ОПТИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР
OPTICAL RESONATOR

Изобретение относится к оптике, к оптическим устройствам, основанным на использовании явлений полного внутреннего отражения и интерференции световых потоков, в том числе, устройствам оптических резонаторов, применяемых в научных исследованиях и технике для спектрального анализа и монохроматизации света.
В качестве аналога взяты известные устройства типа эталонов Фабри-Перо [Скоков И.В. Многолучевые интерферометры в измерительной технике. - М.: Машиностроение, 1989], содержащие прозрачную плоскую пластину, на противостоящие поверхности которой нанесены полупрозрачные зеркальные покрытия. По принципу действия эталоны являются оптическими резонаторами со стоячей световой волной. При пропускании через эталон коллимированного оптического излучения между зеркальными покрытиями вследствие многократных отражений возникает многолучевая интерференционная картина, излучение проходит эталон только на тех длинах волн спектра, на которых между пластинами возникает резонанс, то есть, укладывается целое число полуволн. Ширина формируемой эталоном полосы спектра проходящего излучения определяется во многом коэффициентом отражения зеркальных покрытий; при использовании металлических покрытий этот коэффициент порядка 0,9 и меньше.
Недостатком аналога являются значительные потери световой энергии на зеркалах, что приводит к значительной ширине полосы спектра, то есть, к недостаточно высокой разрешающей способности устройства при использовании его в качестве светофильтра.
В качестве второго аналога взят оптический кольцевой резонатор, образованный тремя или четырьмя одинаковыми сферическими или плоскими зеркалами, расположенными в вершинах равностороннего треугольника или квадрата [Справочник по лазерам, пер. с англ., под ред, А.М.Прохорова, т.2, М.: Сов. радио, 1978. - 400 с, гл.23]. В кольцевом резонаторе образуется бегущая световая волна, при резонансе луч, отражаясь последовательно от всех зеркал резонатора, многократно накладывается сам на себя.
Недостатком второго аналога также являются значительные потери световой энергии на зеркалах, что приводит к недостаточно высокой разрешающей способности устройства при использовании его в качестве светофильтра, так как в качестве зеркал используются металлические или диэлектрические покрытия с потерями световой энергии в них.
В качестве прототипа взят резонансный оптический конденсатор [Иогансен Л.В. Теория резонансных электромагнитных систем с полным внутренним отражением. / Л.В.Иогансен // ЖТФ. - 1962 - Т.32., вып.4 - С.406-418], который по принципу действия также является оптическим резонатором. В качестве устройства ввода-вывода излучения в прототипе используется одна призма; в качестве отражающих зеркал - слои прозрачного диэлектрика в зазоре между пластиной и призмой; слои имеют показатель преломления меньше, чем показатели пластины и призмы. Толщины слоев порядка длины волны используемого света. При направлении коллимированного светового потока на входную грань призмы ввода световая волна преломляется и падает изнутри призмы на слой с меньшим показателем преломления под острым углом, и при определенных условиях наблюдается эффект полного внутреннего отражения: волна возвращается в призму ввода, но частично проникает в тонкий слой, граничащий с призмой, и сквозь него в пластину, где, как и в эталоне Фабри-Перо, испытывает многократные отражения от поверхностей полного внутреннего отражения с образованием интерференционной картины и явления резонанса. Выходящее из резонатора излучение формируется из падающих изнутри резонатора на его поверхность, граничащую с призмой, лучей, которые туннелируют через зазор, проникают в призму и выходят сквозь последнюю наружу. Явление полного внутреннего отражения имеет место только в прозрачных слоях, и поэтому оптические потери вследствие поглощения света практически исключены. Однако в связи с наклонным падением лучей на внутреннюю пластину лучи в ней при многократных отражениях распространяются, как в световоде, вдоль пластины к ее краю, и часть электромагнитной волны теряется на краю пластины, не выходя наружу через призму ввода-вывода излучения.
Недостатком прототипа является низкая разрешающая способность при использовании в качестве светофильтра, вызванная описанным «краевым» эффектом.
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является повышение добротности оптического резонатора. Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, - уменьшение потерь, вызванных краевым эффектом; устройство должно обладать более узкой резонансной полосой.
1. Задача решается тем, что оптический резонатор, содержащий прозрачную плоскую пластину с двумя поверхностями полного внутреннего отражения света, оптический элемент ввода коллимированного излучения в резонатор и вывода излучения в виде призмы, установленной с зазором у поверхности полного внутреннего отражения, а также скрепляющие элементы, отличается тем, что поверхностями полного внутреннего отражения являются все боковые грани плоской пластины, и они могут быть плоскими или выпуклыми цилиндрическими или сферическими, причем их оси симметрии равномерно распределены в одной плоскости и пересекаются в одной точке,
2. также тем, что дополнительно устанавливают вторую призму для ввода-вывода излучения у смежной боковой грани упомянутой пластины,
3. также тем, что оптический элемент ввода и вывода излучения является амплитудной или фазовой дифракционной решеткой, выполненной на боковой грани пластины или в слое среды, примыкающем к ней, со штрихами, параллельными центральной оси симметрии упомянутой пластины.
Изобретение поясняется с помощью фиг.1-8.
Фиг.1 - схема устройства с четырехсторонней симметричной плоской пластиной - оптическим резонатором полного внутреннего отражения с бегущей волной - и одной призмой ввода-вывода излучения и прослойкой в зазоре между призмой и гранью пластины. Здесь 1 - призма ввода и вывода излучения, 2 - четырехсторонняя плоская пластина, являющаяся оптическим резонатором, 3 - прослойка между призмой и резонатором, имеющая малый показатель преломления, 4 и 5 - входящие в устройство и выходящие из него световые лучи, 6 и 7 - траектории лучей внутри резонатора, 8 - боковые грани пластины, b - размер стороны четырехсторонней пластины, θ - угол падения излучения на гипотенузную грань призмы.
Фиг.2 - схема устройства с пятисторонней симметричной плоской пластиной - оптическим резонатором полного внутреннего отражения с бегущей волной - и одной призмой ввода-вывода излучения. Здесь 9 - пятисторонняя плоская пластина, являющаяся оптическим резонатором, 10 - боковые грани пластины, 11 - траектории лучей внутри резонатора.
Фиг.3 - схема устройства с четырехсторонней симметричной плоской пластиной 12 - оптическим резонатором полного внутреннего отражения с бегущей волной - и одной призмой 1 ввода-вывода излучения, установленной с зазором на плоской боковой поверхности плоской пластины, остальные боковые грани 13 пластины являются частями выпуклых сферических поверхностей.
Фиг.4 - схема устройства с четырехсторонней симметричной плоской пластиной - оптическим резонатором полного внутреннего отражения с бегущей волной - и двумя призмами: одной призмой ввода и одной призмой вывода излучения. Здесь 14 - призма вывода излучения из оптического резонатора 2, 15 - прослойка между призмой вывода и резонатором, имеющая малый показатель преломления, 16 - выходящие из устройства световые лучи.
Фиг.5 - схема устройства с четырехсторонней симметричной плоской пластиной - оптическим резонатором полного внутреннего отражения с бегущей волной; поверхность одной боковой грани пластины имеет синусоидальный периодический рельеф; эта поверхность является дифракционной решеткой и служит для ввода излучения в плоскую пластину оптического резонатора и для вывода излучения. Здесь 17 - синусоидальный рельеф на поверхности боковой грани пластины, придающий ей свойства фазовой дифракционной решетки, 18 - четырехсторонняя плоская пластина, являющаяся оптическим резонатором, 19 - падающий на рельефную поверхность световой луч, 20 - траектории лучей внутри резонатора, 21 - выходящий из устройства световой луч, 22 - нерельефные боковые грани пластины - резонатора, d - шаг синусоидального рельефа.
Фиг.6 - схема устройства с четырехсторонней симметричной плоской пластиной - оптическим резонатором полного внутреннего отражения с бегущей волной; поверхность одной боковой грани которого содержит периодическую картину модуляции показателя преломления и является дифракционной решеткой и служит для ввода излучения в пластину оптического резонатора и для вывода излучения. Здесь 23 - штрихи фазовой решетки, образованные диффузией вещества в боковую грань пластины - оптического резонатора.
Фиг.7 - схема устройства с четырехсторонней симметричной плоской пластиной - оптическим резонатором полного внутреннего отражения с бегущей волной, в котором слой среды, примыкающий к поверхности одной боковой грани, имеет синусоидальный периодический рельеф; этот слой является дифракционной решеткой и служит для ввода излучения в пластину оптического резонатора и для вывода излучения. Здесь 24 и 25 - выступы синусоидального рельефа в слое среды, примыкающей к боковой грани пластины 26 - оптического резонатора.
Фиг.8 - схема устройства с четырехсторонней симметричной плоской пластиной - оптическим резонатором полного внутреннего отражения с бегущей волной, в котором в слое среды, примыкающем к поверхности боковой грани пластины, содержится периодическая картина модуляции показателя преломления, являющаяся дифракционной решеткой ввода излучения в пластину оптического резонатора и для вывода излучения. Здесь 27 - слой среды, примыкающий к поверхности боковой грани пластины, 28 - плоская пластина - оптический резонатор, 29 - щтрихи дифракционной фазовой решетки, отличающиеся увеличенным показателем преломления в сравнении с показателем слоя 27.
В соответствии с изобретением входящее коллимированное излучение проходит призму ввода излучения и туннелирует в плоскую пластину через зазор между призмой ввода и боковой поверхностью пластины; пластина и является резонатором. Зазор может быть заполнен материалом прослойки. Угол падения излучения изнутри призмы ввода на ее поверхность, смежную с боковой гранью пластины, больше угла полного внутреннего отражения (ПВО) на этой поверхности, что обусловлено соотношением значений показателей преломления контактирующих в рассматриваемой области сред. Вошедшее в резонатор излучение сохраняет направление распространения, которое оно имело в призме ввода, и попадает на следующую по ходу луча грань резонатора под углом, большим угла ПВО, испытывает ПВО и направляется к следующей грани, где также зеркально отражается, и т.д. Обойдя резонатор по замкнутой кольцевой траектории, излучение возвращается к призме ввода и может частично туннелировать сквозь зазор между поверхностью пластины и призмой в последнюю и сквозь нее в окружающую среду. Призма в этом случае выполняет также и функцию выводящего излучение устройства. При использовании прозрачных материалов излучение не испытывает потерь на поглощение в среде, поэтому может циркулировать в объеме резонатора многократно, не затухая. Оптическая длина траектории должна обеспечивать возвращение луча в точку начала траектории в той же, начальной фазе колебаний светового вектора; это означает, что на данной длине волны излучения по траектории должно укладываться целое число длин волн излучения, при этом необходимо учитывать и те участки траектории, которые луч проходит в соответствии с закономерностями ПВО вне тела резонатора. При равенстве фаз световых волн разных траекторий в одной точке пространства амплитуды колебаний полей волн суммируются, и результирующая амплитуда резко возрастает, наблюдается резонанс. Выбор в качестве резонатора геометрически правильной симметричной пластины обеспечивает одинаковые условия внутреннего отражения луча на всех ее боковых гранях и возможность «замыкания» траектории в кольцо; кольцевой характер траектории луча исключает «краевые потери», существующие в прототипе, что должно уменьшить ширину пропускания спектра излучения и увеличить разрешающую способность светофильтра с рассматриваемым устройством.
Число сторон (граней) пластины выбирается исходя из угла ПВО для данного сочетания показателей преломления материалов пластины и призмы и материала прослойки между ними в месте их контакта; число сторон может быть три и более, например, 4, 5, 6. Обычно показатель преломления прослойки должен быть как можно меньше, и не всегда такой материал может быть найден, что часто диктует использование воздушного зазора. Для скрепления призм между собой может в этом случае понадобиться их соединение по краям зазора с помощью дополнительных соединительных деталей типа прокладок необходимой толщины.
Реально используемые излучения всегда обладают некоторой расходимостью, поэтому в резонаторе будет наблюдаться набор неполностью совпадающих в пространстве траекторий. Можно показать, что при небольшом отличии угла падения излучения на зазор от угла для соответствующей замкнутой траектории образующаяся траектория становится не замкнутой, и место возврата луча после прохождения по кольцу не совпадает с местом начала траектории; с каждым прохождением луча по траектории места начала и конца траектории перемещаются к краю боковой стороны пластины. Во избежание этого явления некоторым боковым граням пластины резонатора необходимо придать небольшую положительную оптическую силу, что обеспечивается, если грань имеет форму выпуклой цилиндрической или сферической поверхности. Правильный выбор радиусов закругления названных поверхностей обеспечит увеличение числа устойчивых траекторий, то есть, не уходящих за край боковых граней пластины оптического резонатора, что увеличит его добротность и разрешающую способность фильтра с таким резонатором.
Чтобы поместить устройство на пути прямолинейного пучка излучения так, чтобы выходящее из устройства излучение было продолжением входящего, предлагается использовать для вывода излучения вторую призму, размещенную у соседней боковой стороны резонатора. В общем случае, призм ввода-вывода излучения может быть и более двух.
Спектр пропускания резонатора с призменными устройствами ввода-вывода излучения содержит большое число полос, так как на траектории луча в резонаторе укладывается большое число длин волн излучения, резонатор имеет большое количество продольных мод, свободная спектральная область, как у резонаторов Фабри-Перо, узкая. От этого недостатка в некоторой мере можно избавиться, если выполнить боковые стороны в виде пропускающих дифракционных решеток и использовать их в качестве устройств ввода-вывода излучения. Предпочтительно использовать фазовую решетку в виде периодического синусоидального рельефа поверхности грани или в виде пространственной периодической модуляции показателя преломления приповерхностного слоя грани; такая фазовая решетка имеет спектр дифракции в виде всего двух главных максимумов - плюс первого и минус первого порядков - дифракции. Как будет показано ниже, при определенных соотношениях длина волны/постоянная решетки внутрь резонатора можно ввести луч света под углом дифракции, обеспечивающим лучу ПВО на гранях резонатора, образование кольцевой траектории и бегущей световой волны, существование резонанса. При падении на резонатор с дифракционной решеткой в качестве устройства ввода не монохроматического излучения резонансное усиление колебаний светового поля будет наступать только на одной длине волны из многих в падающем излучении, а именно на той, угол дифракции которой обеспечивает в резонаторе замкнутую кольцевую траекторию луча. Это означает значительное расширение свободной спектральной области устройства в сравнении с вариантами с призменным вводом излучения. Как и в случае с призмами ввода-вывода, возможны варианты устройств с двумя и более решетками ввода-вывода, также размещенных на разных гранях резонатора, а также варианты с использованием в одном устройстве разнотипных устройств ввода-вывода - и призменных, и решеточных.
Периодические неровности, придающие поверхности свойства фазового рельефа, или периодическую картину модуляции показателя преломления можно формировать не обязательно на поверхности боковой грани резонатора в его веществе, а, например, в слое окружающей резонатор прозрачной среды, примыкающем к боковой поверхности. Показатель преломления слоя может быть равным или не равным показателю вещества резонатора, однако необходимо, чтобы на границе между гранью резонатора и слоем не возникало полного внутреннего отражения, или чтобы толщина слоя была достаточно малой для возможности туннельного проникновения излучения к рельефу слоя или периодической структуре, полученной модуляцией показателя преломления.
1
На фиг.1 призма 1 ввода-вывода излучения закреплена над плоской боковой гранью четырехгранной пластины 2 с зазором 3, который заполняет прокладка с показателем преломления n; призма 1 и пластина 2 имеют показатели преломления n. Прокладка в зазоре 3 выполняет также функции скрепления (соединения) призмы 1 с плоской пластиной 2. Входящее излучение 4 падает на входную грань призмы 1, затем изнутри призмы на зазор 3 под углом θ, большим угла полного внутреннего отражения. Часть излучения туннелирует через зазор, толщина которого порядка длины волны излучения, в призму 2 под углом θ, к поверхности, смежной с зазором боковой стороны пластины 2. Излучение на боковых гранях 8 испытывает отражение, и если θ=π/4, то угол падения луча на все последующие по ходу луча в пластине боковые грани 8 также равен θ, отражение имеет характер полного внутреннего. Так как пластина 2 геометрически правильная, траектория луча 6 в ней замыкается сама на себя и имеет форму квадрата. Луч 6, обойдя пластину 2, возвращается в точку входа в боковую грань пластины в виде луча 7, частично туннелирует через зазор 3 и образует, пройдя призму 1, выходящий луч 5. Основная доля энергии излучения не туннелирует и вновь отражается от поверхности боковой грани вовнутрь, возникает новый виток траектории, и т.д.
Оптическая длина пути L световой волны в квадратной пластине со стороной квадрата b при наличии эффекта ПВО определяется выражением:
где Δ - увеличение длины пути за счет ПВО. Если выполняется условие L=k·λ, где λ - длина волны излучения, k - целое число, то фазы всех световых волн, распространяющихся по направлениям траекторий, совпадают во всех точках этих траекторий, наступает резонанс с резким увеличением амплитуды результирующей световой волны в пластине 2, эта пластина может быть названа резонатором. Значение угла θ определяется выражением:
1
Для сторон, граничащих с воздухом, n=1 и n≥1,414.
Расходимость светового пучка приводит к наличию световых волн, распространяющихся в резонаторе по траекториям, не совпадающим с рассмотренной выше. Траектории таких волн не замкнуты; места входа волны в резонатор и точки возврата волны к входной грани резонатора отличаются на величину
-4
3
где Δθ=π/4-θ - отклонение направления луча после входа в резонатор от идеального, вызванное расходимостью падающего излучения, N - число проходов волны в резонаторе по кольцевым траекториям. Для оценочных расчетов при условии Δl≤b/2 можно не учитывать существование краевого эффекта, сопровождающегося уходом световой волны в резонаторе за пределы входной грани резонатора, допустимо использовать теорию многослойных интерференционных светофильтров с полным внутренним отражением, не учитывающую краевой эффект. При этом условии при малых Δθ и в связи с отсутствием световых потерь при ПВО число N может теоретически приближаться к бесконечности. Для расходимости Δθ=10 рад, в случае четырехсторонней пластины N≈10.
В соответствии с теорией резонаторов Фабри-Перо, разрешающая способность резонатора определяется выражением:
где
q=L/λ (0.5)
8
6
- число длин волн излучения, приходящихся на полную длину траектории луча. Для размера грани пластины b=1 см и видимого света получим λ/δλ=10. Для сравнения, в случае резонатора Фабри-Перо с металлизированными зеркалами и близкими к приведенным выше размерами N=30 и λ/δλ≈3·10, что существенно хуже, чем по изобретению.
На фиг.2 показано использование пятигранной пластины 9 с сторонами 10 в качестве резонатора. Траектория 11 светового луча имеет форму пятиугольника. Работа устройства с такой пластиной аналогична описанной выше для четырехгранной пластины, однако угол отражения должен быть θ=0,3π, чему соответствует значение показателя преломления пластины n≥1,236, если средой размещения пластины является воздух.
На фиг.3 в качестве резонатора используется геометрически правильная четырехгранная пластина 12 с одной призмой 1 ввода-вывода излучения, установленной с зазором 3 на плоской грани пластины-резонатора, остальные грани 13 пластины на фиг.3 являются частями выпуклых сферических поверхностей. Возможны варианты, когда не все грани резонатора являются частями сфер, или варианты, когда некоторые грани являются частями цилиндрических поверхностей. Каждая такая выпуклая поверхность обладает положительной оптической силой, то есть, из падающего на нее расходящегося пучка формирует отраженный сходящийся пучок. Выбирать радиус R кривизны выпуклой поверхности необходимо так, чтобы компенсировать в пучках 6 и 7 расходимость, обусловленную собственной расходимостью входящего светового потока 4 и дифракцией излучения на боковых поверхностях плоской пластины. Такая компенсация увеличит число N проходов волны в резонаторе по кольцевым траекториям и тем самым разрешающую способность светофильтра с резонатором.
На фиг.4 иллюстрируется работа устройства двумя призмами 1 и 14, расположенными на смежных боковых сторонах четырехгранного резонатора 2, призма 14 служит для вывода излучения 16. Излучение 4, как и в рассмотренных выше примерах, вводится в резонатор с помощью призмы 1. Здесь поток 16 выходящего излучения является как бы продолжением входящего потока 4, что в ряде случаев создает удобство при компоновке оптических схем. Прокладка 15 здесь также может быть заменена воздушным зазором, создаваемым с помощью вставок по краям грани, которые являются скрепляющими элементами устройства.
0
0
На фиг.5 элементом ввода-вывода излучения является фазовая дифракционная решетка, выполненная в виде синусоидального рельефа 17 на одной из граней четырехгранной плоской пластины 18, шаг решетки равен d. Входящее излучение 19 падает на решетку с углом падения θ, дифрагирует под углом θ=π/4 и обходит резонатор по замкнутой траектории 20, испытывая на всех гранях ПВО. Вернувшись к рельефной поверхности, излучение дифрагирует на фазовой решетке, образуя луч 21, выходящий под углом  Требуемый для обеспечения ПВО луча в призме угол θ падения луча 19 можно найти из выражения:
0
справедливого для решеток с синусоидальным рельефом, задавшись значением θ=π/4. Так, если λ/d=1/4, n=1,5, то θ=0,3π. Для обеспечения большого значения коэффициента отражения излучения, падающего на решетку изнутри резонатора, необходимо подбирать глубину синусоидального рельефа. Наклон боковых стенок рельефа не должен нарушать ПВО от грани, на которой выполнен рельеф. Оценки показывают, что для параметров приведенного выше численного примера и значении длины волны λ=0,5 мкм наклон имеет приемлемое значение при амплитуде рельефа 17 не более приблизительно 30,0 нм. Для вывода излучения может быть использована другая фазовая дифракционная решетка на другой из граней 22 призмы 18. При оптимальных параметрах фазовой решетки можно получить одномодовую работу устройства, иметь в спектре пропускания единственную линию с шириной, обеспечиваемой резонатором с бегущей волной, и свободной спектральной областью, обеспечиваемой фазовой решеткой; ширина свободной спектральной области может доходить до октавы.
На фиг.6 элементом ввода-вывода излучения является фазовая дифракционная решетка, выполненная в виде периодической пространственной модуляции показателя преломления одной из граней четырехгранной призмы 22, шаг решетки равен d. Здесь 23 - участки грани, в которые методом диффузии или другим известным методом введены примеси, изменившие значения показателя преломления в местах введения.
На фиг.7 элементом ввода-вывода излучения является фазовая дифракционная решетка, выполненная в виде синусоидального рельефа 24 на слое 25, расположенном на одной из граней четырехгранной призмы 26, шаг решетки равен d.
На фиг.8 элементом ввода-вывода излучения является фазовая дифракционная решетка, выполненная в виде периодической пространственной модуляции показателя преломления на слое 27, расположенном на одной из граней четырехгранной призмы 28, шаг решетки равен d. Здесь 29 - участки слоя 27, в которые методом диффузии или другим известным методом введены примеси, изменившие значения показателя преломления в местах введения.
Для изготовления устройства по изобретению используются материалы и технология, применяемые в оптической промышленности. Важным является изготовление оптических поверхностей резонатора и призм с высокой степенью плоскостности (или сферичности), соответствующей расходимости используемого излучения.
Приведенные объяснения показывают, что выполнение поставленной задачи может быть обеспечено описанными техническими решениями.
Техническим результатом изобретения является создание оптического резонатора с увеличенным на порядки величины значением добротности.
Изобретение может использоваться в оптике и оптоэлектронике - в качестве узкополосного светофильтра, в качестве резонатора лазерных излучателей с уменьшенной шириной линии излучения.