Частково прозоре дзеркало

Реферат: Частково прозоре дзеркало містить розташовані на прозорій плоскій круглій пластині окремі клаптики металевої плівки, розміри яких менші або близькі до довжини хвилі. Розміри клаптиків та (або) відстані між ними послідовно змінюються у напрямку від центра пластини до її країв. Послідовність зміни може бути плавною або плавно-дискретною. UA 120115 U (54) ЧАСТКОВО ПРОЗОРЕ ДЗЕРКАЛО UA 120115 U UA 120115 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до елементів квазіоптики і може знайти застосування в різноманітних квазіоптичних приладах, зокрема в лазерах субміліметрового діапазону. В резонаторах лазерів часто використовуються увігнуті або опуклі дзеркала. Це дозволяє отримати потрібну каустику резонатора та вирішувати різноманітні задачі: зниження дифракційних втрат, отримання потрібних типів коливань, певного просторового розподілення та частотного спектру випромінювання, підвищення ККД, потужності та ін. Найчастіше застосовуються ввігнуті дзеркала. Наприклад, якщо у відкритому резонаторі одне з дзеркал виконати трохи увігнутим, це може зменшити дифракційні втрати випромінювання і підвищити ККД лазера у порівнянні з лазером, що має плоскі дзеркала. Однак виготовити увігнуте або опукле дзеркало з потрібною якістю поверхні набагато складніше ніж плоске дзеркало. Одне з дзеркал резонатора зазвичай виконується частково прозорим і крізь нього виводиться лазерне випромінювання. В якості таких вихідних дзеркал можуть використовуватись дзеркала з матеріалів, що частково пропускають випромінювання, непрозорі дзеркала з отворами, а також різноманітні періодичні структури, які набувають все більшого застосування. Класичним прикладом періодичних структур є металеві решітки з періодом меншими за довжину хвилі випромінювання (В.П. Шестопалов, А.А. Кириленко, С.А. Масалов, Ю.К. Сиренко Резонансное рассеяние волн. Т. 1 Дифракционные решетки / Киев: Наукова думка, 1986). Особливо широке застосування такі структури отримали в субміліметровому діапазоні хвиль (λ=0,1-1 мм), де технологічно не дуже складно зробити ширину металевих стрічок та період набагато меншими за довжину хвилі. Електромагнітна хвиля при взаємодії з періодичною структурою частково проходить крізь неї, а частково відбивається від неї. Проходження та відбиття залежать від геометричних параметрів періодичної структури, в першу чергу від коефіцієнту заповнення решітки. Однією з властивостей періодичних структур є те, що електромагнітна хвиля при взаємодії з нею набуває фазового зсуву, величина якого залежить від геометричних параметрів періодичної структури. Внаслідок цього при віддзеркаленні від періодичної структури фаза хвилі змінюється так, ніби хвиля віддзеркалюється від умовної еквівалентної поверхні, що знаходиться на певній відстані від поверхні періодичної структури. Величина такої відстані залежить від геометричних параметрів періодичної структури - ширини металевих стрічок, та відстаней між ними. Достоїнством періодичних структур є широкі можливості варіювання їх прозорості шляхом зміни геометричних параметрів структури. Частково прозорі дзеркала, у вигляді періодичної структури, важко виконати опуклими або увігнутими, тому вони зазвичай виконуються плоскими і це обмежує їх функціональні можливості. Відомо застосування як часткових прозорих дзеркал періодичних структур у вигляді паралельних або схрещених металевих стрічок (Т. Baron, S. Euphrasie, S. Ben Mbarek, P. Vairac, B. Cretin Design of metallic mesh absorbers for high bandwidth electromagnetic waves / Progress In Electromagnetics Research C, Vol. 8, 135-147, 2009). Решітки з паралельних металевих стрічок мають властивості анізотропії відносно поляризації випромінювання. Вони майже прозорі для лінійно поляризованого випромінювання, вектор поляризації якого перпендикулярний металевим стрічкам і максимально віддзеркалюють лінійно поляризоване випромінювання, вектор поляризації якого паралельний металевим стрічкам. Структури зі схрещених стрічок мають властивості ізотропії відносно поляризації випромінювання, тобто вони майже однаково віддзеркалюють випромінювання незалежно від його поляризації. Такі властивості цих періодичних структур інтенсивно використовуються. Достоїнством таких дзеркал є широкі можливості варіювання їх прозорості шляхом зміни геометричних параметрів періодичної структури. Недоліком є те, що виконати таке дзеркало увігнутими або опуклим дуже складно. Найбільш близьким за технічною суттю і вибраним у якості прототипу є частково прозоре дзеркало у вигляді квадратних клаптиків металевої плівки, розташованих на прозорій плоскій пластині (D.A. Weitz, W.J. Skocpol, М. Tinkham Capacitive-mesh output couplers for optically pumped far-infrared lasers / OPTICS LETTERS Vol. 3, No. 1. 1978). Клаптики мають однакові розміри, і відстані між сусідніми клаптиками однакові. Розміри клаптиків та відстані між ними менші за довжину хвилі. Така періодична структура частково пропускає, а частково відбиває випромінювання. Пропускання і відбиття такого дзеркала залежать від параметрів періодичної структури, в першу чергу від розмірів металевих клаптиків та відстаней між ними. Така періодична структура є ізотропною щодо поляризації випромінювання. Тобто вона однаково віддзеркалює випромінювання будь якої поляризації незалежно від напрямку вектора поляризації. 1 UA 120115 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Достоїнством такого частково прозорого дзеркала є широкі можливості варіювання прозорості шляхом зміни геометричних параметрів періодичної структури, тобто розмірів металевих клаптиків і відстаней між ними. Завдяки своїй ізотропності, таке дзеркало може використовуватись в лазерах, що генерують випромінювання різноманітних поляризацій. Недоліком є суттєва технологічна складність виконання такого дзеркала увігнутим або опуклим. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалити відоме частково прозоре дзеркало шляхом надання йому властивостей опуклого або увігнутого дзеркала і цим забезпечити розширення його функціональних можливостей. Поставлена задача вирішується тим, що у частково прозорому дзеркалі, що містить розташовані на прозорій плоскій круглій пластині окремі клаптики металевої плівки, розміри яких менші або близькі до довжини хвилі, відповідно до корисної моделі, розміри окремих клаптиків та (або) відстані між ними послідовно змінюються у напрямку від центра пластини до її країв, причому послідовність зміни може бути плавною або плавно-дискретною. Завдяки тому, що розміри окремих клаптиків та (або) відстані між ними послідовно змінюються у напрямку від центра пластини до її країв, послідовно змінюється і фазовий зсув, що вносить така періодична структура. Еквівалентна відбиваюча поверхня набуває властивостей увігнутого або опуклого дзеркала. Увігнутість або опуклість дзеркала залежить від того, як змінюються розміри окремих металевих клаптиків та (або) відстані між ними. Надання плоскому частково прозорому дзеркалу властивостей увігнутості або опуклості суттєво розширює функціональні можливості таких дзеркал. Суть корисної моделі пояснюється ілюстраціями. На фіг. 1 зображено переріз, а на фіг. 2 - вигляд зверху частково прозорого дзеркала з плавною послідовністю зміни параметрів періодичної структури. На фіг. 3 зображено еквівалентну відбиваючу поверхню (тобто умовну поверхню, віддзеркалення від якої еквівалентне віддзеркаленню від зображеного частково прозорого дзеркала). На фіг. 4 зображено переріз, а на фіг. 5 - вид зверху частково прозорого дзеркала з плавно-дискретною послідовністю зміни параметрів періодичної структури. На фіг. 6 зображено еквівалентну відбиваючу поверхню такого дзеркала. Частково прозоре дзеркало містить клаптики 1 металевої плівки (фіг. 1, 2, 4, 5), розташовані на прозорій плоскій пластині 2. Розміри металевих клаптиків 1 менші за довжину хвилі випромінювання або близькі до неї. Металеві клаптики 1 можуть мати будь-яку форму. Найбільш технологічною є кругла або чотирикутна форма, яка і зображена на фіг. 2, 5 Розміри металевих клаптиків 1 та (або) відстані між ними послідовно змінюються у напрямку від центра пластини 2 до її країв. Послідовність зміни розмірів клаптиків 1 та (або) відстаней між ними може бути плавною (фіг. 1, 2), або плавно-дискретною (фіг. 4, 5). При плавній зміні (фіг. 1, 2) вдається отримати прогин L еквівалентної відбиваючої поверхні 3 (фіг. 3) не більше половини довжини хвилі. Значно більшу кривизну можна отримати при плавно-дискретній зміні розмірів клаптиків 1 та (або) відстаней між ними (фіг. 4, 5). У цьому випадку розміри клаптиків 1 та (або) відстані між ними плавно змінюються у межах окремих кільцевих груп, які послідовно повторюються. Ширина таких груп перевищує довжину хвилі випромінювання. Еквівалентна відбиваюча поверхня 3 окремих кільцевих груп, та сумарна еквівалентна відбиваюча поверхня 4 всього дзеркала показана на фіг. 6. Частково прозоре дзеркало працює таким чином. Лазерне випромінювання частково проходить крізь дзеркало, а частково відбивається у зворотному напрямку. При взаємодії з металевими клаптиками 1 електромагнітна хвиля набуває фазового зсуву. Це еквівалентно тому, що випромінювання відбивається від умовної еквівалентної поверхні 3, яка не співпадає з поверхнею металевих клаптиків 1. Величина фазового зсуву залежить від розмірів металевих клаптиків 1 та відстаней між ними. Оскільки розміри клаптиків 1 та (або) відстані між ними послідовно змінюються по поверхні пластини 2 у напрямку від центру до її країв, то фазовий зсув змінюється у тому ж напрямку, а отже, еквівалентна відбиваюча поверхня 3 має увігнуту або опуклу форму (в залежності від послідовності зміни). Завдяки тому, що у частково прозорому дзеркалі розміри металевих клаптиків 1 та (або) відстані між ними послідовно змінюються у напрямку від центру пластини 2 до її країв, дзеркало має властивості увігнутого або опуклого (в залежності від послідовності зміни). При плавній зміні розмірів клаптиків 1 та (або) відстаней між ними (фіг. 1, 2) вдається виконати прогин L еквівалентної відбиваючої поверхні 3 (фіг. 3) не більше половини довжини хвилі. Якщо потрібно забезпечити прогин, що перевищує половину довжини хвилі, дзеркало виконується з плавно-дискретною зміною розмірів металевих клаптиків 1 та (або) відстаней між ними (фіг. 4, 5). У цьому випадку розміри клаптиків 1 та (або) відстані між ними плавно 2 UA 120115 U 5 10 15 20 змінюються у межах окремих кільцевих груп, які послідовно повторюються. Ширина таких груп перевищує довжину хвилі випромінювання. Еквівалентна відбиваюча поверхня 3 (фіг. 6) у такому випадку набуває пилкоподібну форму. Прогин L, що забезпечує кожна група клаптиків, не перевищує половини довжини хвилі. Однак, в цьому випадку відбувається ефект, подібний ефекту у лінзах Френеля. Сумарна еквівалентна відбиваюча поверхня 4 набуває прогин L Σ, що складається з суми прогинів L від окремих кільцевих груп клаптиків. В такий спосіб вдається одержати прогин LΣ, що набагато перевищує довжину хвилі випромінювання. Виконання частково прозорого дзеркала з запропонованою зміною параметрів на періодичної структури, що розташована на плоскій поверхні, надає йому властивостей увігнутого або опуклого дзеркала. Це суттєво розширює функціональні можливості таких дзеркал. Зокрема такі дзеркала дозволяють забезпечити потрібну каустику лазерного резонатора та оптимальний енергетичний розподіл в ньому, а отже підвищити потужність та ККД лазера. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Частково прозоре дзеркало, що містить розташовані на прозорій плоскій круглій пластині окремі клаптики металевої плівки, розміри яких менші або близькі до довжини хвилі, яке відрізняється тим, що розміри клаптиків та (або) відстані між ними послідовно змінюються у напрямку від центра пластини до її країв, причому послідовність зміни може бути плавною або плавнодискретною. 3 UA 120115 U Комп’ютерна верстка О. Гергіль Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4