Устройство для импульсной модуляции коэффициента отражения оптического излучения Советский патент 1993 года по МПК G02F1/35 

Изобретение относится к оптике, а именно к средствам управления параметрами оптического излучения.

Целью изобретения является расширение спектрального диапазона, повышение быстродействия модуляции коэффициента отражения.

На фиг.1 представлено распространение оптического излучения в средах с разной оптической плотностью; на фиг.2 - схема устройства; на фиг.3-4 - осциллограммы и кривая изменения коэффициента отражения.

Устройство содержит источник 1 оптического излучения, составную кювету 2, источник 3 оптического импульсного излучения, регулируемый дозатор газа,4, кювета 2 имеет зазор 5, входное окно J и окно 7, укрепленное (установленное) на основании 8 (подвижном).

Известно явление полного внутреннего отражения оптического излучения при распространении его из оптически более плотной среды 1 в оптически менее плотную среду 2, т.е. когда (фиг. 1). Это явление . имеет пороговый характер по величине угла падения 0 излучения к границе раздела

двух сред, что приводит к резкому изменению коэффициента отражения излучения при вариации вблизи ©пво, величина которого оп ПО

ределяется по формуле 0 nao arcsin- (1).

При этом величина коэффициента отражения R близка к 100% при 0 © Пвои меньше 5% при© ©пво- 5 ,где(5 2,5°для плоскополяризованного излучения, у которого вектор Е расположен в плоскости падения, ni (1,4- 1,5). .

Как показывает анализ зависимости ROT ©для углов падения в диапазоне ©пов- д 0ПОВ, небольшие изменения величины па приводят к существенной вариации коэффициента отражения излучения. Так, при изменении величины П2 от 1 до 0,96 (величина гм при этом фиксирована на уровне 1,4) получаем вариацию коэффициента отражения от 0,1 до 1,р, угол падения излучения на границу раздела задан при этом © . 43,68°, что соответствует начальному R 10,00%.

Возможность импульсного управления соотношением щ.и П2 базируется на выявленной авторами связи между показателем преломления молекулярных газов, например SFe, в инфракрасной области и запасом

(Л

С

00

о ел

4 Ы 00

колебательной энергии молекул этих газов, а также нашими данными по динамике изменения показателя преломления (ПП) SFe при колебательной накачке коротким импульсом С02 лазера, изменения ПП анализировались в области 10,6 мм.

На частотах оптического излучения, попадающих в фиолетовое крыло полосы молекулярного поглощения, имеет место быстрое (за время, меньшее длительности ИК-импульса, составляющего в экспериментах 1х ) насыщение аномальной дисперсии, т.е. ПП газа приближается к 1 снизу. Определенная авторами начальная величина разности (na-l) составила 2,5 х .на Торр газа, т.е. при давлении газа 2 атм, имеем начальное значение ,96. Отсутствие инерционности эффекта насыщения аномальной дисперсии позволяет оценить возможное быстродействие .способа. Так, согласно литературным данным сечение поглощения в центре полосы составляет 4х см2. Плотность мощности 1/1К-излу- чения на выходе в устройство для модуляции коэффициента отражения ограничена лучевым пробоем предельная интенсивность 1пр для импульсов излучения длительностью 100 не составляет 50 мВт/см2 при уменьшении длительности величина Пр будет расти. При этих условиях можно получить следующую оценку времени насыщения ПП газа т (о М0л х1)1 с. Понятно, что повышенная скорость насыщения требует импульсов, коротких по длительности. В настоящее время разработаны простые методы генерации ИК-импульсов в диапазоне не,& с.- Как уже отмечалось, изменение величины п от 1 до 0,96 приводит к росту ROT 10 до 100%. Приросте па от 0,96 до 1 получаем противоположное изменение R (угол падений луча на границу раздела в этом случае устанавливается G 43,68°).

Для частоты оптического излучения, попадающей в красное (низкочастотное) крыло полосы молекулярного поглощения, колебательное возбуждение приводит к более сложной относительности случая высокочастотной накачки зависимости ПП газа от степени возбуждения, а следовательно, и времени. В этом случае наблюдается резкая смена знака разности (П2-1). Таким образом, показатель преломления в расчете на 1 атм SFe падает от 1,03 до 0,95 с последующим далее насыщением к 1.

Пример. Основной пучок ПК-излучения является как анализирующим, так и насыщающим газовую среду, в качестве газа взяли SFe при давлении 0,5-2 атм.

Предварительно получили зависимости величины ROT угла падения анализирующего излучения на среду, что осуществлялось с помощью подвижного основания 8 с угловым лимбом. В эксперименте измерялись калориметрами фиксированной части исходного излучения (К1) и энергия отраженного импульса (К2).

Полученные зависимости ROT для дав0 ления газа, равного 0, а также 1 атм для исходного пучка накачки, а также накачки, ослабленной в 4,5 раза, приведены на фиг.З (кривые 1,2 соответственно). Эти данные получены на линиях регенерации R(12) и

5 R(14) лазера на углекислом газе в области 10,6 мкм. По этим кривым была выбрана область максимальной чувствительности коэффициента отражения R к величине возбуждения ( Э опт).

0 Далее проводились эксперименты .с фиксацией во времени входного и отраженного импульсов с помощью скоростных детекторов ИК-излучения на эффекте увеличения носителей фотонами, Обработ5

ка полученных осцилограмм позволяет определить динамику изменения R при воздействии ИК-импульса. Образцы полученных осциллограмм и кривая R( т } приведены на фиг.4.

0 Для введения пучков в устройство используют усеченную призму (прямоугольную) из фористого бария.Такая конструкция входного окна 6 упрощает реализацию условий для полного внутреннего отражения

5 анализирующего пучка на границе раздела двух сред- материала входного окна и слоя накачки на область, занимаемую первым пучком на границе раздела. Для снижения потерь на отражение входная и выходная

0 границы призмы могут быть просветлены. Для использования данного устройства в качестве нелинейного зеркала в резонаторе выходная грань призмы должна быть покрыта слоем (диэлектрическим или металличе5 ским) со 100% коэффициентом отражения. В этом случае величина угла призмы должны быть несколько скорректирована.

Элементы устройства - входное и выходное окна - где в качестве выходного окна

0

применено плоско-параллельное окно из

фтористого бария - приклеены эпоксидной смолой к металлической втулке с каналом для подвода газа (фиг.4). Кювета установлена на поворотном столике с угловым нониу- 5 сом, позволяющим отсчитывать угол поворота вокруг вертикальной оси с точностью 1.0.

Система подачи газа -.регулируемый дозатор - включает ампулу с газом, манометр для измерения давления газа, отсеч- ной вентиль, подсоединяемый с помощью откачной линии к насосу для создания предварительного разрежения.

Устройство позволяет повысить быст- родействие модуляции коэффициента отражения за счет исключения механических перемещений оптических элементов примерно на четыре порядка при одновременном упрощении способа. Формула изобретения 1. Устройство для импульсной модуляции коэффициента отражения оптического излучения, содержащее оптически связанные входное и выходное окна и неоднород- ную оптическую среду, коэффициент преломления которой зависит оттемперату- ры, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения спектрального диапазона и повышения быстродействия, устройство до-

полнительно содержит импульсный источник излучения накачки, оптически связанный с неоднородной оптической средой, причем неоднородная оптическая среда выполнена в виде прозрачной герметической кюветы.с регулируемым дозатором газа, заполненной молекулярным газом и снабженной средством вращения, одна из стенок кюветы выполнена в виде прозрачной усеченной прямоугольной призмы, боковые поверхности которой образуют входное и выходное окна, а источник излучения накачки выполнен так, что частота излучения накачки совпадает с частотой возбуждения колебательных степеней свободы молекулярного газа.

2, Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что в качестве молекулярного газа использован газ SFe при давлении 0,5г2 ат.

Сущность изобретения: управление коэффициентом отражения от границы раздела твердого тела и молекулярного газа достигается возбуждением молекул газа от дополнительного источника на частоте возбуждения колебательных степеней свободы. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

I

1о

2

Фиг.1

Фиг. 2

125 250 500 Г)ИС Фиг-А