Дифракционный аттенюатор с переменным пропусканием

Аттенюатор предназначен для плавной регулировки интенсивности оптического излучения большой мощности в УФ области спектра. Аттенюатор состоит из пластины оптического материала с поверхностным слоем, выполненным в виде дифракционной решетки. Дифракционная решетка выполнена круговой, причем штрихи выполнены в виде последовательности углублений или выступов. Аттенюатор выполнен с возможностью вращения в угловом направлении относительно центра дифракционной решетки. Поверхностный слой выполнен дополнительно содержащим кольцевую зону с одним непрозрачным штрихом и с последовательностью непрозрачных штрихов. Технический результат - высокая лучевая стойкость и высокое светопропускание при использовании в УФ области спектра. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Заявляемое изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности к устройствам для плавной регулировки интенсивности оптического излучения. Может также использоваться в оптических системах, как светоделитель с переменным коэффициентом деления.

Известен аттенюатор, состоящий из пластины оптического материала с поверхностным слоем, имеющим переменный коэффициент пропускания или отражения вдоль хотя бы одой из координат (Melles Griot. Optics Guide 5. Каталог продуктов, производимых фирмой Melles Griot), Germany D-6100, Darmstadt, 1990, стр.11-23). Поверхностный слой создается напылением на подложку из оптического материала поглощающей пленки (хрома) переменной толщины. Изменение толщины пленки обеспечивает плавную регулировку оптического излучения.

Недостатком данного устройства является низкое светопропускание и низкая лучевая стойкость. Поверхностный слой аттенюатора нагревается и разрушается. Это делает невозможным использование аттенюатора для управления излучением мощных лазеров в УФ диапазоне.

Известен также аттенюатор, состоящий из пластины оптического материала с поверхностным слоем, выполненным в виде дифракционной решетки (Патент США №4062628, G 02 b 5/22. Опубл.13 декабря 1977 г.). Аттенюатор предназначен для воспроизведения полутоновых изображений и выполнен в виде набора дифракционных решеток (ДР) с сечениями синусоидальной формы, имеющих разную глубину и период.

Его недостатками являются низкое светопропускание в УФ диапазоне, сложность конструкции, невозможность изготовления фотолитографическими методами (вследствие синусоидальной формы канавок решеток) и низкая лучевая стойкость из-за того, что структура решеток имеет синусоидальную форму и выполняется в слое фоторезиста или другого органического полимера.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является устройство, которое выбрано в качестве прототипа (Патент РФ №2137163, МПК G 02 B 5/20, приоритет от 10.12.96, опубл.10.09.99). Устройство состоит из пластины оптического материала с поверхностным слоем, выполненным в виде ДР с глубиной h штрихов, лежащей в пределах от h=mλ/4 до h=mλ/2(n-1), где λ - длина волны оптического излучения, n - коэффициент преломления материала пластины, m≥1 целое число. Штрихи ДР выполнены в виде концентрических колец с переменной вдоль окружности шириной.

Недостатком данного устройства является низкое светопропускание, особенно в УФ области спектра. Коэффициент светопропускания η=Iin/Iout известного устройства определяется выражением:

где d - ширина штриха, Т - период решетки, Iin - интенсивность входного излучения, Iout - интенсивность выходного излучения.

Период Т решетки выбирается из требуемого угла αк отклонения света Т=λ/αк. Для λ=0.35 мкм и αk=0.1-0.15, период решетки должен быть около Т=2.5-3 мкм. Ширина d штриха определяется технологией изготовления фазовой решетки и составляет dmin=0.5-0.6 мкм. Таким образом, из выражения (1) следует, что при данных значениях Т и dmin максимальное светопропускание известного устройства составляет η=0.35-0.5. и более половины световой энергии теряется. Это делает невозможным использование известного устройства для регулировки излучения мощных лазеров в УФ диапазоне, например эксимерных лазеров или мощных YAG:Nd лазеров с умножением частоты. Также в известном устройстве отсутствует возможность точного определения угла поворота штрихов ДР, что не позволяет осуществлять точное изменение пропускания.

Перед авторами ставилась задача создания аттенюатора, имеющего высокую лучевую стойкость и высокое светопропускание при использовании в УФ области спектра.

Поставленная задача достигается за счет того, что в аттенюаторе, состоящем из пластины оптического материала с поверхностным слоем, выполненным в виде дифракционной решетки, штрихи ДР выполнены в виде последовательности рельефных углублений или последовательности рельефных выступов круглой формы с диаметром d, определяемым из выражения

где Т - период следования углублений или выступов, η(θ) - коэффициент пропускания аттенюатора в зависимости от угла θ поворота, причем пределы изменения диаметра d выбираются от d>λ до d<(0.65-0.85)T, где λ - длина волны оптического излучения. ДР выполнена круговой с периодом в радиальном направлении, не превышающим величину Т. Аттенюатор выполнен с возможностью кругового вращения относительно центра ДР. Глубина углублений или выступов штрихов решетки лежит в пределах от h=mλ/4 до h=mλ/2(n-1), где n - коэффициент преломления материала пластины, m≥1 - целое число. Поверхностный слой выполнен дополнительно содержащим кольцевую зону с одним непрозрачным штрихом с угловой шириной L0=kL и с последовательностью непрозрачных штрихов с угловой шириной L=πR/N, где R - средний радиус дополнительной зоны, N - количество штрихов, k>2.

Технический результат заключается в том, что заявляемое устройство обеспечивает малые остаточное потери световой энергии. Это будет показано на примере анализа аттенюатора, приведенного ниже. Это делает возможным использование предлагаемого аттенюатора для регулировки излучения мощных лазеров в УФ диапазоне, например эксимерных лазеров или мощных YAG:Nd лазеров с умножением частоты. Также в заявляемом устройстве обеспечивается возможность точного определения угла поворота штрихов ДР, что позволяет осуществлять точное изменение пропускания. Это дает возможность использовать предлагаемый аттенюатор в лазерных технологических установках для регулировки оптического излучения.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена схема дифракционного аттенюатора переменного пропускания в двух проекциях (а и б).

На фиг.2. представлены зависимости светопропускания устройства-прототипа (кривая 1) и предложенного (кривая 2) аттенюатора.

На фиг.3 представлен пример осуществления заявляемого изобретения в качестве системы управления мощностью оптического излучения лазера.

Заявляемый дифракционный аттенюатор с переменным пропусканием (фиг.1а) состоит из пластины 1 оптического материала с поверхностным слоем, выполненным в виде круговой ДР 2 с возможностью вращения относительно центра 3. Штрихи ДР состоят из последовательности углублений или последовательности выступов круглой формы, расположенных виде набора концентрических колец. Диаметр d углублений изменяется в зависимости от угла θ поворота пластины. Углубления в поверхностном слое пластины имеют глубину h не более h=λ/2(n-1) для аттенюатора, работающего на пропускание, и не более h=λ/4 для аттенюатора, работающего на отражение, где λ - длина волны оптического излучения, n - коэффициент преломления материала поверхностного слоя пластины. Поверхностный слой дополнительно содержит кольцевую зону с одним непрозрачным штрихом 4 (фиг.3) и с последовательностью непрозрачных штрихов 5. Блокировка дифракционных порядков выполняется с помощью диафрагмы 6. Аттенюатор также содержит двигатель 7, излучатель 8 и приемник 9 света, электрически связанные с блоком управления 10. Вид штрихов ДР в поперечном сечении А-А показан на фиг.1б. Период кольцевой ДР T и глубина штрихов h везде одинаковые, а диаметр углублений изменяется от dmin до dmax.

Оптические оси входного светового потока Iin и выходного светового потока Iout находятся в одной плоскости, но по разные стороны пластины 1 (фиг.3). Оптические оси светового потока дифракционных порядков с интенсивностью I-1x и I+1x, I-1y и I+1y (более высокие дифракционные порядки на фиг.3 не показаны) лежат в плоскости выходного светового потока и наклонены под углами αk=λ/Т к оптической оси выходного светового потока.

Световой поток, проходя ДР, разлагается в угловой спектр на ряд дифракционных порядков. Нулевой порядок дифракции с интенсивностью I0 не изменяет направления распространения, а боковые дифракционные порядки распространяются под углами αк к оптической оси (фиг.3) и задерживаются диафрагмой 6. Интенсивность излучения в нулевом порядке дифракции на выходе аттенюатора в скалярном приближении описывается выражением

где ϕ=2πh(n-1) - фазовый сдвиг, вносимый штрихами ДР (В.Н.Котлецов. Микроизображения. Оптические методы получения и контроля. Л., Машиностроение, 1985, стр.210).

Для ДР с ϕ=π из выражения (2) следует, что коэффициент светопропускания предложенного аттенюатора описывается выражением

График зависимости светопропускания аттенюатора от параметра S=d/T (скважности) приведен на фиг.2, кривая 2. Для сравнения на этом же рисунке приведен график светопропускания устройства-прототипа (кривая 1), полученный с использованием выражения (1). Сравнивая приведенные графики, видно, что при Т=2.5-3 мкм и dmin=0.5-0.6 мкм, (S=0.15-0.2) пропускание предложенного аттенюатора составляет 0.9-0.92, что более чем в два раза выше, чем в известном аттенюаторе при тех же значениях Т и dmin. Т.е. световая энергия почти не теряется. Это делает возможным использование известного устройства для регулировки излучения мощных лазеров в УФ диапазоне, например эксимерных лазеров или мощных YAG:Nd лазеров с умножением частоты.

Если необходимо иметь заданную функцию η(ϑ) изменения коэффициента пропускания аттенюатора в зависимости от угла поворота ϑ, то диаметр d углублений или выступов решетки должен меняться по следующему закону:

Наиболее часто на практике используется линейная зависимость коэффициента пропускания аттенюатора от угла поворота ϑ. Если η(ϑ)=ϑ, то выражение для закона изменения диаметра углублений или выступов для этого случая будет иметь вид:

Диаметр углублений или выступов меняется от минимального значения dmin, определяемого технологией изготовления рельефа поверхности и длиной волны света dmin>λ, до максимального значения dmax, при котором коэффициент пропускания аттенюатора стремится к нулю η=0. Из выражения (4) следует, что при η=0 этот диаметр определяется соотношением

Так как на практике форма углублений или выступов немного отличается от круга, для получения минимального пропускания следует выбирать диаметр dmin из соотношения

Для обеспечения дистанционного управления поворотом пластины аттенюатора при регулировке мощного лазерного излучения ось 3 пластины 1 механически соединена с осью электрического двигателя 7 (фиг.3). На внешней зоне пластины расположена вторая ДР 5, выполненная в виде равномерной последовательности радиальных непрозрачных штрихов с угловым периодом L=2πR/N, где R - средний радиус зоны второй ДР, N - целое число. Один штрих 4 выполнен с угловой шириной L0=kL, где k>2. Считывающей узел, выполненный, например, в виде установленных друг против друга, по обеим сторонам второй ДР, излучателя (светодиода) 8 и фотоприемника (фотодиода) 9, расположен в области, отдаленной от области входного светового потока. Узел электрически связан с блоком управления 10. Блок управления производит считывание величины углового положения пластины со считывающего узла и осуществляет изменение положения пластины аттенюатора согласно заданному уровню пропускания.

Предложенный аттенюатор имеет высокое светопропускание, или малые остаточное потери оптического излучения, которые по крайней мере в два раза меньше, чем в устройстве-прототипе. Это делает возможным использование предлагаемого аттенюатора для регулировки излучения мощных лазеров в УФ диапазоне, например эксимерных лазеров или мощных YAG:Nd лазеров с умножением частоты. Также преимуществом предлагаемого аттенюатора является простота и низкая стоимость в изготовлении. Это обусловлено тем, что в предлагаемом аттенюаторе поверхностный слой, выполненный в виде ДР, изготавливается методом фотолитографии. Это дает возможность легко формировать заданную и воспроизводимую функцию пропускания аттенюатора.

Таким образом, предлагаемый аттенюатор обеспечивает новые возможности применения, отсутствующие у известных аналогов, - возможность регулировки излучения с очень большой плотностью мощности без существенных потерь.

1. Дифракционный аттенюатор с переменным пропусканием, состоящий из пластины оптического материала с поверхностным слоем, выполненным в виде дифракционной решетки, отличающийся тем, что штрихи дифракционной решетки выполнены в виде последовательности рельефных углублений или последовательности рельефных выступов круглой формы с диаметром d, равным

где Т - период следования углублений или выступов;

η(θ) - коэффициент пропускания аттенюатора в зависимости от угла θ поворота, причем пределы изменения диаметра d выбираются от d>λ до d<(0,65-0,85)T, где λ - длина волны оптического излучения.

2. Аттенюатор по п.1, отличающийся тем, что глубина углублений или выступов штрихов решетки лежит в пределах от h=mλ/4 до h=mλ/2(n-1), n - коэффициент преломления материала пластины, m≥1 целое число.

3. Аттенюатор по п.1, отличающийся тем, что поверхностный слой выполнен дополнительно содержащим кольцевую зону с одним непрозрачным штрихом с угловой шириной L0=kL и с последовательностью непрозрачных штрихов с угловой шириной L=πR/N, где R - средний радиус дополнительной зоны, N - количество штрихов, k>2.

4. Аттенюатор по п.1, отличающийся тем, что дифракционная решетка выполнена круговой, с периодом в радиальном направлении, не превышающим величину Т.

5. Аттенюатор по п.4, отличающийся тем, что выполнен с возможностью вращения в угловом направлении относительно центра дифракционной решетки.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области органической химии, в частности к новым тетрапиррольным макрогетероциклам - дифенилоктаалкилпорфинам, которые могут быть использованы в качестве красящего вещества оптических фильтров.

Изобретение относится к области органической химии, в частности, к новым тетрапиррольным макрогетероциклам-дифенилоктаалкилпорфинам, которые могут быть использованы в качестве красящего вещества оптических фильтров.

Изобретение относится к области органической химии, в частности к тетрапиррольным макрогетероциклам - дифенилоктаалкилпорфинам, которые могут быть использованы в качестве красящего вещества оптических фильтров.

Изобретение относится к области органической химии, в частности к новым тетрапиррольным макрогетероциклам - дифенилоктаалкилпорфинам, которые могут быть использованы в качестве красящего вещества оптических фильтров.

Изобретение относится к области органической химии, в частности к новым тетрапиррольным макрогетероциклам-дифенилоктаалкилпорфинам, которые могут быть использованы в качестве красящего вещества оптических фильтров.

Изобретение относится к области светотехники и интегральной оптики, связанной с созданием инфракрасных светофильтров отрезающего и полосового типа, поглощающих видимое излучение и пропускающих коротковолновое и длинноволновое ближнее инфракрасное излучение.

Изобретение относится к области физиологической оптики, преимущественно к устройствам для фильтрации светового потока в видимой области спектра, и может быть использовано для защиты глаз от воздействия светового потока.

Изобретение относится к оптическому спектральному фильтру и оптическому устройству разделения каналов для приемного устройства системы передачи с объединением по длинам волн (WDM), более конкретно к оптическому спектральному фильтру и оптическому устройству разделения каналов для WDM системы передачи с высокой эффективностью и низкими потерями.

Изобретение относится к многочастотным устройствам для усиления оптического сигнала и оптическим системам связи, использующим такие устройства, а более конкретно к двунаправленным (многоканальным) оптическим усилителям, имеющим спектральный фильтр для подавления перекрестных искажений, обусловленных многолучевой интерференцией, обратными потерями и автоколебаниями, которые, кроме того, несмотря на возрастающие вносимые потери, обусловленные фильтром, обеспечивают желаемый коэффициент шума и величину выходной мощности (то есть эффективность использования накачки).

Изобретение относится к когерентной и Фурье-оптике. .

Изобретение относится к области физиологической оптики, преимущественно к устройствам для фильтрации светового потока в видимой области спектра, и может быть использовано для защиты глаз от воздействия светового потока.

Изобретение относится к адаптивной оптике и может быть использовано в некогерентных и когерентных оптических системах наблюдения протяженных объектов, работающих в условиях атмосферных искажений без опорного точечного источника.

Изобретение относится к области оптико-физических измерений и может быть использовано в оптической локации для контроля уровня загрязнений атмосферы, океана и т.д.

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в когерентных оптических процессорах при обработке изображения методом оконтуривания его фрагментов, т.е.

Изобретение относится к исследованию волновых фронтов и может быть использовано при исследовании качества оптических и дифракционных оптических элементов, настройке и юстировке интерфорометра и т.д.
Наверх