Інтерференційний фільтр

Інтерференційний фільтр, переважно для лазерів, який складається із підкладинки, прозорої в робочій області спектру з центром на частоті п'ятої гармоніки лазерного випромінювання довжиною хвилі Я-о, і інтерференційної системи, яка утворю ється періодичним повторенням п'яти шарів (АВСВА), в якій показники заломлення шарів А - гід, шарів В - пв і шарів С - пс вибрані так, щоб їх відношення х = пв/пс і у = Пд/пв задовольняли співвідношенням у = (1+ х)(1+ х 2 )/4х -{[(1 + х)(1 + х 2 )/4х] 2 - х } ^ при х 1, який відрізняється тим, що оптичні товщини шарів А і В дорівнюють 0,05Я-о, а оптична товщина шару С дорівнює 0,3A,Q Технічне рішення, що пропонується, відноситься до пристроїв оптичного приладобудування, які використовуються для селективного відбивання і пропускання світла, і може бути використано як інтерференційний фільтр з широкою смугою прозорості або дзеркало резонатора лазера чи параметричного генератора з високим рівнем відбивання на робочій частоті vo (довжина хвилі Ло = 1/vo ) та другій и гармониці 2vo при високому рівні пропускання в частотному діапазоні від (3 + є) vo до (7 - e)vo, де є < 0,5 Розробка багатошарових оптичних систем з даними параметрами дозволить успішно розв'язувати задачу по створенню рідинних та твердотільних лазерів з повздовжньою накачкою ня (Авт Свид СССР № 1318074) Оптичні товщини шарів з високим показником заломлення дорівнюють 0,2Ло, а шарів з низьким показником заломлення дорівнюють О.ЗЛо, або ж навпаки, де Ло довжина хвилі, що відповідає частоті першої гармоніки КІЛЬКІСТЬ шарів в інтерференційному покритті може бути як парною 2 т так і непарною (2т + 1) Скорочені записи структур таких систем мають вигляд S(BH)m, S(BH)mB, S(HB)m, S(HB)mH, де S позначена підкпадинка, В і Н - шари із плівкоутворюючих матеріалів з показниками заломлення періодів (ВН), тобто скільки разів в структурі інтерференційного покриття повторюються шари В і Н ВІДОМІ багатошарові інтерференційні системи, що забезпечують високий рівень відбивання на робочій частоті vo (довжина хвилі Ло = 1/vo ), а також на частотах другої 2vo (довжина хвилі Ло " 1/2vo ), третьої 3vo (довжина хвилі Лз = 1/3vo), четвертої 4vo (довжина хвилі Л4 = 1/4vo) і шостої 6vo (довжина хвилі Лє = 1/6vo) гармонік, при збереженні прозорості в частотному діапазоні від (4 + e)vo до (6 - e)vo, де є < 0,5, що охоплює п'яту гармоніку 5vo (АвтСвид СССР № 1318074) Ці системи складаються з прозорої в робочій спектральній області спектру підкладинки S, на яку наноситься інтерференційне покриття, утворене періодичним повторенням m разів шарів В та Н із матеріалів з високим (пв) і низьким (пн) показниками заломлен Недоліком таких багатошарових структур є порівняно високий рівень (5-15%) осциляцій коефіцієнта пропускання в області прозорості на частоті п'ятої гармоніки Відомо, ЩО ДЛЯ підвищення середнього рівня прозорості (до значень більше 90%) і зменшення рівня осциляцій коефіцієнта пропускання на частоті п'ятої гармоніки інтерференційне багатошарове покриття узгоджують з обмежуючими його оптичними середовищами шляхом додавання до інтерференційного покриття з обох боків одного або двох шарів із тих же самих оптичних матеріалів (АвтСвид СССР № 1473561, АвтСвид СССР № 1477123, АвтСвид СССР № 1477124) Структура таких узгоджених систем має вигляд пв і пн ВІДПОВІДНО, m - число, що вказує на КІЛЬКІСТЬ ю (О СО ю 53265 т є можливість подавления високого відбивання ЗНоі(ВозНо2) ВозНоі5 (АвтСвид СССР № т одразу на частотах трьох гармонік В данному ви1473561), ЗВо,і(НозВо2) ВозНоі5 (АвтСвид СССР m падку на частоті п'ятої гармоніки, на частотах дру№ 1477124), SHo2(Bo2Ho3) Bo2Hoi5 (АвтСвид гої та третьої гармонік Недоліком є спектральне СССР № 1477124), де S, В і Н позначають, як і положення смуг прозорості, тобто те, що смуги раніше підкладинку і шари із плівкоутворюючих високого відбивання ліквідуються не на трьох сусіматеріалів В і Н з показниками заломлення пв і пн дніх гармоніках, а саме четвертої, п'ятої та шостої, ВІДПОВІДНО, а індекси знизу вказують значення опв результаті чого б мали широку смугу прозорості, тичної товщини шарів В і Н в одиницях довжини яка б охоплювала три сусідні гармоніки робочої хвиліЛо частоти (четверту, п'яту та шосту), а також відсутНедоліком всіх вищенаведених оптичних сисність відбивання на частотах другої і третьої гартем є до певної міри недостатньо широка смуга монік прозорості на частоті п'ятої гармоніки Наприклад, якщо першій гармониці відповідає довжина хвилі Задача полягає в пошуку параметрів інтерфеЛо = 2,65мкм, то смуга прозорості потрапляє в сперенційного фільтра, прозорого в широкій спектрактральну область від 460 до 640нм Окрім того, льній області, яка охоплює одразу три сусідні гарвідомо (Ю А Первак, И В Фекешгази Оптические моніки робочої частоти, а саме четверту, п'яту та свойства неравнотолщинных многослойных пошосту, збереження високого відбивання на частоті крытий с симметричными периодами Квантовая першої і досягнення високого відбивання на частоэлектроника (Киев), 1994, выи 46, стр 8-11), що за тах другої та третьої гармонік допомогою двохкомпонентних періодичних багаДля розв'язання задачі пропонується використошарових систем, період яких складається з шатовувати багатошарову інтерференційну систему рів всього двох різних матеріалів, принципово неS(ABCBA)m, де S - підкладинка, прозора в робочій можливо досягти високого пропускання одразу на області спектру з центром на частоті п'ятої гармодвох сусідніх гармоніках робочої частоти vo, наніки, показники заломлення пд, пв і пс задовольприклад на частотах 2vo і 3 vo або на частотах 3vo і няють співвідношенням 4v01 т д Як прототип вибрано багатошарову інтерференційну систему, яка має структуру S(ABCBA)10 (Alfred Thelen Multilayer Filters with Wide Transmittance Bands, II Journal of the Optical Society of America, 1973, v 63, N 1, pp 65-68) де S - підкладинка з показником заломлення ns, а А, В і С - шари оптичною товщиною 0,1 Ло із плівкоутворюючих матеріалів з показниками заломлення ВІДПОВІДНО пд , пв І пс, які повинні задовольняти співвідношенням у = (1 + х)(1 + х 2 )/4х - {[(1 + х)(1 + х 2 )/4х] 2 2 2 при х 1, ДЄ X = ПВ/Пс, У = Пд/Пв Спектральна характеристика такої багатошарової інтерференційної системи при конкретно вибраних значеннях показників заломлення підкладинки і шарів А, В, С, задовольняючих умові (1), була розрахована в роботі (Alfred Thelen Multilayer Filters with Wide Transmittance Bands Journal of the Optical Society of America, 1963, v 53, N 11, pp 1266-1270) і приведена на фіг 1 Багатошарова інтерференційна система має структуру S(ABCBA)10, де S - підкладинка (показник заломлення ns = 1,50), а А, В і С - шари оптичною товщиною 0,1 Ао із плівкоутворюючих матеріалів з показниками заломлення пд = 1,38, пв = 1,90 і пс = 1П 2,3 ВІДПОВІДНО, - вказує, скільки разів повторюється період (АВСВА) Як видно із фіг 1, ця система характеризується високим рівнем відбивання на частоті першої vo (довжина хвилі Ло, приведена довжина хвилі Ло / А= 1) і четвертої 4vo (довжина хвилі 0,25Ло, приведена довжина хвилі Ло / Л = 4) гармонік, а також двома смугами прозорості, перша з яких розташована в спектральній області між першою і четвертою гармоніками з центром на довжині хвилі 0,4Ло (Ао / А = 2,5), а друга в спектральній області між шостою і четвертою гармоніками з центром на довжині хвилі 0,2Ло (Ао / А = 5) Перевагою відомої інтерференційної системи у = (1 + х)(1 + х 2 )/4х - {[(1 + х)(1 + х 2 )/4х] 2 - х}-^ при х 1, де х = пв/пс, у = Пд/пв, а оптичні товщини шарів А і В дорівнюють 0,05Ао, а шару С - О.ЗАо На фіг 2 схематично показана конструкція запропонованого інтерференційного фільтра Інтерференційний фільтр складається з прозорої в робочому діапазоні спектру підкладинки S, на поверхні якої сформована інтерференційна система (АВСВА)т, що утворена m-кратним повторенням періоду АВСВА Шари А, В і С виготовлені із матеріалів з показниками заломлення пд, пв і пс ВІДПОВІДНО, причому оптичні товщини шарів А і В рівні 0,05Ао, а шару С - О.ЗАо На підкладинку S першим наноситься шар А з оптичною товщиною 0,05Ао, потім послідовно - шар В з оптичною товщиною 0,05Ао, шар С з оптичною товщиною О.ЗАо, шар В з оптичною товщиною 0,05Ао, шар А з оптичною товщиною 0,05Ао, після чого комбінація АВСВА повторюється ще (т-1) раз КІЛЬКІСТЬ періодів т залежить від того, який коефіцієнт відбивання бажано отримати на частотах першої, другої і третьої гармонік Чим більшою буде КІЛЬКІСТЬ повторень, тим вищим буде коефіцієнт відбивання На фіг 3 наведено спектральну залежність коефіцієнта пропускання Т від нормованої довжини хвилі Ао / А запропонованого інтерференційного фільтра, структура якого є S(ABCBA) ° Оптичні товщини шарів А і В рівні 0,05Ао, а шару С - О.ЗАо Показники заломлення шарів А, В і С дорівнюють гід = 1,45, п в = 1,98 і Пс = 2,4, ВІДПОВІДНО Показник заломлення підкладинки ns = 1,45 Показники заломлення шарів вибрані таким чином, щоб вони задовольняли співвідношенню у = (1 + х)(1 + х 2 )/4х-{[(1 + х)(1 + х 2 )/4х] 2 -х}-^ при х 99% в спектральній області вони задовольняли співвідношенням 2345-2780нм) і досягненням високого відбивання на частотах другої і третьої гармонік Коефіцієнти у = (1 + х)(1 + х )/4х + {[(1 + х)(1 + х )/4х] - х } ^ при х > 1, відбивання R > 99% в спектральній області 1190де х = Пв / Пс, у = пд / Пв Видно, що і в цьому 1320нм (довжина хвилі на частоті другої гармоніки випадку спектральна область смуги прозорості, де потрапляє в цей інтервал і дорівнює 1250нм) і R = середній коефіцієнт пропускання Т більший за 90% в спектральній області 820-850нм (довжина 80%, широка і охоплює одразу три сусідні гармоніхвилі на частоті третьої гармоніки потрапляє в цей ки робочої частоти, а саме четверту (Ао / А = 4), інтервал і дорівнює 833нм) п'яту (Ао / А = 5) та шосту (Ао / А = 6), і досягається високе відбивання на частотах першої (Ао / А = 1, R Розроблений інтерференційний фільтр з висо= 98%), другої (Ао / А = 2, R = 99%) і третьої (Ао / А = ким відбиванням на першій, другій і третій гармоЗ, R = 83%) гармонік никах робочої частоти лазерного випромінювання і В запропонованому розв'язку поставленої запрозорий в спектральній області від Ао / 3,3 до Ао / дачі, який був знайдений експериментальне, важ6,7 з центром на довжині хвилі Ао / 5 (частоті п'ятої ливим є дотримання вказаних значень оптичних гармошки vo) може бути використаний як дзеркало товщин шарів А, В і С Недотримання приводить резонатора рідинного чи твердотільного лазера з до появи в області смуги прозорості окремих смуг повздовжньою накачкою, чи параметричного геневисокого відбивання Для ілюстрації цього на фіг 6 ратора або як фільтр, прозорий в видимій області наведено спектральні характеристики інтерфереспектру і практично повністю відбиваючий випро1 нційної системи, структура якої S(ABCBA) , тобто мінювання в спектральних областях від Ао /1,07 до така ж як і у запропонованої чи прототипа Але Ао / 0,899 та від Ао / 2,1 до Ао / 1,89, які при Ао = оптичні товщини дорівнюють 0,05Ао для шарів А, 2500нм відповідають діапазонам 2345 - 2780нм та 0,1 Ао для шарів В і 0,2Ао для шарів С, тобто такі ж 1190-1320нм для шарів А і відрізняються від запропонованих Техніко-економічною перевагою технічного різначень 0,05Ао для шарів В та О.ЗАо для шару С, а шення в порівнянні з прототипом, для якого обтакож від оптичних товщин шарів А, В і С для проласть прозорості в видимому діапазоні спектру не тотипа, які дорівнюють 0,1 Ао При цьому показники перевищує 200нм, є розширення більше ніж в два заломлення шарів А, В і С дорівнюють пд = 1,45, пв рази області прозорості Це дозволяє значно зни= 1,98 і пс = 2,4, ВІДПОВІДНО Показник заломлення зити інтенсивність випромінювання накачки, потріпідкладинки ns = 1,45 Порівнюючи спектральні бної для досягнення порогу генерації лазерів чи характеристики на фіг 6 і на фіг 3 бачимо, що зміпараметричних генераторів, а ВІДПОВІДНО, збільшина оптичних товщин шарів В і С приводить до поти ефективність і рівномірність по спектру накачки яви в спектрі пропускання фільтра смуг високого лазерів, збільшити коефіцієнт корисної дії і еконовідбивання на частотах четвертої (Ао / А = 4) і шосмічність вже відомих лазерів або досягти порогу тої (Ао / А = 6) гармонік, а також зменшення коефігенерації в лазерах з новими типами активних сецієнта відбивання на частоті другої гармоніки (Ао / редовищ При цьому технологічні витрати на вигоА = 2), тобто до значного погіршення спектральної товлення запропонованих інтерференційних фільхарактеристики фільтра в порівнянні з запропонотрів і прототипу практично ідентичні ваним оптимальним розв'язком (див фіг 3) 6), і досягається високе відбивання на частотах першої (Ао / А = 1, коефіцієнт відбивання R більше 99%) другої (А = 2, коефіцієнт відбивання R більше 99%) і третьої (Ао / А = 3, коефіцієнт відбивання R близький 90%) гармонік На фіг 4 наведена спектральна залежність коефіцієнта пропускання Т від довжини хвилі А, запропонованого інтерференційного фільтра, струк1 тура якого є S(ABCBA) Оптичні товщини шарів А і В рівні 0,05Ао, а шару С - О.ЗАо Показники заломлення шарів А, В і С дорівнюють пд = 1,45, п в = 1,98 і пс = 2,4, ВІДПОВІДНО Показник заломлення підкладинки ns = 1,45 Показники заломлення шарів вибрані таким чином, щоб вони задовольняли співвідношенням 2 2 2 2 2 2 Прикладом реалізації винаходу служать 50 53265 0,0 Фіг. 1 (ABCBA)" Фіг. 2 53265 10 ' 2 3 4 xoix 5 Фіг. З r ^ 0,8 1 0,60,40,20,0 t 400 • і • і —• vft" 600 800 1000 1500 I J ..TT.,, ..J II. ., . 2000 2500 3000 X, n m Фіг. 4 1,0 0,80,60,40,20,0 0 5 6 XJX Фіг. 5 53265 Фіг. 6 TOB "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)236-47-24 12