[go: up one dir, main page]

RU2345388C1 - Optical device of laser resonator (versions) - Google Patents

Optical device of laser resonator (versions) Download PDF

Info

Publication number
RU2345388C1
RU2345388C1 RU2007112036/28A RU2007112036A RU2345388C1 RU 2345388 C1 RU2345388 C1 RU 2345388C1 RU 2007112036/28 A RU2007112036/28 A RU 2007112036/28A RU 2007112036 A RU2007112036 A RU 2007112036A RU 2345388 C1 RU2345388 C1 RU 2345388C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
surface layer
reflection
optical element
recesses
protrusions
Prior art date
Application number
RU2007112036/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2007112036A (en
Inventor
нов Александр Сергеевич Кучь (RU)
Александр Сергеевич Кучьянов
Александр Иванович Плеханов (RU)
Александр Иванович Плеханов
Александр Григорьевич Полещук (RU)
Александр Григорьевич Полещук
Original Assignee
Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук filed Critical Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук
Priority to RU2007112036/28A priority Critical patent/RU2345388C1/en
Publication of RU2007112036A publication Critical patent/RU2007112036A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2345388C1 publication Critical patent/RU2345388C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Lasers (AREA)

Abstract

FIELD: physics, optics.
SUBSTANCE: optical device of the laser resonator consisting of a plate of an optical material with a blanket, executed in the form of a diffraction grating with accents in the form of sequence of dimples or the blanket salients, differing that area Sxy of dimple or salient in the field of a blanket with in co-ordinates X and Y is spotted from expression
Figure 00000024
where T - a continuance of following of dimples or salients, G1 - reflectivity or blanket gear transmissions, G2 - a reflectivity or gear transmissions of blanket in the field of dimple or salient, G (x, y) - demanded function of change of reflectivity or a gear transmission of an optical device of the laser resonator along co-ordinates X and Y.
EFFECT: obtaining of device with high coefficient of reflexion/transmission with any way given law of the change providing an apodisation of laser bundles in a wide spectroscopic range with high beam firmness.
6 cl, 5 dwg

Description

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.The invention relates to laser optics and can be used as an optical element of a laser resonator (gradient mirror or “soft” aperture) when working with solid-state and gas lasers to form a given law for the distribution of optical radiation, as well as in astronomy and spectroscopy to correct the shape of the optical transfer function .

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.Known optical element of the laser resonator, made in the form of a mirror with a Gaussian distribution of the reflection coefficient (N.R. Belashenkov, V. B. Karasev, E. S. Putilin, P. N. Fimin, V. Yu. Khramov. Gradient laser mirrors. Optical Journal, 2001, vol. 68, No. 5, pp. 9-19). The multilayer dielectric coating is made with a variable thickness distribution over the surface of the mirror. In the far zone, the distribution of the laser radiation intensity with such a mirror has no additional maxima.

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.However, the manufacture of such mirrors is associated with the great difficulty of creating multilayer mirrors with a variable surface thickness and the need to produce special diaphragms for this. In addition, a significant drawback of this optical element of the laser cavity is the impossibility of providing an arbitrarily specified transmission law. In addition, due to the fact that the dielectric structures are performed with a thickness that is variable over the surface, spurious phase shifts occur that disrupt the operation of the laser cavity.

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.).Also known is the optical element of the laser cavity, made in the form of a cuvette with two windows installed with a gap growing from the axis of the cuvette to the periphery and filled with a working substance, attenuating optical radiation and containing optical inhomogeneities with a refractive index different from the refractive index of the main working substance (Patent RF №2163386, G02B 27/58 Soft diaphragm for lasers. Senate Yu.V. Priority March 19, 1999 Published on February 20, 2001).

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.The disadvantages of this invention are the design complexity and the impossibility of obtaining an arbitrary intensity distribution profile due to technological difficulties in manufacturing a gap of arbitrary thickness, the complexity of manufacturing a cuvette and a working substance, low radiation resistance of a cell and a working substance, low radiation resistance of an optical element and high light losses.

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.).Also known is an optical element of a laser resonator made in the form of a substrate with a relief metal diffraction grating (DR) deposited on it (RF Patent No. 2166819, G02B 5/18, Optical element of a laser resonator. Nizyev VG Priority June 15, 1999 Published May 10, 2001).

Недостатками данного изобретения являются низкое значение коэффициента пропускания (или отражения), низкая лучевая стойкость, обусловленная применением поглощающей металлической ДР, и большие световые потери.The disadvantages of this invention are the low transmittance (or reflection), low radiation resistance due to the use of absorbing metal DR, and large light losses.

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:The closest in design to the proposed invention is a device consisting of a plate of optical material with a surface layer made in the form of DR with strokes in the form of a sequence of recesses of the surface layer (RF Patent No. 2137163, G02B 5/20. Optical filter of optical radiation of variable density. A. G. Poleshchuk. Priority 12/10/1996, published 10/09/1999). The strokes of the DR are made in the form of concentric rings with a variable width along the circumference. The specified device is designed to create a variable transmission filter, and it cannot be used as the optical element of the laser resonator proposed in the application for the following reasons:

1. Оно имеет низкое значение коэффициента пропускания (или отражения), обусловленного наличием непрерывных концентрических колец с переменной шириной. Коэффициент пропускания известного элемента определяется выражением:1. It has a low transmittance (or reflection) due to the presence of continuous concentric rings with a variable width. The transmittance of a known element is determined by the expression:

Figure 00000001
Figure 00000001

где d - ширина штриха, Т - период дифракционной решетки.where d is the stroke width, T is the period of the diffraction grating.

Из выражения (1) следует, что при значениях Т=5-10 мкм и dmin=1-2 мкм максимальное светопропускание известного устройства составляет

Figure 00000002
=0.35-0.65. Таким образом, более половины световой энергии теряется. В известном устройстве закон изменения пропускания связан с изменением ширины штрихов вдоль окружности.From the expression (1) it follows that at values of T = 5-10 μm and d min = 1-2 μm, the maximum light transmission of the known device is
Figure 00000002
= 0.35-0.65. Thus, more than half of the light energy is lost. In the known device, the law of variation in transmission is associated with a change in the width of the strokes along the circle.

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:2. When using the specified device, only the angular law of the transmission variation is possible, which does not allow the well-known invention to form the super Gaussian radial dependence of the transmittance (reflection) of the element most often encountered in practice:

Figure 00000003
Figure 00000003

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.where r is the distance to the center, G 0 is the transmittance (reflection) in the center, w is the distance to the center at which the reflection coefficient drops e times, N is the order of the super-Gaussian law.

Однако по конструкции это устройство является наиболее близким к предлагаемому изобретению.However, in design this device is the closest to the proposed invention.

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.The technical task of the invention is the creation of an optical element of a laser resonator having a high transmittance (reflection), having a reflection or transmitting function with an arbitrarily specified law of change, and providing apodization of laser beams in a wide spectral range (for example, with a two-dimensional super-Gaussian dependence of the transmittance / reflection ) and at the same time having high radiation resistance.

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 Sxy углубления в области поверхностного слоя с координатами x и y определяется по предложенной авторами формулеThe task of fulfilling an arbitrary given law of the radial dependence of the transmittance (reflection) is achieved in the first embodiment due to the fact that in the optical element of the laser resonator, consisting of a plate of optical material (for example, quartz) with a surface layer made in the form of a diffraction grating with strokes in in the form of a sequence of recesses or protrusions of the surface layer, the area S xy of the recess in the region of the surface layer with x and y coordinates is determined by the form proposed by the authors le

Figure 00000004
Figure 00000004

где Т - период следования углублений или выступов, G1 - коэффициент отражения или пропускания поверхностного слоя,

Figure 00000005
- 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 Sxy 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=
Figure 00000006
/2(n-1), где n - коэффициент преломления материала поверхностного слоя. Величина площади углублений Smin выбирается по формуле S
Figure 00000007
>(25-100)·h2.where T is the period of the recesses or protrusions, G 1 is the reflection or transmission coefficient of the surface layer,
Figure 00000005
is the reflection or transmission coefficient of the surface layer in the region of the recess, G (x, y) is the law of variation of the reflection or transmission coefficient of the optical element of the laser resonator along the x and y coordinates, while the envelope of the plate is a circle, and the origin coincides with the center of the circle. Given the values of G (x, y), we can calculate S xy at each point of the plate and thereby ensure the required law of change in the transmittance or reflection. The depth h of the grooves of the grooves of the lattice is selected in the range from h = 0 to h =
Figure 00000006
/ 2 (n-1), where n is the refractive index of the material of the surface layer. The size of the area of the recesses S min is selected by the formula S
Figure 00000007
> (25-100) h 2 .

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.In order to increase the reflection coefficient (transmittance), a multilayer dielectric structure is applied to the surface of the plate. Such a highly reflective structure is used in laser mirrors, as well as in antireflection coatings.

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 формулеIn this case, in the second embodiment of the optical element of the laser resonator, the multilayer dielectric structure is additionally deposited on the diffraction grating made in the surface layer of the plate in the form of a sequence of recesses or protrusions differing in area, and in the third embodiment of the optical element of the laser resonator, the surface layer is formed by applying a multilayer dielectric to the plate structures, and a diffraction grating consisting of a sequence of recesses differing in area or protrusions made in the outer layer of a multilayer dielectric structure. The repetition period T of the recesses or protrusions of the grating strokes is selected for all variants according to the formula

Figure 00000008
Figure 00000008

где

Figure 00000009
- максимальный коэффициент отражения или пропускания оптического элемента лазерного резонатора.Where
Figure 00000009
- the maximum reflection or transmission coefficient of the optical element of the laser resonator.

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.The technical result consists in the fact that the inventive optical element of the laser resonator has a high transmittance / reflection coefficient and a reflection / transmittance function with an arbitrarily specified law of change, provides apodization of laser beams in a wide spectral range and at the same time has high radiation resistance due to lack of absorbing substances in multilayer dielectric coatings. The increase in transmittance achieved in the device simultaneously increases contrast.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами.The invention is illustrated graphic materials.

На фиг.1 представлена схема оптического элемента лазерного резонатора в двух проекциях (а и б).Figure 1 presents a diagram of an optical element of a laser resonator in two projections (a and b).

На фиг.2. представлены примеры сечения оптического элемента с поверхностным слоем, выполненным в виде многослойной дифракционной структуры (а и б).In figure 2. examples of the cross section of an optical element with a surface layer made in the form of a multilayer diffraction structure (a and b) are presented.

На фиг.3 представлен пример осуществления заявляемого изобретения в качестве градиентного зеркала лазера.Figure 3 presents an example implementation of the claimed invention as a gradient mirror of the laser.

На фиг.4. представлены зависимости коэффициента пропускания (отражения) от площади углубления.In figure 4. The dependences of the transmittance (reflection) on the area of the depression are presented.

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.In Fig.5. two graphs of the dependence of the reflection coefficient of a ten-layer dielectric mirror on the material of the last layer are presented for comparison. In graph 1, the last layer is made of ZnO 2 , in graph 2 - of SiO 2 .

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).The optical element of the laser resonator (figa) consists of a plate of optical material (substrate) 1 with a surface layer 2 made in the form of a diffraction grating with strokes 3 in the form of a sequence of recesses of the surface layer. The diffraction grating has a period T and a profile depth h (Fig. 1b).

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.Figure 2 shows the substrate 1, which is additionally coated with a multilayer dielectric structure 4. Figure 2a illustrates the implementation of the plate of the optical element of the laser resonator according to the first embodiment of the invention, and Fig. 2b - according to the second.

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=

Figure 00000010
/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 Smin до Smax.Let us explain in more detail the design of the proposed device. The surface layer 2 (Fig. 1) is made in the form of a diffraction grating with strokes in the form of a sequence of recesses (or protrusions) 3. The area S of each recess varies depending on the location on the plate. The recesses in the surface layer of the plate have a depth h of not more than h =
Figure 00000010
/ 2 (n-1) for an optical element operating on transmission, and not more than h = λ / 4 for an optical element operating on reflection, where λ is the wavelength of optical radiation, n is the refractive index of the material of the surface layer of the plate. A cross-sectional view of the DR strokes along the x axis is shown in FIG. The period T and the stroke depth h are chosen everywhere the same, and the area of the recesses varies from S min to 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.The surface layer of the substrate can serve as an additionally applied multilayer dielectric structure (MDS) 4, shown in figure 2. MDS is applied to increase transmittance or reflection. MDS 4 (Fig. 2a) can be deposited on the surface of a diffraction grating made in a substrate material (manufacturing an optical element according to the first embodiment of the present invention). And according to the second variant of the proposed device, DR is performed not in the substrate material, but in the outer layer of the MDS (fig.2b). In the first case, a DR is first manufactured, and then N layers of MDS are sprayed onto it. In the second case, N layers of MDS are sprayed onto the surface of the plate of the optical material 1. In the outer layer, a relief relief is formed by photolithography and reactive-ion etching. Since the MDS layers are usually made of various materials, the etching of the DR pattern in depth is carried out to completely etch the outer layer, preferably made of SiO 2 . In this case, the lower layer plays the role of a stop layer, which allows etching in depth with high accuracy.

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 Iref и прошедшего светового потока Iout

Figure 00000011
лежат 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 αk=λ/T к оптической оси светового потока, где k=1, 2, 3… - номер дифракционного порядка.Figure 3 presents an example of the use of the claimed invention as a gradient mirror. The optical element 1 of the laser resonator is mounted in series with the active medium 5 and the mirror 6. The optical axis of the reflected light flux I ref and the transmitted light flux I out
Figure 00000011
lie on the optical axis of the laser cavity, but on opposite sides of the plate. The optical axes of the light flux of diffraction orders of intensity I -1 and I +1 (other higher diffraction orders are not shown in FIG. 3) lie in the plane of the light flux and are inclined at angles α k = λ / T to the optical axis of the light flux, where k = 1, 2, 3 ... is the number of the diffraction order.

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 αk 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 выражениемThe light flux, reflected from the DR, is decomposed into the angular spectrum into a number of diffraction orders. The zero diffraction order with intensity I 0 does not change the direction of propagation, and the lateral diffraction orders propagate at angles α k to the optical axis (Fig. 3) and are delayed by the input aperture of the active medium 5. The radiation intensity in the zero diffraction order, which is working, at the output element in the scalar approximation is described by the expression

Figure 00000012
Figure 00000012

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).where φ = 2π · h (n-1) is the phase shift introduced by the strokes of the DR (V.N. Kotletsov. Microimages. Optical methods of obtaining and control. L., Mashinostroenie, 1985, p. 210).

Для ДР с φ=π из выражения (3) следует, что коэффициент пропускания или отражения оптического элемента описывается выражениемFor a DR with φ = π, it follows from expression (3) that the transmittance or reflection of an optical element is described by the expression

Figure 00000013
Figure 00000013

где G1 - коэффициент отражения или пропускания поверхностного слоя подложки, G2 - коэффициент отражения или пропускания поверхностного слоя подложки в области углубления.where G 1 is the reflection or transmission coefficient of the surface layer of the substrate, G 2 is the reflection or transmission coefficient of the surface layer of the substrate in the region of the recess.

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:If it is necessary to have a given function G (x, y) of changing the reflection coefficient of the element or transmittance depending on the coordinates x and y, then, as follows from formula (4), the area of the recesses S of the lattice should change according to the following law:

Figure 00000014
Figure 00000014

где G(x,y) - заданная функция коэффициента отражения или пропускания оптического элемента лазерного резонатора вдоль координат x и y.where G (x, y) is the given function of the reflection or transmission coefficient of the optical element of the laser resonator along the x and y coordinates.

На фиг.4 представлены зависимости коэффициента пропускания (отражения) от площади углубления при Т=10 мкм,

Figure 00000015
=0.95 и
Figure 00000016
=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.Figure 4 presents the dependence of the transmittance (reflection) on the area of the recess at T = 10 μm,
Figure 00000015
= 0.95 and
Figure 00000016
= 0.9. From the graph it follows that with a minimum area of the recess region S = 1 μm 2 (linear dimensions 1 × 1 μm), the transmittance (reflection) is R = 0.96, and at S = 50 μm 2 (linear dimensions ~ 7 × 7 μm), the coefficient transmittance (reflection) tends to zero. Thus, the optical element provides a large range of adjustment of the intensity of optical radiation, while the device, which is the closest analogue, the maximum transmittance did not exceed 0.65 (see formula (1)). Those. light energy in the proposed device is almost not lost. This makes it possible to use the proposed optical element as an intracavity mirror of high-power lasers.

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.The reflection coefficient (transmittance) of the MDS varies slightly in the region where the outer layer is removed to form a recess. In figure 5, this change is equal to the difference between the peak values of graphs 1 and 2, which decreases with increasing number of layers in the MDS.

Площадь углублений меняется от минимального значения Smin, определяемого технологией изготовления рельефа поверхности и длиной волны света dmin>λ, до некоторого максимального значения Smax, при котором коэффициент отражения (пропускания) элемента стремится к нулю G=0. Из выражения (4) следует, что при G=0 эта площадь определяется соотношениемThe area of the recesses varies from the minimum value S min determined by the technology of manufacturing the surface topography and the wavelength of light d min > λ to a certain maximum value S max at which the reflection (transmittance) of the element tends to zero G = 0. From expression (4) it follows that for G = 0 this area is determined by the relation

Figure 00000017
Figure 00000017

Т.е. при G1=G2~1 площадь Sxy2/2. 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.Those. when G 1 = G 2 -1 area S xy = T 2/2. A significant advantage of the proposed technical solution is the choice of an arbitrary shape of the recess. In accordance with expressions (4) and (5), to ensure the function of a given transmittance or reflection, it is necessary to provide a given area value, and the shape of the recess is not significant (a possible limitation is sharp bends with radii less than the wavelength of light). This makes it possible to significantly simplify the fabrication of the DR of an optical element by applying the direct recording method by a pulsed laser. In this case, the area of the removed material is rather well controlled, while the shape of the treated area changes.

Величина Smin площади углублений определяется из соотношения их площади и глубины рельефа ДР по формулеThe value of S min the area of the recesses is determined from the ratio of their area and the depth of the relief DR according to the formula

Figure 00000018
Figure 00000018

Период следования Т углублений определяется из выражения (4) при максимальном значении коэффициента отражения/пропускания G(x,y)=Gmax и минимально технологически выполнимой площади Smin углубленийThe repetition period T of the recesses is determined from expression (4) with a maximum reflection / transmission coefficient G (x, y) = G max and a minimally technologically feasible area S min of recesses

Figure 00000019
Figure 00000019

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.The proposed optical element has a high transmittance, or small residual loss of optical radiation. This makes it possible to use it as an intracavity mirror of high-power lasers. The design of the optical element of the laser resonator provides a reflection or transmission function with high contrast and an arbitrarily specified law of change for apodization of laser beams in a wide spectral range and at the same time has high radiation resistance. Thus, the proposed optical element provides new opportunities that are absent from the known analogues - low light loss, simplicity of design and the ability to effectively generate radiation from high-power lasers with a given distribution of optical radiation.

Claims (6)

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 Sxy углубления или выступа в области поверхностного слоя с координатами Х и Y определяется из выражения
Figure 00000020

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.
1. The optical element of the laser cavity, consisting of a plate of optical material with a surface layer made in the form of a diffraction grating with strokes in the form of a sequence of recesses or protrusions of the surface layer, characterized in that the area S xy of the recess or protrusion in the region of the surface layer with coordinates X and Y is determined from the expression
Figure 00000020

where T is the period of the recesses or protrusions, G 1 is the reflection or transmission coefficient of the surface layer, G 2 is the reflection or transmission coefficient of the surface layer in the region of the recess or protrusion, G (x, y) is the required function of changing the reflection coefficient or transmission of the optical element laser cavity along the X and Y coordinates.
2. 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 на дифракционную решетку, выполненную в виде последовательности изменяющихся по площади углублений или выступов, дополнительно нанесена многослойная диэлектрическая структура, а площадь Sxy углубления или выступа в области поверхностного слоя с координатами Х и Y определяется из выражения
Figure 00000020

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.
2. The optical element of the laser resonator, consisting of a plate of optical material with a surface layer made in the form of a diffraction grating with strokes in the form of a sequence of recesses or protrusions of the surface layer, characterized in that the diffraction grating made in the form of a sequence of recesses or protrusions varying in area , a multilayer dielectric structure is additionally applied, and the area S xy of the recess or protrusion in the region of the surface layer with coordinates X and Y is determined from rage
Figure 00000020

where T is the repetition period of the recesses or protrusions, G 1 is the reflection or transmission coefficient of the surface layer, G 2 is the reflection or transmission coefficient of the surface layer in the region of the recess or protrusions, G (x, y) is the required function of changing the reflection coefficient or transmission of the optical element laser cavity along the X and Y coordinates.
3. 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 поверхностный слой образуется путем нанесения на пластину многослойной диэлектрической структуры, а дифракционная решетка, состоящая из последовательности изменяющихся по площади углублений или выступов, выполнена во внешнем слое многослойной диэлектрической структуры, при этом площадь углубления или выступа в области поверхностного слоя с координатами Х и Y определяется из выражения:
Figure 00000020

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.
3. The optical element of the laser cavity, consisting of a plate of optical material with a surface layer made in the form of a diffraction grating with strokes as a sequence of recesses or protrusions of the surface layer, characterized in that the surface layer is formed by applying a multilayer dielectric structure to the plate, and the diffraction grating , consisting of a sequence of recesses or protrusions varying in area, is made in the outer layer of the multilayer dielectric structure, wherein the area of the recess or protrusion in the region of the surface layer with coordinates X and Y is determined from the expression:
Figure 00000020

where T is the period of the recesses or protrusions, G 1 is the reflection or transmission coefficient of the surface layer, G 2 is the reflection or transmission coefficient of the surface layer in the region of the recess or protrusion, G (x, y) is the required function of changing the reflection coefficient or transmission of the optical element laser cavity along the X and Y coordinates.
4. Оптический элемент лазерного резонатора по пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что глубина штрихов решетки лежит в пределах от h=0 до h=λ/2(n-1), где n - коэффициент преломления материала поверхностного слоя.4. The optical element of the laser resonator according to claims 1, 2 or 3, characterized in that the depth of the grating lines lies in the range from h = 0 to h = λ / 2 (n-1), where n is the refractive index of the material of the surface layer. 5. Оптический элемент лазерного резонатора по пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что величина Smin площади углублений или выступов выбирается по формуле Smin>(25-100)·h2.5. The optical element of the laser resonator according to claims 1, 2 or 3, characterized in that the value of S min the area of the recesses or protrusions is selected by the formula S min > (25-100) · h 2 . 6. Оптический элемент лазерного резонатора по пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что период следования Т углублений или выступов выбирается по формуле
Figure 00000021

где Gmax - максимальный заданный коэффициент отражения или пропускания.
6. The optical element of the laser resonator according to claims 1, 2 or 3, characterized in that the period T of the recesses or protrusions is selected by the formula
Figure 00000021

where G max - the maximum specified reflection or transmittance.
RU2007112036/28A 2007-04-02 2007-04-02 Optical device of laser resonator (versions) RU2345388C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007112036/28A RU2345388C1 (en) 2007-04-02 2007-04-02 Optical device of laser resonator (versions)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007112036/28A RU2345388C1 (en) 2007-04-02 2007-04-02 Optical device of laser resonator (versions)

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2007112036A RU2007112036A (en) 2008-10-10
RU2345388C1 true RU2345388C1 (en) 2009-01-27

Family

ID=39927381

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007112036/28A RU2345388C1 (en) 2007-04-02 2007-04-02 Optical device of laser resonator (versions)

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2345388C1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5624847A (en) * 1991-05-03 1997-04-29 Joseph R. Lakowicz Method for optically measuring chemical analytes
RU2137163C1 (en) * 1996-12-10 1999-09-10 Институт автоматики и электрометрии СО РАН Optical radiation light filter of variable density
RU2177196C1 (en) * 2000-07-25 2001-12-20 Центр физического приборостроения ИОФ РАН Unstable resonator

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5624847A (en) * 1991-05-03 1997-04-29 Joseph R. Lakowicz Method for optically measuring chemical analytes
RU2137163C1 (en) * 1996-12-10 1999-09-10 Институт автоматики и электрометрии СО РАН Optical radiation light filter of variable density
RU2177196C1 (en) * 2000-07-25 2001-12-20 Центр физического приборостроения ИОФ РАН Unstable resonator

Also Published As

Publication number Publication date
RU2007112036A (en) 2008-10-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101759213B1 (en) Optimized dielectric reflective diffraction grating
US7145722B2 (en) Optical filter and method of manufacturing thereof
US10175496B2 (en) Wide spectral band subwavelength diffractive component
US20150362641A1 (en) High Index Contrast Grating Structure for Light Manipulation and Related Method
CN111142178A (en) Microstructure low-oscillation back-coated chirped mirror and preparation method thereof
US8338802B2 (en) Terahertz radiation anti-reflection devices and methods for handling terahertz radiation
CN102320164A (en) Multilayer medium high-reflecting film for variable angle laser incidence
JP2002258034A (en) Wavelength filter
JP2018132728A (en) Reflection type diffraction grating, laser oscillator, and laser beam machine
US6522471B2 (en) System of beam narrowing for resolution enhancement and method therefor
RU2345388C1 (en) Optical device of laser resonator (versions)
RU2092948C1 (en) Mirror with non-uniform complex reflection index
Tikhonravov Design of optical coatings
JPH11305005A (en) Antireflection film and method of manufacturing the same
US5602947A (en) Anti-reflective mid-infrared optical fiber and micro optical components
Mohammad Reducing sidelobes in a Rugate filter to achieve high reflectivity
CN114236650A (en) Design method of radar shell anti-reflection structure
RU2454760C1 (en) Planar binary microlens
RU181381U1 (en) Device for filtering the spectra of optical signals
Firak et al. Optical mirrors with variable reflectance
Gurin et al. THE FORMATION OF AZIMUTHALLY− POLARIZED TRANSVERSE MODES IN QUASI− OPTICAL WAVEGUIDE TERAHERTZ RESONATORS
RU2800647C1 (en) Optical device
Grunwald et al. Design, characterization, and applications of multilayer micro-optics
RU2047877C1 (en) Method of making and diffraction device for ir-radiation
McNally et al. were studied. Previously, we reported on the properties of Al203/SiO2 and

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20170403