Дифракционное устройство

Изобретение относится к оптике, а именно к дифракционному устройству, имеющему нарезную решетку с отражательной поверхностью, и может быть использовано, преимущественно, в качестве оптического элемента в мощных лазерных системах для селективного усиления генерируемого излучения. Сущность изобретения заключается в том, что дифракционное устройство содержит дифракционную решетку, состоящую из подложки и отражающего покрытия с рельефом в виде штрихов, а также систему термоэлектрического охлаждения дифракционной решетки, установленную на нерабочей поверхности подложки. Система термоэлектрического охлаждения дифракционной решетки состоит из центрального термоэлектрического модуля и периферийных термоэлектрических модулей, мозаично расположенных на нерабочей поверхности подложки, при этом холодильная мощность центрального термоэлектрического модуля выше холодильной мощности каждого периферийного термоэлектрического модуля. Технический результат заключается в исключении искажения волнового фронта отраженного излучения за счет обеспечения компенсации температурного расширения материала подложки дифракционной решетки и максимального сохранения плоскостности ее поверхности, а также в увеличении габаритных размеров дифракционной решетки для достижения с ее помощью более высоких мощностей генерируемого лазерного излучения. 2 ил.

 

Изобретение относится к оптике, а именно к дифракционным устройствам, имеющим нарезную решетку с отражательной поверхностью, и может быть использовано, преимущественно, в качестве оптического элемента в мощных лазерных системах для селективного усиления генерируемого излучения.

Известно устройство, имеющее нарезную дифракционную решетку, которую изготавливает Акционерное общество «Научно-производственное объединение «Государственный институт прикладной оптики» (http://shvabe.com/products/opticheskie-materialy/difraktsionnaya-optika-nareznaya-difraktsionnaya-reshetka-dlya-so-i-so2-lazerov/). Дифракционная решетка состоит из подложки, выполненной из суперинвара марки 32НКД - материала, имеющего низкий коэффициент термического расширения, размером не более 90×90 мм, и отражающего алюминиевого покрытия с рельефом в виде штрихов. Мощное лазерное излучение, падающее на поверхность дифракционной решетки, нагревает ее. В результате термического расширения материала дифракционной решетки происходит выгибание поверхности, приводящее к искажению волнового фронта отраженного излучения. Для сохранения качества волнового фронта отраженного излучения необходимо использовать дифракционную решетку, имеющую систему охлаждения.

Известно дифракционное устройство, имеющее дифракционную решетку с водяным охлаждением, которое применяется в мощных СО2 лазерах (патент FR 2653903 А1, МПК G02B 5/18, опубликован 03.05.1991).

Недостатком аналога является то, что поток воды создает вибрации решетки, давление воды стремится выгнуть поверхность решетки наружу, так же как и тепловое расширение, вследствие облучения поверхности решетки мощным световым потоком, что приводит к искажению волнового фронта отраженного излучения. Устройство требует подвода шлангов, емкости с хладагентом, насосного оборудования, электрического питания, т.е. является довольно громоздким, и при этом работает лишь при температурах выше температуры замерзания хладагента.

Известно также дифракционное устройство мощного газоразрядного лазера, имеющее дифракционную решетку, нерабочая поверхность которой охлаждается потоком газообразного гелия (патент RU 2250544 С2, МПК H01S 3/04, опубликован 20.04.2005).

Недостатком аналога является сложность обеспечения гелиевой продувки дифракционной решетки.

Прототипом является дифракционное устройство, содержащее дифракционную решетку, состоящую из подложки и отражающего покрытия с рельефом в виде штрихов, а также термоэлектрический охладитель, установленный на всей нерабочей поверхности подложки (патент US 6498681 В2, МПК G02B 5/18, G02B 27/44, опубликован 24.12.2002).

Недостатком прототипа является искажение волнового фронта отраженного излучения. Это обусловлено равномерным охлаждением подложки дифракционной решетки из-за наличия одного термоэлектрического охладителя, установленного на всей нерабочей поверхности подложки. Однако пространственное распределение интенсивности излучения в лазерном пучке неоднородно.

В одномодовом режиме это распределение описывается Гауссовским контуром, т.е. излучение в центре пучка значительно интенсивней, чем на периферии, и, соответственно, центральная зона подложки дифракционной решетки, на которую падает максимальная лучевая нагрузка, нагревается интенсивней, чем периферийные зоны.

Таким образом, равномерное охлаждение всей нерабочей поверхности подложки дифракционной решетки не позволяет компенсировать температурное расширение ее материала при использовании в мощных лазерных системах и приводит к искажению волнового фронта отраженного излучения.

Кроме этого, недостатком прототипа является то, что наличие только одного термоэлектрического охладителя, установленного на всей нерабочей поверхности подложки, ограничивает размеры дифракционной решетки, что не позволяет достигать с ее помощью более высоких мощностей лазерного излучения.

Задачей изобретения является разработка конструкции дифракционного устройства, в которой устранены недостатки аналогов и прототипа.

Техническим результатом изобретения является исключение искажения волнового фронта отраженного излучения за счет обеспечения компенсации температурного расширения материала подложки дифракционной решетки и максимального сохранения плоскостности ее поверхности, а также увеличение габаритных размеров дифракционной решетки для достижения с ее помощью более высоких мощностей генерируемого лазерного излучения.

Технический результат достигается тем, что в дифракционном устройстве, содержащем дифракционную решетку, состоящую из подложки и отражающего покрытия с рельефом в виде штрихов, а также систему термоэлектрического охлаждения дифракционной решетки, установленную на нерабочей поверхности подложки, согласно настоящему изобретению система термоэлектрического охлаждения дифракционной решетки состоит из центрального термоэлектрического модуля и периферийных термоэлектрических модулей, мозаично расположенных на нерабочей поверхности подложки, при этом холодильная мощность центрального термоэлектрического модуля выше холодильной мощности каждого периферийного термоэлектрического модуля.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображено предлагаемое дифракционное устройство, а на фиг. 2 представлен вид А на фиг. 1 (вид на систему термоэлектрического охлаждения дифракционной решетки).

На чертежах элементы и узлы дифракционного устройства обозначены следующими позициями:

1 - дифракционная решетка,

2 - подложка дифракционной решетки,

3 - отражающее покрытие дифракционной решетки,

4 - рельеф отражающего покрытия,

5 - система термоэлектрического охлаждения,

6 - нерабочая поверхность подложки,

7 - центральный термоэлектрический модуль,

8 - периферийный термоэлектрический модуль.

Дифракционное устройство содержит дифракционную решетку 1 и систему 5 термоэлектрического охлаждения дифракционной решетки. Дифракционная решетка 1 состоит из подложки 2 и отражающего покрытия 3 с рельефом 4 в виде штрихов. Система 5 термоэлектрического охлаждения дифракционной решетки установлена на нерабочей поверхности 6 подложки 2.

Отличием предлагаемого дифракционного устройства является то, что система 5 термоэлектрического охлаждения дифракционной решетки состоит из центрального термоэлектрического модуля 7 и периферийных термоэлектрических модулей 8, мозаично расположенных на нерабочей поверхности 6 подложки 2, при этом холодильная мощность центрального термоэлектрического модуля 7 выше холодильной мощности каждого периферийного термоэлектрического модуля 8.

Пример конкретного выполнения

Подложка 2 дифракционной решетки представляет собой плоскопараллельную пластину, выполненную из суперинвара марки 32НКД - материала, имеющего низкий коэффициент термического расширения. На плоскопараллельную пластину в вакууме нанесено отражающее алюминиевое покрытие 3, в котором алмазным резцом нанесен рельеф 4 в виде параллельных штрихов с частотой 600 штр./мм с пилообразным профилем и глубиной, порядка 550 нм. За счет мозаичного расположения термоэлектрических модулей 7 и 8 (элементы Пельтье, изготавливаемые ОАО "НЛП ТФП "ОСТЕРМ СПБ", г. Санкт-Петербург) на нерабочей поверхности 6 подложки 2 обеспечена возможность охлаждения крупногабаритной подложки 2 размером 120×120 мм.

Центральный термоэлектрический модуль 7 и периферийные термоэлектрические модули 8 монтируются на нерабочей поверхности подложки 2 дифракционной решетки путем наклеивания на термопасту КПТ-8. Термоэлектрический модуль 7, расположенный в центральной зоне подложки 2 дифракционной решетки, имеет холодильную мощность, равную 340 Вт, а каждый термоэлектрический модуль 8, расположенный в периферийной зоне подложки 2, имеет холодильную мощность, равную 85 Вт, т.е. термоэлектрический модуль 7, расположенный в центральной зоне, выбран с большей холодильной мощностью.

Дифракционное устройство работает следующим образом.

На рабочую поверхность дифракционной решетки 1 падает генерируемое лазерное излучение с плотностью мощности 100 Вт/см2 и нагревает ее. Для устранения выгибания рабочей поверхности дифракционной решетки 1, облучаемой интенсивным потоком светового излучения, и, соответственно, для сохранения качества волнового фронта отраженного излучения, на нерабочей поверхности подложки 2 установлена система 5 термоэлектрического охлаждения, состоящая из центрального термоэлектрического модуля 7 и периферийных термоэлектрических модулей 8, мозаично расположенных на нерабочей поверхности 6 подложки 2.

Провода от термоэлектрических модулей 7 и 8 припаяны к электрическому разъему (условно не показаны). На разъем подается электрическое напряжение от внешнего блока питания, не входящего в конструкцию дифракционного устройства.

Для отвода тепла от термоэлектрических модулей 7 и 8 может быть использован радиатор (условно не показан), рассеивающий тепловую энергию в окружающую среду.

Центральный термоэлектрический модуль 7 и периферийные термоэлектрические модули 8 работают независимо, каждый в своем температурном режиме. Регулировка степени охлаждения различных зон подложки 2 дифракционной решетки 1 осуществляется путем регулировки подаваемого на термоэлектрические модули 7 и 8 электрического напряжения (с блока питания, пульта или программными средствами с персонального компьютера), при этом центральная зона подложки 2 дифракционной решетки 1, на которую падает максимальная лучевая нагрузка, охлаждается интенсивней, чем ее периферийная зона.

Система 5 термоэлектрического охлаждения дифракционной решетки 1 не содержит подвижных элементов, охлаждающих жидкостей, при этом в ходе работы не происходит механического износа деталей, не возникает вибраций, утечек жидкости, искривления поверхности подложки 2 решетки из-за внутреннего давления хладагента. Отсутствие шлангов, насосов, теплообменников, вентиляторов позволяет выполнить систему охлаждения дифракционной решетки 1 компактной, эргономичной и бесшумной. Отсутствие жидкостей исключает возможности замерзания или закипания в системе охлаждения.

Использование предлагаемого дифракционного устройства позволит исключить искажения волнового фронта отраженного излучения за счет обеспечения компенсации температурного расширения материала подложки дифракционной решетки и максимального сохранения плоскостности ее поверхности, а также увеличить габаритные размеры дифракционной решетки для достижения с ее помощью более высоких мощностей генерируемого лазерного излучения.

Дифракционное устройство, содержащее дифракционную решетку, состоящую из подложки и отражающего покрытия с рельефом в виде штрихов, а также систему термоэлектрического охлаждения дифракционной решетки, установленную на нерабочей поверхности подложки, отличающееся тем, что система термоэлектрического охлаждения дифракционной решетки состоит из центрального термоэлектрического модуля и периферийных термоэлектрических модулей, мозаично расположенных на нерабочей поверхности подложки, при этом холодильная мощность центрального термоэлектрического модуля выше холодильной мощности каждого периферийного термоэлектрического модуля.



 

Похожие патенты:

Способ изготовления дифракционной решетки включает в себя вакуумное нанесение алюминиевого покрытия и формирование штрихов треугольного микропрофиля алмазным резцом делительной машины.

Система для проецирования одного или нескольких синтетических оптических изображений включает одну или несколько структур пиктограмм изображений; и одну или несколько полностью включенных структур фокусирующих элементов пиктограмм изображений.

Способ изготовления дифракционных оптических элементов включает в себя лазерную обработку тонкопленочных слоев металла, напыленных на подложку из прозрачного материала.

Изобретение относится к устройствам дифракционных периодических микроструктур для видимого диапазона, выполненным на основе пористого кремния. Техническим результатом изобретения является создание дифракционной периодической микроструктуры на основе пористого кремния с различными металлосодержащими наночастицами.

Способ изготовления дифракционной периодической микроструктуры на основе пористого кремния включает в себя формирование заданной дифракционной периодической микроструктуры с помощью имплантации ионами благородных или переходных металлов через поверхностную маску, с энергией 5-100 кэВ.

Способ получения цветного изображения с помощью дифракционной решетки при воздействии света включает в себя создание на поверхности твердого тела массива дифракционной решетки в течение процесса микроструктурирования посредством воздействия лазера.

Устройство задней подсветки содержит источник света, коллиматор, расширитель пучка, один дефлектор пучка, волновод с элементом ввода и элементом вывода. Источник света выполнен в виде лазера.

Сканирующий дифракционный полихроматор содержит входную щель, вогнутую дифракционную решетку, вогнутое сферическое зеркало и многоэлементный приемник излучения.

Элемент отображения содержит слои и множество пикселов. При этом множество пикселов содержит слой формирования рельефной структуры, включающий в себя первую область, сформированную посредством множества углублений или выступов и включающую в себя, по меньшей мере, одну подобласть, выполненную с возможностью отображать цвет, и вторую область.

Способ контроля погрешности изготовления дифракционных оптических элементов (ДОЭ) заключается в формировании контрольных окон для нанесения координатных меток, которые выполняют хотя бы из двух групп периодических решеток.

Изобретение может быть использовано для формирования периодических интерференционных картин, например, для записи голографических дифракционных решеток, создания периодических структур различной размерности, реализации Фурье-спектрометров, брэгговских зеркал и т.п. Интерферометр содержит источник коллимированного светового пучка, светоделительный элемент, разделяющий исходный пучок на два парциальных, два зеркала, направляющие эти пучки под углом схождения друг к другу, и светочувствительный элемент. Светоделительный элемент, два зеркала и светочувствительный элемент образуют зеркально-симметричную систему относительно плоскости светоделительного зеркала, встроенного в светоделительный элемент, и установлены неподвижно на основании, ось вращения которого расположена так, что обеспечивает согласование вращательного движения основания и перемещения по светоделительному зеркалу коллимированного светового пучка за счет изменения его угла падения. Технический результат - повышение виброустойчивости и упрощение конструкции. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Способ изготовления одномерной дифракционной фазовой решетки с синусоидальным профилем заключается в последовательном формировании канавок сканированием импульсным лазерным пучком плоскости контакта пластины из плавленого кварца с пластиной из прессованного графита. Прерывание сканирования после завершения формирования канавки с периодом, соответствующим периоду решетки, который обеспечивается дискретным смещением сфокусированного лазерного пучка, причем глубину профиля рельефа канавок формируют с энергией, зависящей от импульсной плотности мощности, длительности импульса, диаметра области воздействия, числа импульсов, частоты следования импульсов, скорости сканирования. Очистку поверхности решетки осуществляют влажной лазерной очисткой. Технический результат заключается в снижении отклонения в форме канавки от синусоидального профиля по всей длине канавки до 1-4%, снижении отклонений в форме канавки от канавки к канавке в пределах дифракционной фазовой решетки до 2-5%, устранении микротрещин, окружающих канавки, а также расширении диапазона глубин дифракционной фазовой решетки. 13 ил.

Оптическое термометрическое устройство обеспечивает измерение температуры по изменению дифракционной картины света. Устройство содержит на подложке элементы периодической дифракционной микроструктуры. Указанная структура образуется путем ионной имплантации через поверхностную маску. При этом в качестве подложки используется оптически-прозрачный полимер, а сформированная дифракционная структура содержит ионносинтезированные металлические наночастицы, диспергированные в приповерхностной области подложки. Технический результат заключается в повышении чувствительности термометрического устройства. 10 ил.

Волоконно-оптический датчик виброакустических сигналов на внутрисветоводном эффекте Доплера содержит источник излучения, чувствительный элемент и разветвитель, первую и вторую дифракционные решетки Брэгга и фотоприемник. Источник излучения имеет ширину спектра, превышающую ширину спектра отражения первой решетки Брэгга. По первому варианту первая и вторая решетки Брэгга выполнены со спектральным сдвигом резонансных частот друг относительно друга. По второму варианту первая и вторая решетки Брэгга имеют идентичные параметры по ширине полосы отражения и по резонансной частоте отражения. Причём одна из решеток Брэгга выполнена с возможностью изменения резонансной частоты отражения. Технический результат - упрощение конструкции, повышение температурной стабильности датчика, увеличение отношения сигнал/шум. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

Устройство для контроля углового положения дифракционных порядков дифракционного элемента состоит из координатного стола, оптически связанных рассеивающего экрана с пропускающим окном, контролируемого дифракционного элемента, расположенного между координатным столом и рассеивающим экраном, источника излучения, фокусирующего объектива, видеокамеры, блока обработки и управления. Рассеивающий экран выполняется в виде асферического мениска или оптоволоконного элемента. Видеокамера устанавливается вдоль оси, соединяющей центр рассеивающего экрана и область фокусировки излучения. Технический результат заключается в увеличении скорости и точности контроля в широком диапазоне углового положения дифракционных порядков, а также в упрощении конструкции. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Использование: для изготовления дифракционных решеток с малыми углами «блеска» в пределах 0,5°-2° в твердых хрупких материалах подложек. Сущность изобретения заключается в том, что способ включает в себя формирование штрихов заданной частоты, с геометрическими параметрами в поперечном сечении, близкими к заданным параметрам штрихов дифракционной решетки, в слое пластичного материала на полированной подложке, и удаление слоя пластичного материала посредством реактивного ионно-лучевого травления, сформированные в слое пластичного материала штрихи используют в качестве технологических штрихов, которые формируют с углом наклона пологой грани к поверхности подложки, равным 3°-12°, и полностью удаляют посредством реактивного ионно-лучевого травления под углом 90° к поверхности подложки, выполняя при этом в подложке формирование штрихов с заданным углом «блеска» и с заданным периодом решетки, причем в качестве материала технологических штрихов используют материал, скорость травления которого выше скорости травления материала подложки. Технический результат: обеспечение возможности повышения качества изготовления дифракционных решеток. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Способ изготовления дифракционных решеток включает в себя нанесение на подложку слоя материала, формирование в нем штрихов и удаление слоя материала посредством реактивного ионно-лучевого травления. Сформированные в слое материала штрихи используют в качестве технологических штрихов, которые полностью удаляют вместе с оставшейся толщиной слоя материала. Реактивное ионно-лучевое травление осуществляют под углом 90° к поверхности подложки, выполняя при этом в подложке формирование штрихов с заданным углом «блеска» и с заданным периодом решетки. В качестве материала технологических штрихов используют материал, скорость травления которого ниже скорости травления материала подложки. Технический результат - повышение качества изготовления дифракционных решеток и обеспечение возможности получения профиля штрихов, приближенного к идеальному треугольному, с углами «блеска» в пределах 80°-87°. 4 ил.

Способ изготовления дифракционных решеток включает в себя нанесение на подложку слоя материала, формирование в нем штрихов и удаление слоя материала посредством реактивного ионно-лучевого травления. Сформированные в слое материала штрихи используют в качестве технологических штрихов, которые полностью удаляют вместе с оставшейся толщиной слоя материала. Реактивное ионно-лучевое травление осуществляют под углом 90° к поверхности подложки, выполняя при этом в подложке формирование штрихов с заданным углом «блеска» и с заданным периодом решетки. В качестве материала технологических штрихов используют материал, скорость травления которого ниже скорости травления материала подложки. Технический результат - повышение качества изготовления дифракционных решеток и обеспечение возможности получения профиля штрихов, приближенного к идеальному треугольному, с углами «блеска» в пределах 80°-87°. 4 ил.

Изобретение относится к оптике, а именно к дифракционному устройству, имеющему нарезную решетку с отражательной поверхностью, и может быть использовано, преимущественно, в качестве оптического элемента в мощных лазерных системах для селективного усиления генерируемого излучения. Сущность изобретения заключается в том, что дифракционное устройство содержит дифракционную решетку, состоящую из подложки и отражающего покрытия с рельефом в виде штрихов, а также систему термоэлектрического охлаждения дифракционной решетки, установленную на нерабочей поверхности подложки. Система термоэлектрического охлаждения дифракционной решетки состоит из центрального термоэлектрического модуля и периферийных термоэлектрических модулей, мозаично расположенных на нерабочей поверхности подложки, при этом холодильная мощность центрального термоэлектрического модуля выше холодильной мощности каждого периферийного термоэлектрического модуля. Технический результат заключается в исключении искажения волнового фронта отраженного излучения за счет обеспечения компенсации температурного расширения материала подложки дифракционной решетки и максимального сохранения плоскостности ее поверхности, а также в увеличении габаритных размеров дифракционной решетки для достижения с ее помощью более высоких мощностей генерируемого лазерного излучения. 2 ил.

Наверх