Дисперсійне широкосмугове дзеркало

Дисперсійне широкосмугове дзеркало, що складається із шарів, що чергуються, яке відрізняється тим, що шари, що чергуються, виконані з нітриду кремнію (Si3N4) та повітряних прошарків, а також тим, що додатково вбудовані механічні стабілізатори, розташовані таким чином, щоб обмежувати повітряні прошарки з обох сторін в поздовжньому напрямку. (19) (21) a200804329 (22) 07.04.2008 (24) 12.10.2009 (46) 12.10.2009, Бюл.№ 19, 2009 р. (72) ЯКУШЕВ СЕРГІЙ ОЛЕГОВИЧ, ШУЛІКА ОЛЕКСІЙ ВОЛОДИМИРОВИЧ, СУХОІВАНОВ ІГОР ОЛЕКСАНДРОВИЧ, ПЕТРОВ СЕРГІЙ ІГОРЕВИЧ (73) ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ (56) RU 2093864 C1, 20.20.1997 RU 2025749 C1, 30.12.1994 WO 02/068999 A2, 21.02.2002 3 сить відбиття на межі між поверхнею чірпованого дзеркала і навколишнього середовища (близько 3%). Цей відбитий промінь інтерферує з променем, відбитим в глибині дзеркала. Внаслідок цього виникає перекручування фазових характеристик з найбільшою амплітудою в довгохвильовій частині діапазону. Але промінь, відбитий від фронтальної поверхні клиноподібної пластини, спрямовується під кутом відносно променя відбитого в глибині дзеркала і тому шкідлива інтерференція не відбувається. Таке технічне рішення дозволяє розширити смугу чірпованого дзеркала до однієї октави. Проте у зв'язку з використанням скляної пластини виникають додаткові технологічні проблеми, які пов'язані з виробництвом якісної клиноподібної скляної пластини та її узгодженням з чірпованим дзеркалом. Крім того скляна пластина вносить позитивну дисперсію і таким чином зменшує загальну негативну дисперсію дзеркала. Проблему становить також використання традиційної пари матеріалів TiO2/SiO2 для виготовлення чірпованих дзеркал з широкою смугою, адже діоксид титану має сильне поглинання в діапазоні довжин хвиль менше 500нм. Тому для створення чірпованих дзеркал з широкою смугою пропонуються інші матеріали: Nb2O5, Ta2O5, Нf2О5. Але загальним недоліком всіх пропонованих матеріалів, на які замінюють діоксид титану, є менший показник переломлення. За інших рівних умов, це зменшує смугу великого коефіцієнту відбиття дзеркала внаслідок зменшення контрасту показників переломлення матеріалів. Технічною задачею винаходу є розробка дисперсійного дзеркала з широкою смугою відбиття і, одночасно, негативною дисперсією групової затримки шляхом чергування шарів з двох діелектричних матеріалів. Це задача вирішена таким чином. У дисперсійному широкосмуговому дзеркалі, що складається із шарів, що чергуються, згідно винаходу, шари виконані з нітриду кремнію (Si3N4) та повітряних прошарків, а також додатково вбудовані механічні стабілізатори. На Фіг.1 зображено конструктивну схему розробленого дисперсійного широкосмугового дзеркала, яке складене з шарів нітриду кремнію (Si3N4) та повітряних прошарків, в якому забезпечено механічну стабілізацію структури. Шари, які позначені однаковим кольором, послідовно чергуються в структурі. На Фіг.2 зображено спектральні характеристики дисперсійного широкосмугового дзеркала, яке складене з шарів нітриду кремнію (Si3N4) та повітряних прошарків. Цифрами позначені: 1 - коефіцієнт відбиття; 2 - дисперсія групової затримки; 3 середня дисперсія групової затримки. На Фіг.3 зображено відбиття чірпованого лазерного імпульсу від дисперсійного широкосмугового дзеркала і стиск цього імпульсу. Цифрами позначені: 4 - фронтальна поверхня дзеркала; 5 - розширений чірпований лазерний імпульс; 6 - різні спектральні компоненти імпульсу; 7 - різні шари дзеркала, які розташовані на різній глибині; 8 відбитий лазерний імпульс. 88408 4 На Фіг.4 зображено профілі імпульсів до й після відбиття від дисперсійного широкосмугового дзеркала. Цифрами позначені: 9 – вихідний спектрально-обмежений імпульс, тривалість 5 фс; 10 розширений чірпований імпульс, який пройшов кристал сапфіру довжиною 2мм, тривалість 65 фс; 11 - стислий імпульс зі зменшеним чірпом після восьми відбиттів від чірпованого дзеркала, тривалість 6.2 фс. Розглянемо більш докладно пропонований винахід. Запропоноване технічне рішення - дисперсійне широкосмугове дзеркало складене з нітриду кремнію (Si3N4) та повітряних прошарків, ілюструється прикладом. Як приклад розроблене дисперсійне широкосмугове дзеркало, складене з 54 шарів нітриду кремнію (Si3N4), які чергуються с повітряними прошарками (Air). Поперечний переріз дисперсійного широкосмугового дзеркала зображено на Фіг.1. Розроблена структура може бути представлена у вигляді загального співвідношення Si3N4/Air. Вирощування запропонованої структури з повітряними прошарками здійснюється способами травлення, які можна розділити на ті, які створюють структури з вертикальною геометрією й з поперечною геометрією. Структури з поперечною геометрією забезпечують утворення шарів з товщиною до 10нм, з застосуванням механічної стабілізації структури, що дозволяє забезпечити менший розмах фазових коливань. Механічні стабілізатори становлять обмежені шари напівпровідникового матеріалу, які залишаються після процесу щавлення крізь маску. Механічні стабілізатори розташовані таким чином, щоб обмежувати повітряні прошарки з обох сторін в поздовжньому напрямку (Фіг.1). У даному винаході широка смуга негативної дисперсії й малий розмах фазових коливань досягається без застосування додаткових елементів таких як, просвітлювальні покриття або клиноподібні скляні пластини. На Фіг.2 зображено спектральні характеристики розробленого дисперсійного широкосмугового дзеркала. Коефіцієнт відбиття становить не менше 98% у всьому діапазоні. Дисперсія групової затримки показує, що розмах коливань становить не більше 80 фс2. Середнє значення дисперсії на довжині хвилі 800нм становить - 20 фс2. Таким чином, спектральні характеристики розробленого дисперсійного широкосмугового дзеркала порівнянні с останніми розробками в області дисперсійних дзеркал, що використовують пари компліментарних чірпованих дзеркал (1.5-octave chirped mirror for pulse compression down to sub-3 fs, V. Pervak, A.V.Tikhonravov, M.K. Trubetskov, S. Naumov, F. Krausz, A. Apolonski, Appl. Phys. B, Vol. 87, pp. 5-12, 2007; Dispersion control over the ultraviolet-visible-near-infrared spectral range with HfO2/SiO2-chirped dielectric multilayers, V. Pervak, F. Krausz, A. Apolonski, Optics Letters, Vol. 32, No. 9, pp. 1183-1185, 2007). Шляхом моделювання встановлено, що відбитий від дзеркала імпульс практично вільний від чірпа після проходження 2мм кристала сапфіру. Однак залишкові фазові коливання в дисперсійному широкосмуговому дзеркалі перешкоджають 5 88408 повному відновленню імпульсу. Це можна усунути шляхом ускладнення конструкції дзеркала. Робота дисперсійного широкосмугового дзеркала здійснюється в такий спосіб, Фіг.3. На фронтальну поверхню дзеркала - 4 падає розширений чірпований лазерний імпульс - 5. Різні спектральні компоненти імпульсу – 6 проникають у дзеркало на різну глибину - 7 залежно від довжини хвилі. Вони відбиваються від шарів дзеркала з різною часовою затримкою. Внаслідок цього створюється негативна середня дисперсія групової затримки, яка зображена на Фіг.2, лінія - 3. Чірп відбитого лазерного імпульсу - 8 зменшується й імпульс стискується, що підтверджується зображеннями профілів імпульсів, що наведені на Фіг.4. Комп’ютерна верстка М. Ломалова 6 Таким чином, як приклад запропонованого технічного рішення, розроблено дисперсійне широкосмугове дзеркало, складене з шарів нітриду кремнію (Si3N4), які чергуються з повітряними прошарками, в дзеркало Додатково вбудовані механічні стабілізатори. Це забезпечує високе відбиття й широку смугу компенсації дисперсії 400-1200нм (1.5 октави в частотному діапазоні), а також малий розмах фазових коливань, без застосування додаткових елементів таких як, просвітлювальні покриття або клиноподібні скляні пластини. Розроблене дисперсійне широкосмугове дзеркало забезпечує компенсацію чірпа лазерного імпульсу з тривалість не менше двох періодів коливань електричного поля (5-6 фс на довжині хвилі 800нм), після проходження 2мм кристала сапфіру. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601