Френелевский ослабитель лазерного излучения

Изобретение относится к измерительной технике в части создания устройств для ослабления оптического лазерного излучения и может быть использовано в качестве ослабителя в оптических схемах для получения на его выходе оптического излучения, пропорционального коэффициенту деления, который определяется с высокой точностью. Целью изобретения является достижение независимости коэффициента ослабления лазерного излучения от поляризации и существенное расширение динамического диапазона в сторону малых уровней интенсивности лазерного излучения для любой оптической системы, использующей такое излучение. Поставленная цель достигается тем, что устройство содержит четное число (два и более) призм Дове, расположенных под определенными углами таким образом, чтобы обеспечивать коэффициент ослабления лазерного излучения, не зависящий от поляризации падающего излучения, при этом угол падения излучения на первую призму Дове составляет 45 градусов. Устройство найдет широкое применение в лазерной радиометрии для измерений мощности лазерного излучения в широких динамическом и спектральном диапазонах. Устройство позволит провести передачу размера единицы средней мощности лазерного излучения от криогенного радиометра непосредственного на его уровне мощности к средствам измерений средней мощности лазерного излучения, работающих в более высоком динамическом диапазоне.

Изобретение относится к измерительной технике в части создания устройств для ослабления оптического лазерного излучения и может быть использовано в качестве ослабителя в оптических схемах для получения на его выходе оптического излучения, пропорционального коэффициенту деления, который определяется с высокой точностью.

Известно устройство - плоскопараллельная пластинка [1], представляющая собой слой однородной прозрачной среды с показателем преломления n, ограниченный параллельными плоскостями на расстоянии d друг от друга. Оптическая толщина плоскопараллельной пластинки равна nd, оптическая сила равна нулю, оптическое увеличение равно единице. Одним из применений плоскопараллельной пластинки в оптике является ее использование в качестве ослабителя оптического излучения.

Преимуществами данного устройства являются: простота изготовления и удобство в использовании, что позволяет применять его при измерениях относительного уровня мощности излучения; возможность изготовления данного устройства любых размеров, что позволяет работать с любыми диаметрами пучков лазерного излучения; относительная высокая точность коэффициента ослабления ~ 1%.

Недостатками данного устройства является то, что плоскопараллельная пластика как оптический элемент обладает аберрациями, в частности сферической аберрацией, хроматической аберрацией и астигматизмом. Коэффициент ослабления зависит от поляризации падающего излучения при углах наклона пластинки больше 8°, что приводит к большим оптическим плечам измерительной установки, тем самым увеличивая габариты оптической системы. При прохождении излучения через плоскопараллельную пластинку луч отражается от первой и второй грани по ходу излучения, тем самым увеличивается диаметр пучка в плоскости приемника и требуется установка дополнительных оптических элементов для сведения двух лучей в одну точку.

Известен клин фотометрический [2], являющийся устройством, наиболее близким к описываемому. Это устройство предназначено для ослабления светового потока и применяется в фотометрии. Представляет собой клин из ахроматического (имеющего нейтрально-серый цвет) вещества, коэффициент поглощения которого не зависит от длины световой волны (специальное стекло, желатиновая пленка, содержащая коллоидные графит или серебро, и др.). Степень ослабления светового потока определяется его оптической плотностью D=lg(Ф/Ф₀), где Ф/Ф₀ - отношение падающего на клин и прошедшего через него световых потоков.

Преимуществом устройства является простота изготовления и удобство в использовании, что позволяет применять его при измерениях относительного уровня мощности излучения; возможность изготовления любых размеров, что позволяет работать с любыми диаметрами пучков лазерного излучения; относительная высокая точность коэффициента ослабления ~ 0,5%.

Недостатком такого устройства является то, что коэффициент ослабления зависит от поляризации падающего излучения при углах наклона пластинки больше 8°, что приводит к большим оптическим плечам измерительной установки, тем самым увеличивая габариты оптической системы.

Целью изобретения является достижение независимости ослабляемого лазерного излучения от поляризации и существенное расширение динамического диапазона в малые уровни любой оптической системы, использующей лазерное излучение.

Поставленная цель достигается тем, что устройство содержит четное число (два и более) призм Дове, расположенных под определенными углами таким образом, чтобы обеспечивать коэффициент ослабления лазерного излучения, не зависящий от поляризации падающего излучения, при этом угол падения излучения на первую призму Дове составляет 45 градусов.

Основным элементом ослабителя является пара призм Дове, расположенных под определенным углом друг к другу. Коэффициент ослабления такой пары

где n - показатель преломления материала на длине волны лазерного излучения, - угол падения излучения на отражающую плоскость призмы. Из конструктивных соображений наиболее приемлемой величиной угла является =/4. В таблице 1 для разных марок стекол приведены значения величин n [3] и К_осл на длине волны =1,06 мкм при =/4.

Первый сомножитель в формуле (1) представляет собой энергетический коэффициент отражения р-поляризованной волны, второй множитель - s-поляризованной волны от соответствующих граней ослабителя. Изменение поляризации подающего излучения на обратное приведет всего лишь к перестановке сомножителей, что не меняет конечного результата.

Схема работы предлагаемого ослабителя лазерного излучения представлена на Фиг.1. Падающий лазерный пучок направляется на первую призму Дове 1 и затем - на вторую призму Дове 2. Предлагаемая конструкция ослабителя отличается следующей особенностью: призмы Дове 1 и 2 располагаются таким образом, что при отражении от каждой последующей призмы плоскость падения поворачивается каждый раз на 90° (см. Фиг.1).

Такая конструкция позволяет получить независимость ослабляемого излучения от поляризации. Для корректной работы ослабителя необходима юстировка отражающих плоскостей с высокой точностью.

Падающий лазерный пучок представим в виде пакета плоских волн, составляющие которого имеют частоту , а волновые векторы , где ; , , - волновой вектор «несущей» волны, для которой ; ; ; ; ; . Электрическое поле в падающем пучке в точке в момент времени t можно представить в виде

Здесь - парциальные амплитуды плоских волн, - единичные векторы их поляризаций, - индекс поляризации волны

С другой стороны то же поле можно представить в другой записи

где - медленно меняющаяся в пространстве и во времени амплитуда электрического поля волны, которую можно представить в виде

Как известно электрическое поле любой плоской волны может быть разложено на две взаимно перпендикулярные поляризации. При наличии отражающей плоскости направления единичных векторов этих поляризаций выбираются однозначно

,

В основе независимости коэффициента отражения ослабителя, состоящего из двух плоскостей, от поляризации лежит выбор такого геометрического положения второй отражающей плоскости, при котором в системе поляризаций относительно этой плоскости вектор оказался бы в плоскости р-поляризации (т.е. в плоскости падения), а вектор в плоскости, соответствующей s-поляризации. При этом плоскость S₁, проходящая через векторы и , должна быть перпендикулярна плоскости S₂, проходящей через векторы и - нормаль ко второй отражающей поверхности.

Однако идеальных конструкций не бывает, и неточность выставления основных углов, обеспечивающих поляризационную независимость коэффициента отражения, будет приводить к ошибкам в определении коэффициента ослабления устройства.

Для двухплоскостного ослабителя таких углов всего три. Это ₁ - угол падения на первую плоскость, ₂ - угол падения на вторую плоскость и угол ₁ - отклонение угла между плоскостями S ₁ и S₂ от 90°. Ослабитель излучения может содержать и более двух отражающих плоскостей. Это зависит от требуемой величины ослабления излучения и диэлектрической проницаемости отражающего материала.

Учет произвольного числа отражений осуществляется следующим образом. Рассматривалось отражение от первой поверхности и поле в зеркально отраженной волне представлялось в системе поляризаций, соответствующих второй отражающей плоскости. Полученные амплитуды поляризаций рассматриваются как составляющие нового падающего поля и вновь вычисляется отраженное поле в системе поляризаций, теперь уже соответствующих третьей отражающей плоскости. Процедура повторяется требуемое число раз. Описанную процедуру можно представить в виде

, ,

,

индекс i=1,2,....N, где N - число отражающих плоскостей; _i - угол падения волны на отражающую плоскость с номером i; - диэлектрическая проницаемость отражающей среды.

На каждом шаге углы и _i выбираются следующим образом. Полагается, что величины и _i являются случайными и подчиняются нормальному закону распределения с дисперсиями, соответственно, и . Поэтому каждый раз определяется их случайное значение. Затем вычисляется полный коэффициент отражения системы N отражающих плоскостей

Для получения среднего значения описанная выше процедура повторяется М раз. Затем вычисляется - относительная среднее квадратическое отклонение (СКО)

-

где с точностью < 0,001% совпадает с R_N0 - коэффициентом отражения идеальной системы, т.е. когда все _i и _i равны нулю. На Фиг.2 представлены зависимость величины от в (угловые секунды) для кремниевого ослабителя в случае (Фиг.2а) и зависимость величины от (угловые секунды) для кремниевого ослабителя в случае (Фиг.2б).

Таким образом, описанное устройство за счет использования в своем составе четного числа (два и более) призм Дове, расположенных под определенными углами, обеспечивает коэффициент ослабления лазерного излучения, не зависящий от поляризации падающего излучения, и позволяет расширить динамический диапазон в малые уровни оптической системы, использующей лазерное излучение.

Устройство найдет широкое применение в лазерной радиометрии для измерений мощности лазерного излучения в широких динамическом и спектральном диапазонах. Устройство позволит провести передачу размера единицы средней мощности лазерного излучения от криогенного радиометра непосредственного на его уровне мощности к средствам измерений средней мощности лазерного излучения, работающих в более высоком динамическом диапазоне.

Литература:

1. Ландау Л.В., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. - М.: «Наука», 1982.

2. Шишловский А.А., Прикладная физическая оптика, М., 1961.

3. Абрикосов А.А., Горьков Д.П., Дзялошинский И.Е. Методы квантовой теории поля в статистической физике. - М.: Физматгиз, 1962.

Френелевский ослабитель лазерного излучения, отличающийся тем, что содержит четное число (два и более) призм Дове, расположенных под определенными углами таким образом, чтобы обеспечивать коэффициент ослабления лазерного излучения, не зависящий от поляризации падающего излучения, при этом угол падения излучения на первую призму Дове составляет 45°.