(54) СЕЛЕКТОР ИЗЛУЧЕНИЯ Другую пару пучков образуют отраженный пучок нулевого порядка и пучок, испытавш помимо отражения, двукратную дифракцию. Как известно, при дифракции на фазовой решетке происходит запаздывание фазы на 3Jt /2. Вследствие этого дважды дифрагированный пучок оказывается сдвинутым по фазе, на J, т.е. в противофазе с нулевым, пучком. В резупьтате интерференции эти пучки ослабляются. При дифракционной эффективности решетки последняя пара пучков гасится полностью. Наряду с отмеченными достоинствами, описанный селектор обладает тем существенным недостатком, что для получения высокой дисперсии необходимо использование скользящего падения излучения на вхо ную грань голограммы, при котором доля потерь на отражение стремится к 10О%. Кроме того, панесе ше отражающего слоя, например, диэлектрического зеркала, на голограмму затруднено, а иногда и невозможно технологически, так как гфи необходимых для этото операциях (промывка очистка поверхности, подогрев при напылении покрытий и пр.). происходит нарушение свойств решетки. Решетка с покрытием обладает более низкой лучевой стойкостью что ограничивает возможности ее использования в мощных лазерах. Использование же внешнего отражатеп нанесенного на вспомогательную подложку, усложняет КС нструкцию селектора. Создани контакта решетки и отражателя приводит к возникновению дополнительного зазора и паразитного селектирования на отдельных участках, вследствие нейдеапыюсти реальных поверхностей, появляются дополнительные потери на отражение. Наконец, практически во всех современных лазерах в качестве отражателей испол зуются многослойные диэлектрические зеркала, характеристики которых сильно зависят от угла падения излучения. Поэтому при необходимости получения высокой дисперсии в сочетании с широкоднапазонной перестройкой с помощью прототипа неизбеж ны большие и изменяющиеся углы падения излучения на отражатель селектора, что приводит к резкому ;возрастанию; потерь. Целью изобретения является увеличение дисперсии устройства и уменьшение потерь селектируемого излучения. Поставленная цель достигается тем, что входная грань селектора наклонена к его задней грани, которой является задняя грань голограммы на угол, при котором пучки нулевого и дифрагированного порядков испытывают поп ное внутреннее отражение от задней грани селектора. При использовании тонкослойных голографических сред, входной гранью селектора служит грань клина из оптически прозрачного материала, помещенного с помощью оптического контакта на грань , голограммы. В случае использования толстослойных голографических сред входной гранью селектора служит передняя грань голограммы, На фиг. 1 представлена схема селектора, содержаш.его тонкослойную голограмму; на фиг. 2 - схема селектора, содержащего толстослойную голограмму. Селектор состоит из входной грани 1, объемной фазовой голограммы 2, задней грани 3. В случае использования тонкослойных голографических сред (см. фиг. 1) входной гранью 1 селектора является клин- из оптических прозрачного материала 4, помещенный с помощью оптического контакта на грань голограммы 2. Для толстослойных голографических сред (см. фиг . 2) входной гранью 1 селектора является грань голограммы 2, Пучок, подлежащий селекции, направляется на входную грань 1 селектора под нормальным углом или близким к нему, (в случае необходимости входная грань может быть просветлена либо выполнена под углом Брюстера- к падающему излучению). Попав на голограмму, излучение 5 дифрагирует с выполнением закона Брэгга, 2пА air- Q Здесь .-Л -период голограммы, А длина волны падающего излучения Sj-yrorf, который составляет пучки нулевого и дифраги рочанного порядков в среде голограммы с поверхностями максимального показателя преломления голограммы, п - средний показатель преломления среды, в которой записана голограмма. После отражения пучков нулевого и дифрагированного порядков от задней грани голограммы 3, каждый из них вновь дифрагирует на голограмме: образуются две пары когерентных пучков 6 и 7. Так как голограмма записана так, что пучки нулевого и дифрагированного порядков образуют одинаковые углы падения на заднюю грань 3 последней, то, в соответствии с законом зеркального отражения указанные пары пучков являются параллельными и перекрывающимися (перекрытие пучков оказывается практически по.1ным, если диаметр падающего пучка 5 намного больше толшины голограммы). Вследствие того, что углы падения пучсов на заднюю грань голограммы удовпетворяют усповвию попного внутреннего отраженияft. /J/ /ОЛ 92,a-rc6i.n(.l/n) , С2-) то указанные пучки без потерь возвращают ся в гопограмму. При этом отпадает необкодимость в специальном средстве отражения. Одна пара пучков 6 распространяется в направпении, противоположном падающему пучку 5 и состоит из пучков, испытавших дифракцию одинакового порядка. Эти пучки находятся в фазе дпя пюбого типа голограмм , и в результате интерференции усиливаются. Сложнее обстоит депо дпя второй пары пучков 7, один . из которых является пучком нулевого порядка, а другой испытывает двукратную дифракцию. Дпя работы устройства необходимо, чтобы эти пучки ослабляли друг друга, т. е. имели разность фаз (2тп +1)Ж , где тп-целое чиспо. Дпя это го сдвиг фазы при дифракции должен составляты(2п8+ 1)Л/2. Этому условию отвечает дифракция только на фазовой голограмме, объемной, либо тонкой. Именно эти обстоятельства послужили основанием дпя применения в предлагаемом селекторе фазовой голограммы, объемной либо тонкой (с использованием первого либо других нечетных порядков дифракции), когда проис ходит полное или частичное гашение пары пучков 7. Полная дифракционная эффективность уст ройства (/«) в общем случае равна ) Здесь R коэффициент отражения от входной грани селектора, коэффициент отражения средства отражения. Так как в предлагаемом устройстве интерферирующие пучки испытывают полное янутреннее отражение, для которого строго 1 цС1-я,)) , (3,5) Как и в прототипе, в случае объемной голограммы с 1| 0,5 пучки 7 гасятся полностью, а их энергия перекачивается в пучок 6. При этом Т| определяется только 4ренелевским отражением на входной грани селектора л. Эти потеря дпя предлагаемого селектора могут быть сведены к мин 1муму, если параметры селектора выбраны таким образом, чтобы селектируемое излучение падало по нормали ко входной грани селектора или близко к ней. . Сравним теперь основную характеристик сепектора, угловую дисперсию Bj cL8jM.Jt дпя прототипа и предлагаемого устройства. В нашем случае при падении излучения под углом, близким к нормали ко входной грани селектора, угловая дисперсия определяется вьфажением . , Ktg-gC Здесь #.-угол между входной и выходной гранями селектора Х-длина волны селектируемого излучения. Так как угол . может стремить ся к Г/2 при сохранении полного внутреннего отражения, то D при минимальных потернх на от- ражение, В случае прототипа угловая дисперси сия определяется выражением fvCos 8 COS 9 Я где Q -углы падения излучения на голограмму соответственно в воздухе и в среде Dj дисперсия гопограммы, опредепяемая выражением: , -iiLl2. Так как 82 не может в этом случае превышать значение arc8L-n( ), то D имеет конечную величину и увепичение дисперсии селектора в цепом, как внщю из (46), происходит практически только за счет преломления на передней грани подложки голограммы, что сопряжено с резким ростом потерь на отряженне. Таким образом, в прототипе фактически не используется высокая дисперсия голограммы. В npettпагаемом селекторе 6 может стремиться в 3t/2, т.е.Б2.теоретически принимает сколь угодно большие значения (высокая дисперсия голограммы используется полностью). Проведенные нами экспериментальные исследования лазеров, содержащих сепекторы типа, взятых нами в качестве прототипа, показали, что их дисперсия недостаточна для получения узколинейчастой, близкой к одночастотной генерации. Кроме того, в согласии с приведенным анапизом, потери на отражение от грани селектора превышали 2О9о. До сих пор работа описываемого селектора рассматривалась на фиксированной длине волны излучения. Представляет интерес вопрос перестройки длины вопны с помощью предлагаемого селектора. Перестройка селектора осуществляется изменением направпения пучка 5 либо поворотом устройства. Для объемной голограммы с периодом Л возможна селекция излучения тех длин волн,. которые попадают в спектральный интсовал ,2пА.(б) Границы интервала определяются неоьходимосгью одновременного выполЕ)ения условип Брэгга (1) и полного внутреннего отражения на задней грани голограммы 2. В реал ных системах спектральный диапазон, в ко тором возможна сепекция излучения с зада ной решеткой, чрезвычайно велик. Так, при П 1,52 (желатина) Л может изменяться от 2 Л до о ЗА . При ,2 мкм во зможна перестройка в пределах 4000-г 6000 А для ниобата лития (Л 2,2) этот интервал возрастает до 4ООО-4-88ОО Д. Анализ показывает, что с помощью пред лагаемого селектора можно производить эффективную перестройку длины волны Генерации в пределах ±10% от величины сред ней длины волны, равной 2,54Л при относительно небольших изменениях дифракционной эффективности (до от максимального значения) и угловой дисперсии (менее, чем в 2 раза). В случае прототипа, рабочий интервал перестройки ппины волны значительно меньший, ввиду резкого изменения потерь селектируемого излучени Итак, сопоставление прототипа и предла гаемого устройства показывает, что поспе нее обладает рядом существенных преимуществ:1.Как показано выше, достигается сколь угодно большая дисперсия при сохранении широкодиапазопной перестройки частоты и практически полном исключении вредных потерь на отражение, 2.Отпадает необходимость в специап :)ном средстве отражения. При этом одновременно возрастает лучевая стойкость селекто{эа и упрощается его конструкция. Рассмотрим пример конкретного выполнения устройства. Для записи фазовых решеток наиболее удобно использование газовых ОКГ, например, гепий-неонового, гелий-кадмиевого, аргонового и др. В качестве регистрирующих сред в настояшее время применяются тонкослойные среды (бихромированная желатина, халькогенидные стекла и др.) и толстослойные среды (например, кристаллы сегнетоэлектриков). Следует подчеркнуть, что требуемые толщины тонкослойных голограмм не превышают нескольких микрон вследствие использования больших углов падения пучков на заднюю грань последней, необходимых для получения эффекта полного внутреннего отражения. Помимо снижения вредных потерь на отражением т. п. и экономии материала, это обеспечивает максимальное перекрытие интерферируемых пучков, что повьпиает эффективность устройства. Запись решеток производится по обычной цвухлучевой схеме, причем они допжны- быть симметричны к слою регистрирую щей среды, чтобы вьтопняпось условие раенства углов падения и дифракции рабочего порядка. Отметим, что требование строгой нормальности поверхностей максимального показателя пре юмления к отражателю для объемных голограмм в действительности не является столь жестким. Проведенный нами анализ показал, что требуется лишь выполнение условия f «A/2dl, где Т-угол между упомянутыми поверхностями и нормалью к отражающей плоскости. В типичном случае голограмм на слоях желатины (d -10 мкм, ,3 мкм) должно быть « 0,015 - 50 1®, То же условие получается и для тонкой голограммы. Таким образом, при записи пучки должны составлять одинаковые углы с нормалью к задней грани регистрирующей среды с точностью более 1, что легко достижимо. Приведены дисперсионные характеристики селектора на кристалле ниобата лития для длины войны jtal,06 МКМ (ОКГ на стеклах и кристаллах, активированных Nd ) (таблипа). D2 d8j/dA, угл. сек/А Как видно, при легко достижимом угле дифракции дисперсия селектора на порядок выше, чем у прототипа (см формулу 46). До сих пор речь шла о се лекции изпу чения по длинам волн. Однако столь же успешно можно производить сепекцию по попярЕзапни, воспользовавшись зависимостью
эффективности дифракции от Г1пп фиапции падающего света (5)
.л (JCniCi/ACos9;i),. С7а)
4Сгг(Л-п с1Со52Э2,/Ас:о«в2). (75)
Здесь -гпубина модупяции покааатепя препомпения решетки.
Предпоженный селектор позвонит существенно увеличить избирательность опткческих квантовых генераторов, легко осуществлять уакопинейчатую генерацию с плавной широкодиапазонной перестройкой дпя лазеров непрерывного и импульсного действия, свип-пазеров и т. д. при замене им одного из зеркап резонатора. Возможно успешное использование предложенного селектора в спектральных исследованиях.
Формулаизобретения
1. Селектор излучения, содержащий фазо вую пропускающую голограмму, у которой оптические оси пучков нулевого и дифрагированного порядков составляют одинаковые углы с ее задней гранью, о т п и ч а и и с я тем, что, с цепью увеличения дисперсии устройства и уменьшения потерь
селектируемого изпучгчнт, вчиммля грип. селектора нпклонона к его зопилП грлпи, которой является лопиня герань Гп/шгр.чкгмь на угол, при котором пучки иуповогон nii.-fi рагированного поряпка ИСИЫТР П ИПТ пс/пиш внутреннее отражение от .чанной pjiaitn сгтгс тора.
2.Селектор по ti. 1, о т п и ч п )чш е е с я тем, что, с попью н(-п()11(,)г лния тонкослойных гопогрофических (ррп, входной гранью селектора служит грлш, кпнна из оптически прозрачного материапа, пг)мешенного с помощью оптического коитактп на грань голограммы.
3.Селектор по п. 1, о т п и ч а е е с я тем, что, с целью нспопкчся ния толстослойных го/1ографических сред, гранью сепсктора спужит передняя грань голограммы.
Источники информации, принятые по внимание при экспертизе
1.Галутва F. В., Рязанцев А. И, Селекция типов колебаний и стабилизация частоты оптических квантовых генераторов. Связь, М., 1972, с. 20.
2.Патент Франции № 2095291. кл. Н01 S З/ОО, С 02 В 5/00, 1970.
/Т
