Селектор излучения Советский патент 1979 года по МПК H01S3/98 G02B5/32 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано для получения узколинейчатой перестраиваемой по частоте в широком спектрешьном диапазоне генерации вынужденного излучения, применяемого в лазерной спектроскопии, голографии, нелинейной оптике, лазерной фотохимии, а также в устройствах, в ко торых необходимо изм енение расходимости селектируемого излучения. В настоящее время в большинстве областей применения лазеров требуется узколинейчатая (в пределе одночас тотная) перестраиваемая в широком сп ктральном диапазоне генерация вынужденного излучения. Для решения указанной задачи требуются селекторы излучения, обладающие высокой избирательностью в широком спектрс1льном интервале, а также большой дифракционной эффективностью (или малой величиной вредных потерь излучения) и значительной лучевой прочностью. Известные селекторы излучения (призмен ные селекторы, спектроскопические дифракционные решетки и др.) не удовлетворяют в полной мере этим требованиям. Кроме того, поскольку поле в резонаторе лазера имеет расходимость, значительно превышающую дифракционную (теоретический предел), то даже резонаторы с высокой избирательностью не позволяют обеспечить узколинейчатую генерацию (близкую к одночастотной) . Проблема уменьшения расходимости лазерного излучения обычно решается сочетанием в резонаторе лазера селектора с телескопом, например, с линзовым, состоящим из пары софокусно расположенных линз. Однако линзовый телескоп в лазерной технике широкого распространения не получил из-за сложности его конструкции и больших геометрических размеров, а также ввиду трудностей его юстировки и наличия аберраций. Известно также использование для указанной цели призматического телескопа, которым является призма, работающая при почти скользящем падении излучения Ц. В отличие от линзового, призматический телескоп выполняет также функции селектора, ввиду наличия дисперсии показателя преломления материала призмы. Однако поскольку дисперсия призмы не высока 8 {274 угл. с/1) , приэматич- ский телескоп используется в сочетании с дифракциЬнными решетками для получения уэколинейчатой генерации. Кроме того в таком телескопе уменьшение расходимости тем больше, чем больше угол падения излучения на его входную гра что, как известно, сопряжено с резки ростом потерь излучения на френелевское отражение. Этот факт накладывае ограничение на предельно достижимый коэффициент телескопичноса-и, практически не превьнаающий 20-30 крат. Наилучшим сочетанием высокой угло вой дисперсии и низких потерь селект руемого излучения среди известных устройств обладает селектор излучения, содержащий пропускающую объем ную фазовую голограмму, у которой оптические оси пучков нулевого и дифрагированного порядков составляют одинаковые углы о ее задней гранью, т.е. поверхности максимального показателя преломления голограммы перпендикулярны ее задней грани 2}. Входная грань селектора наклонена к его задней грани, которой является грань голограммы, на угол, при котором пучки нулевого и дифрагированно го порядков испытывают полное внутреннее отражение от задней грани селектора. В таком селекторе излуче ние, падающее на его входную грань под углом, близким к О (для этого период гЬлографической решетки селектора и угол наклона его граней выбираются соответствующим образом) испытав преломление, попгщает на объемную решетку и дифрагирует на ней. В результате брэгговской дифра ции и полного внутреннего отражения от задней грани голограммы происходит интерференционное сложение дифрагированных пучков, идущих по направлению падающего nsMKa, т.е. реализуется автоколлимационный режим. Поскольку угол дифракции в среде голограммы может стремиться к зг/2 то можно обеспечить сколь угодно вы сокую избирательность при минимальных потерях излучения на отражение. Однако описанный селектор не изм няет расходимость селектируемого из лучения, а практически даже увеличивает ее из-за неоднородностей и шумов, присущих голограммам. Таким образом,несмотря на большую величину избирательности, которая в принципе может быть достигнута в данном случае, этот селектор не позволяет получить узколинейчатую ( близкую и одночастотную) генерацию без исполь зования телескопа. Кроме того, в прототипе высокая, избирательность имеет место при его высокой угловой диcпepcии т.е. в области, в которой.угловые повороты селектора не приводят к значительным изменениям длины волны.селекти4руемого излучения. Другими словами, спектральный диапазон высоких значений избирательности селектора недостаточен для решения вышеназванной задачи. Следует также отметить, что автоколлимационный режим, в котором работает этот селектор, накладывает жесткие .ребования на параллельность дифрагированных пучков. Практически изза рассеяния на неоднородностях голограмли дифракционная эффективность не может достигать 100%. Целью изобретения является изменение расходимости селектируемого излучения и расширение спектрального диапазона высоких значений избирательности селектора. Достигается это тем, что в селекторе, содержащем объемную фазовую голограмму, поверхности максимального показателя преломления голограммы наклонены к ее граням. На чертеже представлена схема предлагаемого устройства. Селектор состоит из объемной фазовой голограммы 1 с периодом Л. и углом наклона поверхностей максимального показателя преломления относительно ее граней ф . Для уменьшения потерь селектируемого излучения на френелевское отражение необходимо использовать устройство ввода - клин 2 из прозрачного материала с тем же показателем преломления, что и у материала голограммы, помещенный с помощью оптического контакта на переднюю грань голограммы. Условие интерференционного сложения пучков, идущих от соседних поверхностей максимального показателя преломления решетки, имеет вид АЛ -3r(5 4 sinui)-7 (1) где фиф- соответственно углы падения и дифракции в среде относительно нормали к граням голограммы. Учитывая, что ф ф -t- Q 2 и ( ф - 6 и, произведя преобразования, условие (1) переходит в обычное условие Брэгга2пА51П02 Л. Здесь ©2 угол падения излучения, отсчитываемый от поверхностей равного показателя преломления решетки. Таким образом, условие (1) является условием Брэгга для решетки, у которой поверхности максимального показателя преломления наклонены на уголф. в результате дифракции пучка излучения на селекторе-телескопе по условию (1) происходит изменение его сечения в К раз в плоскости дисперсии решетки. Из геометрического рассмотрения следует,что

«.,. ,3)

с-Р Ц,().

с другой стороны, дифференцируя условие (1) при условии, 4ToA const, получаем

dv I

dip cos I) К

Это означает, что угловая расходимость пучка изменяется в 1/К раз. Таким образом,после прохождения излучения селектора-телескопа сечение пучка увеличивается в плоскости дисперсии-решетки в К раз, а его углоК раз уменьшавая расходимость в ется.

В таблице приведена зависимость К от ф при условии, что Ц 0. (Это оптимальный угол с точки зрения максимально достижимого эффекта телескопичности).

В известном устройстве поверхности максимального показателя преломле ния голограммы перпендикулярны ее задней грани, т.е.ф О и согласно условию (3) , а это значит, что в процессе селектирования не происходи изменения расходимости и сечения селектируемого пучка. Сравним теперь избирательность, т.е. угловую дисперсию при постоянн угле падения в случае с известным устройством и предлагаемым. Для изв стного устройства избирательность определяется соотношением (5) dA пЛсоеб2 Видно, что при стремлении 02 кГ1/2 селективность стремится к оа . Однако в области высокой избирательности устройство мало чувствительно к его угловым вращениям, а поскольку эта область ограничена сравнительно небольшим (несколько угловых градусов угловь диапазоном, то поэтому невозможно получить широкодиапазонную перестройку длины волны излучения при высокой избирательности устройства. Иначе обстоит дело для предлагаемого устройства, избирательность которого определяется двумя соотношениямиdu cos ф dA n А cos Ц) для Цгсопз : и dif cos ф 6л. ПЛСО5 Ч для ij)const. Поскольку углы ф и i|J резко различаются, то резко различаются и избирательности устройства для излучения, падающего на его вход ную и выходную грани. Из условия (7 видно, что npHlp- ft/2избирательность стремится коа и так как в данном случае 82 значительно меньше { /2, устройство весьма чувствительно к угловым поворотам, что обеспечивает щирокодиапазонность перестройки при высокой селективности. Тот факт, что предлагаемое устройство обеспечивает изменение угловых характеристик селектируемого излучения, позволяет при использовании устройств в резонаторе лазера производить с помощью поворота одного из отражателей резонатора грубую настройку на заданную длину волны, а с помощью другого тонкую. Это является дополнительным преимуществом предлагаемого устройства перед известным, которое такими свойствоО ш не обладает. Полная дифракционная эффективность предлагаемого устройства, определяемая отношением интенсивностей дифрагированного и падающего пучков, равнаf((l-T ils Л,1/С05ф COSUi Здесь R1 и коэффициенты отражения соответственно от входной и выходной граней селектора, п - амплитуда модуляции показателя преломления, Т - толщина голограм лы - длина волны излучения в вакууме, ф и ц соответственно угол падения и дифракции в среде. Выбором параметров устройства (периода голограммы, угол наклона поверхностей максимального показателя преломления голограммы и угла клина) можно обеспечить .падение излучения, близкое к нормалям и его входной и выходной граням, т.е. обеспечить . Тогда из условия (8) видно, что IJ определяется только дифракционной эффективностью голограммы, которая теоретически может достигать 100%, а экспериментально достигает 97%. Автоколлимационный режим, в котором работает известное устройство, накладывает жесткое условие на параллельность дифрагированных пучков, которое практически трудно выполнить из-за наличия неоднороднрстей голограммы, что не позволяет для 1 превысить величину 80%