Способ отражения лазерных пучков с сохранением поляризации и отражатель на его основе
METHOD FOR REFLECTING LASER BEAMS MAINTAINING THE POLARISATION AND REFLECTOR BASED THEREON

Область техники
Изобретение относится к лазерной оптике, а именно к способам и устройствам отражения лазерного излучения от границы двух сред: изотропной и оптически анизотропной, с сохранением поляризации в поле отражения исходного излучения.
Предшествующий уровень техники
s
p
s
p
Одним из известных простых и доступных способов деления лазерного пучка на несколько пучков является размещение на его пути частично отражающих наклонных оптических поверхностей (US 8760653 B2), от которых пучок отражается в сторону от своего исходного направления. Для этой цели обычно используют оптические пластинки из изотропных материалов, таких как стекла, включая плавленый кварц, а также кристаллы кубической симметрии. Однако, при этом процессе мощности s- и p-поляризационных компонент произвольно поляризованного пучка отражаются с разными коэффициентами отражения, что влечет за собой изменение поляризационного состояния в отраженном пучке. Отсутствие этого изменения можно получить только при нормальном, или очень близком к нему, углу падения пучка. Если коллимированный пучок падает из воздуха под углом а на отражающую поверхность пластинки, то коэффициенты R и R энергетического отражения s- и p-компонент вычисляются по известным формулам Френеля, [1]. Соответствующие функции угловых зависимостей R(α) и R(α) при α=0° имеют одно общее значение
s
р
где n есть индекс преломления материала пластинки. Это означает, что отражение с сохранением отношения мощностей P/Р лазерных компонент в пучке, возможно только при нормальном, или очень близком к нему, падении света на отражающую поверхность оптического материала. На практике это весьма неудобно, поскольку трудно, не затеняя основной пучок, размещать реальное оборудование как для прямого использования отраженного пучка, так и для исследования исходного пучка по его копии в поле отражения.
Настоящее изобретение лишено указанных выше недостатков.
Раскрытие изобретения
Предлагается способ отражения коллимированного лазерного пучка и соответствующее отражательное устройство (отражатель), обеспечивающие частичное по амплитуде отражение пучка на значительные углы с равным соотношением мощностей поляризационных s- и p-компонент в исходном и отраженном лазерных пучках после отражения от границы раздела двух сред - изотропной и оптически анизотропной. В частности, в качестве изотропной среды рассматривается воздух, а в качестве анизотропной - двулучепреломляющий кристалл с определенной кристаллофизической ориентацией (т.е. с определенной ориентацией осей оптической индикатрисы). Способ реализуется при падении произвольно поляризованного пучка под определенным, характерным для данного двулучепреломляющего кристалла и его ориентации, углом на плоский полированный участок его поверхности. Для реализации предлагаемого способа можно применять практически любые стабильные оптически прозрачные кристаллы, кроме кристаллов кубической симметрии, поскольку последние оптически изотропны и не обладают двулучепреломлением.
Техническим результатом настоящего изобретения является сохранение поляризационного состояния исходного лазерного пучка в отраженном пучке, а именно, сохранение неизменным отношения мощностей поляризационных s- и p-компонент исходного излучения в пучке, отраженном на достаточно большой удвоенный угол падения от границы раздела упомянутых сред. Предложен ряд доступных и наиболее удобных для изготовления соответствующих отражателей стабильных, оптически одноосных кристаллов.
s
p
Существенно, что в основном пункте изобретения предлагается способ отражения лазерного коллимированного пучка излучения, падающего из воздуха на плоскую полированную поверхность оптически прозрачной среды, отличающийся тем, что в отраженной части исходного падающего пучка сохраняется отношение мощностей его ортогонально поляризованных s- и p-компонент, при этом в качестве прозрачной среды используют двулучепреломляющий кристалл с кристаллофизической ориентацией такой, чтобы нашелся характерный для данного, нужным образом ориентированного кристалла угол падения а, при котором два зависящих от угла падения коэффициента энергетического отражения Френеля R(α) и R(α) ортогонально поляризованных s- и p-компонент излучения оказались бы равными.
s
p
Существенно, что другим независимым пунктом изобретения, на основе предложенного способа, является оптическое устройство оптический элемент в виде отражателя коллимированного произвольно поляризованного лазерного пучка, падающего на отражающую поверхность отражателя под острым углом α и частично отражающегося от полированного участка этой поверхности, отличающийся тем, что отражение осуществляют с сохранением поляризации падающего пучка, при этом используя в качестве отражателя двулучепреломляющий кристалл с такой ориентацией кристаллофизических осей, чтобы существовал угол падения α, при котором коэффициенты энергетического отражения Френеля R(α) и R(α) ортогонально поляризованных s- и p-компонент излучения, соответственно, оказались бы равными для данного кристалла и данной его кристаллофизической ориентации.
Другие преимущества и отличительные особенности предложенного изобретения станут очевидными из нижеследующего описания предпочтительных вариантов его осуществления, приведенных со ссылкой на прилагаемые чертежи, что иллюстрируется ниже на фигурах и в их кратком описании.
Краткое описание чертежей
s
p
o
e
s
p
Фиг. 1. Зависимости коэффициентов энергетического отражения R(α) и R(α) от угла падения света α на отражающую грань одноосного отрицательного кристалла с главными индексами преломления N=2.1, N=1.9; (размерность R(α), R(α) - проценты, размерность α - угловые градусы).
s
p
Фиг. 2. Спектральные дисперсионные зависимости углов α падения света на поверхности отрицательных одноосных кристаллов, при которых коэффициенты R и R энергетического отражения Френеля равны; (размерность α - угловые градусы, размерность λ - нанометры).
s
p
Фиг. 3. Спектральные дисперсионные зависимости углов α падения света на поверхности положительных одноосных кристаллов, при которых коэффициенты R и R энергетического отражения Френеля равны; (размерность α - угловые градусы, размерность λ - нанометры).
s
p
2
4
2
4
Фиг. 4. Зависимость угла α (λ=1064 нм) равенства функций R(α) и R(α) от угла v ориентации о/оси относительно нормали грани отражения в плоскости падения для четырех положительных кристаллов: MgF, LiYF, TiO, YVO; (размерности α и ν - угловые градусы).
Осуществление изобретения
s
р
s
p
Итак, главные сущность и новизна изобретения как способа состоит в том, что он позволяет сохранить отношение мощностей P/Р ортогонально поляризованных s- и p-компонент исходного лазерного пучка после отражения на достаточно большие (в сравнении с близкими к нулю) углы от поверхности двулучепреломляющего кристалла. Сохранение этого отношения реализуется при падении света под заранее рассчитанным углом α на плоский участок полированной (без покрытий, в том числе просветляющих) поверхности оптически прозрачного двулучепреломляющего кристалла со специальной ориентацией кристаллофизических осей и, соответственно, при отражении света под тем же углом α от этой поверхности (относительно исходного пучка отраженный свет отклоняется на угол 2α). Угол падения α вычисляется из условия равенства двух зависящих от этого угла коэффициентов энергетического отражения Френеля R(α) и R(α) ортогонально плоско поляризованных s- и p-компонент излучения.
Важно заметить, что из огромного перечня двулучепреломляющих двуосных и одноосных кристаллов рекомендуются для использования, как наиболее удобные для реализации отражателя, одноосные кристаллы. Они могут быть как отрицательными, так и положительными кристаллами.
Существенно, что предложенный способ, отличается тем, что в качестве двулучепреломляющего кристалла используют отрицательный одноосный кристалл, у которого оптическая ось перпендикулярна плоскости падения/отражения лазерного излучения.
Существенно, что предложенный способ, отличается тем, что в качестве двулучепреломляющего кристалла используют положительный одноосный кристалл, у которого оптическая ось параллельна плоскости падения/отражения лазерного излучения.
Существенно, что в предложенном изобретении для реализации способа отражения и изготовления оптического элемента из всех известных двулучепреломляющих кристаллов выбирают, как наиболее удобные для этой цели, следующие одноосные кристаллы:
2
3
2
2
4
2
4
2
4
3
3
3
2
2
4
2
4
2
4
AlO, SiO, MgF, LiYF, α-BaBO, β-BaBO, СаСО, LiNbO, LiTaO, TiO, TeO, YVO и его гомологи, а также кристаллы из групп KHPO, KHAsO и их дейтерированных аналогов.
o
e
Сущность способа удобно продемонстрировать на примере оптически одноосного кристалла. Свет в таком кристалле распространяется в виде двух плоско поляризованных волн. Одна из них, называемая "обыкновенной" волной (о-волной), поляризована перпендикулярно оптической оси (о/оси), а другая - "необыкновенная" волна (е-волна) поляризована в плоскости, содержащей о/ось и волновой вектор волны. Волны характеризуются индексами преломления n, n:
о-волна:
е-волна:
o
e
где N и N - главные (экстремальные) значения индексов преломления; μ - угол между волновым вектором лазерного излучения и о/осью кристалла.
o
e
o
e
Одноосные кристаллы подразделяются на две группы - отрицательные с индексами преломления n≥n и положительные с индексами n≤n.
e
e
Отражение от поверхности одноосного отрицательного кристалла Рассмотрим произвольно поляризованный, коллимированный лазерный пучок (луч), падающий из воздуха под углом а на полированную, плоскую, без покрытий, поверхность оптически одноосного отрицательного кристалла, у которого о/ось перпендикулярна плоскости падения/отражения лазерного луча. При такой ориентации о/оси p-компонента падающего пучка возбудит в кристалле o-волну, а s-компонента е-волну. Поскольку в выбранной конфигурации μ=90°, то фазовая скорость е-волны при любых углах падения в плоскости, перпендикулярной о/оси, определится постоянным индексом преломления n=N. Как следствие, коэффициенты энергетического отражения в этой плоскости будут вычисляться по формулам, внешне похожими на обычные формулы Френеля для изотропных сред, [1], но внутренне отличающимися учитываемыми индексами преломления:
s
e
p
o
где β=arc sin [(sin α)/N], β=arc sin [(sin α)/N].
o
e
s
p
p
s
p
s
s
p
2
3
3
2
4
3
Для отрицательного кристалла, например, с индексами N=2,1 и N=1,9 графики функций R(α) и R(α) изображены на фиг. 1. Особенность этих функций в том, что при α=0° они имеют принципиально несовпадающие значения, т.е. на вертикальной шкале ординат появляются две точки вместо одной. Верхняя точка относится к функции R(α), а нижняя к функции R(α). В результате, кривые R(α) и R(α) пересекаются в точке, соответствующей равенству коэффициентов отражения R=R при угле падения α≈20°. Точный угол α "пересечения" находится из приравнивании выражений (4) и (5). На фиг. 2, в качестве примера, представлены рассчитанные дисперсионные функции этого угла в оптическом диапазоне длин волн для четырех популярных отрицательных кристаллов - сапфира AlO, ниобата лития LiNbO, бората бария α-BaBO и кальцита СаСО.
Отражение от поверхности одноосного положительного кристалла
e
Отличия этого отражения от предыдущего заключаются в другой ориентировке о/оси кристалла и в принципиально ином расчете коэффициента отражения е-волны, учитывающем возникающий в кристалле угол между векторами электрической индукции D и электрического поля Е световой волны. Пусть, как и ранее, неполяризованный лазерный пучок падает из воздуха под углом α на полированную поверхность положительного кристалла, но у которого теперь о/ось параллельна плоскости падения/отражения. При этих условиях p-компонента падающего пучка возбудит в кристалле е-волну, а s-компонента o-волну. Как следствие, коэффициент R(α) энергетического отражения е-волны рассчитывается следующим образом, [2]:
где
v - угол между о/осью и нормалью отражающей грани кристалла.
s
o
Для o-волны коэффициент R(α) отражения Френеля считается стандартно, т.е. как для изотропной среды, характеризуемой коэффициентом преломления N:
s
o
где β=arc sin [(sin α)/N].
e
o
s
p
2
2
4
2
2
4
Пусть положительный кристалл характеризуется значениями главных индексов N=2,1 и N=1,9 и пусть о/ось, "лежащая" в плоскости падения/отражения, дополнительно ориентирована в этой плоскости перпендикулярно (ν=90°) нормали отражающей грани кристалла. В этой конфигурации поведение вычисленных функций R(α) и R(α) оказывается качественно похожим на поведение этих же функций для отрицательных кристаллов, (см. фиг. 1). Иными словами, новые графики тоже пересекаются при угле падения света α≠0. Приравнивание выражений (6) и (7) опять позволяет найти угол α этого "пересечения". На фиг. 3, в качестве примера, представлены дисперсионные функции этого угла в оптическом диапазоне длин волн для шести известных в кристаллооптике положительных кристаллов - кварца SiO, фторида магния MgF, иттрий-фторида лития LiYF, пара-теллурита TeO, рутила TiO и ванадата иттрия YVO.
2
4
2
4
Отметим, что меняя угол v ориентировки о/оси положительного кристалла от нуля до 90° в плоскости падения/отражения, можно подбирать наиболее удобный для конкретной задачи угол α в пределах от нуля до его максимального значения, см. формулу (6). Для иллюстрации последнего на фиг. 4 показаны рассчитанные зависимости углов α "пересечения" от положений о/оси (т.е. от углов ν) в плоскости падения/отражения лазерного (λ=1064 нм) излучения для четырех положительных кристаллов : MgF, LiYF, TiO, YVO.
Сами значения равных коэффициентов отражения:
e
p
R(α)=R(α)=R(α) при вычисленных углах α "пересечения" находятся из уравнений (4-7).
На основе предложенного способа реализуют устройство в виде отражателя, который выполняют в виде клина, образованного двумя полированными поверхностями-гранями, входной и выходной, при этом первая по ходу луча входная грань является основной отражающей гранью, формирующей первый (основной) отраженный пучок с сохраненным состоянием поляризации падающего пучка, а вторая (выходная для проходящего через клин луча) грань формирует второй отраженный пучок, при этом толщина и угол клина выбираются такими, чтобы обеспечить достаточное для использования пространственное угловое разведение отраженных пучков.
Как вариант отражатель выполняют в виде плоско-параллельной пластины, образованной двумя полированными поверхностями-гранями, входной и выходной, при этом первая по ходу луча входная грань является основной отражающей гранью, формирующей первый (основной) отраженный пучок с сохраненным состоянием поляризации падающего пучка, а вторая (выходная для проходящего через пластину луча) грань формирует второй отраженный пучок, при этом толщина пластины выбирается такой, чтобы обеспечить достаточное для использования пространственное разведение параллельных пучков, отраженных от обоих граней.
Существенно, что в случае применения плоско-параллельной пластины с особо малой толщиной вторая (выходная) грань пластины должна быть оптически просветлена (например, интерференционным пленочным напылением) с настолько высоким качеством, чтобы интенсивность отраженного от нее второго пучка была бы пренебрежимо мала в сравнении с интенсивностью первого (основного) отраженного пучка и, таким образом, не могла бы заметно изменить поляризационное состояние первого пучка из-за интерференции двух совмещенных отраженных пучков.
Также существенно, что отражатель может быть выполнен в виде двулучепреломляющего кристалла с шероховатыми неполированными поверхностями, кроме одной полированной, на которую под острым углом падает произвольно поляризованный лазерный пучок и отражается от нее с сохранением поляризационного состояния, при этом размеры кристалла и формы неполированных поверхностей таковы (например, сферы или наклонные плоскости), чтобы интенсивность рассеянного и отраженного от них излучения в направлении отраженного от полированной поверхности пучка была бы настолько мала, чтобы поляризационное состояние отраженного от полированной поверхности пучка не искажалось.
Также существенно, что оптический элемент как отражатель может быть выполнен в виде двулучепреломляющего кристалла с шероховатыми неполированными поверхностями, кроме одной полированной и по меньшей мере одна из неполированных поверхностей погружена в иммерсионную жидкость, подобранную таким образом, чтобы слабое отраженное от границы кристалл-жидкость излучение не влияло на поляризационное состояние отраженного от полированной поверхности пучка. При этом остальные, неполированные поверхности контактируют с иммерсионной изотропной жидкостью (или погружены в нее), объем и свойства которой подобраны таким образом, чтобы прошедшее через полированную поверхность излучение поглощалось в ней, а мощность «остаточного» излучения («остаточного» по причине принципиальной невозможности точного выравнивания двух разных индексов преломления анизотропного кристалла и единственного индекса изотропной жидкости), отраженного от границы «кристалл-жидкость» в направлении отраженного от полированной поверхности пучка, была бы настолько пренебрежимо малой, чтобы не оказывать практического влияния на поляризационное состояние этого отраженного от полированной поверхности пучка.
Источники информации
[1] Дитчберн Р.В. Физическая оптика (Ditchburn R.W., Light), Москва, изд. «Наука», 1965, с. 398-402.
[2] Давыдов Б.Л., Ягодкин Д.И. Компактные призмы для поляризационного разделения пучков волоконных лазеров, «Квантовая Электроника», 2005 г., т. 35, № 11, с. 1064-1070.