективную генерацию в широком спектральном диапазоне от 2700 до 4100 нм и имеющего коэффициент отражения зеркала R=70...80%. 2 ил.

Зеркало для лазеров, содержащее подложку и нанесенное на нее многослойное диэлектрическое покрытие чередующихся слоев с высоким и низким показателями преломления с защитным слоем, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным защитным слоем, нанесенным на подложку из фтористого кальция, толщины защитных слоев - первого и седьмого, считая от подложки, выполнены из фторида иттрия размером не более λ₀/40, остальные чередующиеся слои покрытия выполнены из селенида цинка и фторида иттрия, причем толщины второго слоя - размером менее или равным λ₀/2; а третьего, четвертого, пятого, шестого слоев - размером, равным λ₀/4, где λ₀ длина волны в середине спектрального диапазона длин волн 2700...4100 нм.