BG112846A - Разделител на светлинни снопове с композиционни клиновидни интерференчни структури - Google Patents

Abstract

Разделителят разделя пространствено и мощностно падащ тесен спектрално и пространствено светлинен сноп на два снопа и е изграден от наложени една върху друга две композиращи го прозрачни клиновидни интерференчни слоево-образни суб-структури с частично-отразяващи повърхности. Структурите (S1) и (S2) са с оптични дебелини и ъгли (алфа 1) и (алфа 2) с коефициенти на отражение на отразяващите повърхности (R1,2,3,4) и с пространствено отстояние (делта X) между съответните им пространствени резонанси за оптични дебелини (е1*) и (е2*) подбрани така, че пропускането от двете застъпващи се суб-структури (S1) и (S2) по дължината на клиновете да има плавен линеен спад от максимална до минимална стойност с дължина, превишаваща линейния спад на пропускането за всеки съответен за дебелините (е1*) и (е2*) резонанс на суб-структурите (S1) и (S2) и със стръмност на спадане по-малка от тази за всеки от двата резонанса. Въвеждането на лъча в разделителя може да бъде чрез фокусиране с оптична леща върху повърхността на разделителя (R1).

Description

РАЗДЕЛИТЕЛ НА СВЕТЛИННИ СНОПОВЕ С КОМПОЗИЦИОННИ КЛИНОВИДНИ ИНТЕРФЕРЕНЧНИ СТРУКТУРИ

Марии Ненчев Ненчев, Маргарита Ангелова Денева, Елена Вадимовна Стойкова

Изобретението се отнася до разделител на светлинни снопове с композиционни клиновидни интерференчни структури пространствено разделящ в отделни снопове лъчението на единствен сноп или за сумиране на такива от пространствено разделени снопове в единствен сноп , който намира приложение в оптиката и оптични устройства, в оптични измерителни и анализаторни системи, в лазерната техника, в научноизследователската практика, в промишлени оптични апаратури, оптичните комуникации и др. Съществено предимство на разделителя с композитни клиновидни интерференчни структури е плавната промяна на енергийното разделяне на снопа в двата формирани от разделянето снопове при практически отсъствие на деформация на пространственото разпределение на интензитета в сечението на сноповете и на енергийни загуби и при запазване на посоката на разпространение на всеки от сноповете и действие без поляризационни зависимости при простота на реализацията на разделителя.

Известни са устройства за пространствено разделяне на светлинен сноп в отделни снопове базирани на поляризационо разделяне, на приложение на поглъщащи филтри, на интерферометрични структури тип и варианти на Фабри -Перо интерферометри, и използващи едноъглови клиновидни интерференчни структури /1//2/,/3/,/4/. /5/

За групата разделители базирани на поляризационно разделяне /1/,/2/,основен недостатък е управляемост на разделянето само при работата с поляризирана светлина, светлинна поларизираност на изходящите потоци и сложност на реализацията и некомпакгност на разделителя.

За групата разделители базирани на прозрачен материал с абсорбционно допирани примеси /1/,/2/. недостатък са високите енергетични загуби от абсорбция от работните примеси , както и ограничението за работа с ниски мощности на падащия сноп за избягване на загряването и разрушението му и некомпактност.

За групата разделители базирани на интерферометрични структури (филтри,отражатели и устройства) тип и варианти на Фабри -Перо интерферометри /1/,/2/ основен недостатък е промяната на направлението на получените лъчи от разделянето при стандартното управление чрез ъглово завъртане, както и промяна на отражението на съставящите диелектрични отражатели при завъртането. При изграждането им от метални

отражаващи слоеве допълнителен недостатък са високите загуби на интерферометъра от поглъщане в отражателите. Модулирането на дебелината на специализиран Фабри-Перо интерферометъра чрез пиезо-разделители с електрическо управление и от там на енергетичното разделяне на падащия сноп води до обща сложна и некомпактна електроннооптична система-разделител, също с влияние на външни електрични и магнитни полета.

За групата разделители базирани на влакнесто-оптично разделяне /3/ основен недостатък е неуправляемост (фиксирана стойност) на разделянето, сложно устройство и некомпактност на разделителя и за основните представители- поляризационните изисквания.

За разделители базирани на прости едноъглови интерференчни клиновидни структури /4/ основен недостатък е високата стръмност на промяна при управлението на разделянето при транслацията им което води до промяна на напречната пространствена структура на получените снопове от разделянето .

Задача на изобретението е да се създаде разделител на падащ светлинен сноп в два отделни светлинни снопа с управляемо съотношение на мощностите в двата снопа, който да обезпечава плавна промяна на съотношението на мощностите в двата снопа, да е с пренебрежимо малки енергийни загуби при разделянето, да запазва при промяната на съотношението направлението на разпространение на получените снопове, да е с възможност за разделяне на лъчения с високи мощности, без поляризационни изисквания към падащия сноп и получените снопове, с отсъствие на деформация на напречното разпределение на формираните сноповете спрямо това на падащия и да бъде с компактна и опростена конструкция.

Задачата се решава с разделител на светлинен сноп на пространствено отделни снопове, който се изгражда от разположени последователно интерференчни клиновидни слоево-образни суб-структури Si и S2 с подходящи параметри и взаимно разположение по дължината им в геометрия на последователни попадания на преминалото лъчение от единия към последяващия слой. Субструктурите могат да бъдат нанесени една върху друга за максимална компактност или да са паралелно разположени на разстояние по перпендикуляра към страните на клиновете. Всяка субструктура Si,S2 представлява прозрачен клиновиден слой с две плоски страни с ъгъл между тях съответно сц и аг, коефициенти на пречупване ш и пг съответно, вариращи оптични дебелини около две резонансни оптични дебелини ei* и ег* съответно за едната и другата ( ei* = m.ei и ег* = пг. ег, където ei и ег са съответните геометрични дебелини). Суб-структурата е изградена от прозрачен за дължината на вълната λ на падащото лъчение материал (изпарен, разпрашен диелектричен, обработени стъкло, кварцо,сапфир), като страните на клина на всяка субструктура са частично отражаващи чрез нанесени върху повърхностите огледала-покрития или от естествено отражение с коефициенти на отражение и,2 и гз,4 на съответните повърхности Ri,₂ и Кз,4 . Клиновидните слоеве суб-структури имат взаимно-паралелни Физо-линии на равен наклон . За съответно две дебелини ei* и ег* от едната и другата субструктури Si , S2 , съответстващите резонансите се застъпват частично с отстъп Δχ между максимумите им..

Последователните оптични дебелини на застъпените резонанси ei* и ег*на субструктурите и ъглите им аг и аг, коефициентите на отражение на всяка стуб-структура п,2 и R3.4 съответно и отстоянието Δχ между реозонансите са подбрани така, че формираното разпределение на пропускането от двете застъпващи се суб-структури Si , S2 по линията, перпендикулярна на ъглите на клиновете да има плавен линеен (или с минимални - единици проценти или части от процента отстъпи от линейност) спад от максимална стойност до минимална при дължина на спада превишаваща линейния спад на пропускането за всеки съответен резонанс на суб-структурите Si и S2 за дебелините ei* и ег*и със стръмност на спадане по малка от тази за съответните резонансите за ei* и ег* на суб-структурите.

Предимство на разделителя, съгласно изобретението, е че той обезпечава плавен линеен (или с минимални - единици проценти или части от процента отстъпи от линейност) спад от максимална стойност до минимална с по-малка стръмност на спада от тази на резонанса за всяка суб-структура и при дължина на спада, превишаваща линейния спад на пропускането за всеки съответен резонанс на суб-структурите за дебелините ei и ег. Това дава възможност, като съществено предимство, за плавна и линейна промяна на пропускането за падащия светлинен сноп с дължина на вълната λ без (или с пренебрежимо малка - единици проценти и части от процента ) деформация на разпределението на интензитета на светлината в напречното сечение на преминалия и отразения снопове. Управлението (управляемата промяна) на съотношението на мощностите в двата снопа от разделянето на падащия сноп се осъществява с плавна транслация на разделителя в неговата равнина (равнината на двете образуващи субструктури) и по перпендикулярна линия на ръба на клиновете , което не променя направлението на разпространение за всеки от сноповете. В двата формирани снопа при разделянето -преминал и отразен,се съсредоточава цялата мощност на падащия сноп ,като в изградения от диелектрични слоеве разделител загубите в слоевете са пренебрежимо малки от разсейване и поглъщане в тях ( части от процента -свойство на слоевете при качествено тяхно изграждане). При транслационното управление, за суб-структурите с нанесени върху тях отражатели тип многослойни диелектрични огледала, поради запазване на ъгъла на падане се избягва нежеланата промяна на интерференчните свойства на диелектрични огледала. При наложени един върху друг подходящи диелектрични слоеве-суб-структури разделителят представлява компактен листоподобен елемент с висока лъчево-разрушителна устойчивост надвишаваща MW/ cm². Предимствата на разделителя се реализират за директно падащи върху разделителя снопове с диаметър по-малък от полу-ширината на пространствените и спектрални резонанси на двете образуващи разделителя клиновидни структури. Ефективно действие на разделителя с поширок попадащ сноп се осъществява при фокусировката на снопа върху разделителя ,намаляваща диаметъра на попадащия за разделяне сноп.

Едно примерно схематично изпълнение на разделителя съгласно изобретението е показано на приложената Фигура 1, където горе е представено устройството на разделителя (работната негова част) ,а аналитичната графика долу е пояснение за действието му .

В показаното на Фиг. 1(a) изпълнение се представя практически важният случай на падащ паралелен лазерен сноп с примерен диаметър 1 mm (от He-Ne , Аг или полупроводников лазер). Ъгълът на падане на снопа към разделителя е (3 до 20)°. В изпълнението от Фиг. 1(a) разделителят е образуван от две наложени клиновидни слоевообразни суб-структури Si и S2 , всяка представляваща клиновиден диелектричен слой със съотвено оптична дебелина ei* =5 pm и ег* = 3pm и ъгли на клиновете αι = 1.2 X 10'⁵ rad и аг = 0.59 X 10'⁵ rad , и ъгъл на падане на лъча спрямо нормалата към равнината на разделителя 5°. Повърхностите Ri,2 и R,3,4 на суб-структурите са с отражателни покрития с коефициент на отражение и,2, = 0.6 , г 3,4 = 0.6 ,като отражателните покрития R2.3 за допиращите се повърхности на структурите може да са изпълнени като една обща отражаваща повърхност. Суб-структурите в примера с размери - дължина 5.4 см х ширина за Si =1.8 cm, за 82= 1 cm и са нанесени върху стъклена подложка с дебелини 0.2cm. Подложките са плоско паралелни пластини но могат да са и с малка клиновидност ~ (2-5)° от непокритата страна за избягване на бликове и интерференчни ефекти. Слоевете са допрени един над друг и подходящо застъпени за паралелност на линиите на равен наклон (линиите на Физо). Разстоянието Ах по рамото на структурите между максимумите на избраните резонанси за ei* и ег* се подбира експериментално (около 80% от дължината на пространствената ширина на резонанса на ,при разделни суб-структури чрез приплъзване на едната върху другата), за оптимална, поголяма ~ 2 пъти дължина -от тази на всяка суб-структура и стръмност на кривата на спадане

(мощностното съотношение на преминалия и отразения сноп) по малка от ~ 4 пъти спрмо стръмността на резонансното спадане за съставящите суб-стрктури .

На Фиг. 1(6) е представено аналитично пресмятане на трансформацията на кривата (с удебелената непрекъсната линия) на намалението на пропускането при транслация на разделителя спрямо падащия лазерен сноп за дадените в описанието към Фиг. 1(a) параметри на разделителя и снопа. Отразения сноп е допълнителен на преминаващия с отчитане на пренебрежимите загуби в диелектричните слоеве. С пунктирани линии за сравнение са дадени съответните резонансни криви на пропускане за всяка суб-структура. С широката плътна стрелка към резонансната крива за Si + S2 е дадена схематично началната част от падащия върху разделителя сноп , а за суб-структурите, за случай на тяхна самостоятелна работа като разделителни едноклинови структури (интерференчни клинове) - началата част на падащия сноп същия размер -с пунктирана стрелка . Дължината на всичките стрелките е еднаква, като дължините на частта от стрелките, отсечени от очертанията на резонансните криви са пропорционални на пропускането за двата краища на падащия сноп , т.е. на деформацията след преминаването му през съответната структура и през разделителя съгласно изобретението. За хомогенно разпределение на светлинния интензитет на сноповете, деформацията на полето по диаметър за случая на разделителя съгласно изобретението за снопа с диаметър 1 mm е по малка повече от 4 пъти от тази за използване на единичните суб-структури като разделители- интерференчни клинове (съответно 5 % / mm срещу 20 % / mm и 30 % / mm спрямо едната и другата суб-структури). В зависимост от положението, при подбор на по-дълго отстояние Δχ между резонансите,за описаните по-горе параметри на суб-структурите деформацията при разделителя по изобретението спада ~ 6 пъти и повече в сравнение с тази в суб-структурите използвани като отделни разделители. (3.3 % / mm срещу 20 % / mm и 30 % / mm). Областта на плавно линейно управление (намаление на пропускането) за разделителя по изобретението е 2 - 3.5 пъти по широка от тази за суб-структурите използвани като разделители поотделно. Максималното стартово пропускане и минималното за линейния участък се задава от диаметъра на снопа и огледалата на суб-структурите и дебелината на им.. За разделителя по изобретението с дадените по-горе примерни параметри и реализиращ описаните предимства , за сноп с диаметър 1 мм и за огледала с отражение 0.15 пропускането е управляемо от 65 % максимално до 25 % минимално, а за огледала с отражение 0.6 - съответно от 37 % до 5 % .

За сравнение, на Фиг. 2 - горна и долна, - двойки графики, са представени експериментални криви на пропускането. Кривите с кръговете са за разделителя по изобретението с указаните по-горе параметри и за две отражения на огледалата на суб-структурите . Коефициентите на отражение са допълнителни до практически 1 (уточнено до 95-97%, свързано с качеството на слоевете и отражателите) за тези за пропускането. Резултатът на фигура (а) е за отражение на огледалата на суб-структурите 60% (λ- 0.6328 pm, Не-Не лазер) а на фигура (б) - за отражение 15 % (λ= 0.405 pm, син полупроводников лазер) . Падащите сноповете са след диафрагма с диаметър 1 mm и с близко до хомогенно разпределение на интензитета. На фигурите кривите с кръговите точки са за разделителя съгласно изобретението,а кривите с триъгълното отбелязване са за съставящата субструктура с по-малка стръмност - S2, използвана самостоятелно като разделител, Параметрите на разделителя и суб-структурата са като дадените в описанието по-горе с различието в отражението на огледалата. Графиките показват отбелязаните по-горе от аналитичните криви съществено по-добри показатели на разделителя по-изобретението ( 2 пъти по широка област на плавно линейно управление и повече от 4 пъти по-малка стръмност на кривата на спада и от там на деформация на снопа - практически пренебрежима). Комбинацията с по-ниския коефициент на отражение на огледалата, обезпечава съществено по голяма дължина на управление (~7 мм) и плавност , но при по ниски стойности на стартовото и крайното пропускане от 60% и 25 % съответно и може да бъде прилагана с предимство в тези граници на управление.

Съществено намаление на деформациите при практически същата дължина на линейното управление се постига при фокусировка на падащия сноп (петно с диаметър —0.1- 0.2 мм върху разделителя) . Деформациите за разделителя са от порядъка на части от процента което на практика означава работа напълно без деформация, докато за суб-структурите деформациите са ~ 10 %. Общо ограничение при използване на фокусировка за използване на разделените лъчи в паралелни снопове е усложняване на системата с необходимост от приложение на 3 лещи, а при високо-енергетични снопове (кило, мега и повече вати на квадратен сантиметър) - многократно увеличение на лъчевото натоварване на разделителя с възможност за настъпване на повреди. В съответните случай на приложение тя може да бъде предпочитана.

Claims (3)

1. Авторски претенции :

   1. Раз делител на светлинен сноп за пространствено и мощностно разделяне на падащ тесен спектрално и пространствено светлинен сноп на два снопа, изграден от наложени една върху друга последователно две композиращи го интерференчни слоево-образни суб-структури с частично-отразаващи равнини повърхности ограничаващи клиновиден слоой , като клиновидния слой от е от твърд прозрачен за дължината на вълната на падащия лъч материал (диелектричен наслоен материал, кварцово стъкло,сапфир), а ограничаващите го повърхности са частично-отразяващи за тази дължина на вълната, характеризиращ се с това, че. композиционните клиновидни интерференчни структури (Si) и (S2) са с оптични дебелини (ei*) и (е2*) и ъгли при върховете на клиновете (оц) и (аг), коефициенти на отражение на отразяващите повърхности (Ri,2,3,4 ) и пространствено отстояние (ΔΧ) между съответните им на дължината на вълната на падащия лъч най-близки пространствени резонанси, подбрани така, че формираното разпределение на пропускането от двете застъпващи се субструктури (Si) и (S2) по линията, перпендикулярна на ъглите на клиновете да има плавен линеен (или с минимални - единици проценти или части от процента отстъпи от линейност) спад от максимална стойност до минимална при дължина на спада превишаваща линейния спад на пропускането за всеки съответен резонанс на суб-структурите (Si) и (S2) за дебелините (ei*) и (ег*) и със стръмност на спадане по малка от тази за съответните резонансите за (ei*) и (ег*) на суб-структурите.
2. 2. Разделител на светлинен сноп за пространствено и мощностно разделяне на падащ тесен спектрално и пространствено светлинен сноп на два снопа, изграден от наложени една върху друга последователно две композиращи го интерференчни слоево-образни суб-структури с частично-отразаващи равнини повърхности ограничаващи клиновиден слоой , като клиновидния слой от е от твърд прозрачен за дължината на вълната на падащия лъч материал (диелектричен наслоен материал, кварцово стъкло,сапфир), а ограничаващите го повърхности са частично-отразяващи за тази дължина на вълната по претенция 1., характеризиращ се с това, че входящият за разделяне лъч се въвежда в разделителя чрез фокусиране с оптична леща върху повърхността на разделителя (Ri).
3. 3. Разделител на светлинен сноп за пространствено и мощностно разделяне на падащ тесен спектрално и пространствено светлинен сноп на два снопа, изграден от наложени една върху друга последователно две композиращи го интерференчни слоево-образни суб-структури с частично-отразаващи равнини повърхности ограничаващи клиновиден слоой , като клиновидния слой от е от твърд прозрачен за дължината на вълната на падащия лъч материал (диелектричен наслоен материал, кварцово стъкло,сапфир), а ограничаващите го повърхности са частично-отразяващи за тази дължина на вълната, по претенция 2, характеризиращ се с това, че входящият за разделяне лъч се въвежда в разделителя чрез фокусиране с оптична леща, а получените от разделянето два снопа се извеждат като паралелни снопове чрез съответна оптична леща за всеки сноп.