Улучшение спектральных и пространственных характеристик излучения

При формировании требований к параметрам лазерных источников излучения, применяемых в составе АОП, а также в подразд. 2.2, было показано, что при ширине спектральной линии излучения, равной всего 0,2 нм, так называемая «спектральная» расходимость светового пучка в пространстве за дефлектором может превысить дифракционную и при AO-взаимодействии приобрести дополнительную асимметрию, что ведет к искажениям аппаратной функции.

Так как выпускаемые в настоящее время лазерные модули широкого потребления обладают шириной спектральной линии значительно большей требуемой (порядка 1 нм), то немалое значение приобретает задача обужения спектра излучения лазера.

Одним из решений задачи спектральной селекции лазерного излучения может стать применение в составе АОП внешнего, по отношению к лазеру, интерференционного спектрального фильтра на основе эталона Фабри-Перо. Рассмотрим этот вариант подробнее.

Существует два основных типа интерферометров (эталонов) Фабри-Перо (ИФП): твердотельные, которые представляют собой плоскопараллельную стеклянную пластинку с нанесенными на ее обеих сторонах высокоотражающими покрытиями, и эталоны с воздушным промежутком, в которых между зеркалами находится воздух, либо иной газ. Данный элемент применительно к АОП желательно помещать в параллельном лазерном пучке, а именно в пространстве между лазерным модулем и дефлектором или даже первой линзой.

Рассмотрим ИФП, образованный плоскопараллельным слоем диэлектрика толщиной d с показателем преломления п, заключенным между двумя идентичными отражающими слоями (рис. 4.28).

Рис. 4.28.

На эту конструкцию, в общем случае наклонно под углом 0, падает плоская световая волна с амплитудой ЕоПри однократном прохождении элемента амплитуда волны приобретает значение

где t — амплитудный коэффициент пропускания отражающих слоев, v — частота световой волны, с — скорость света в вакууме.

Часть света, дважды отразившись от границ диэлектрического слоя, выходит из него с амплитудой Е₂ = r²t²E₀e^_^^4>, где г — амплитудный коэффициент отражения. Таким образом, суммарную ампли;

2 2.

туду прошедшего через ИФ11 света (с учетом замены R = r", Т = t — энергетические коэффициенты отражения и пропускания) можно представить в виде.

Выражение (4.36) представляет собой бесконечную геометрическую прогрессию, сумма которой, как известно, равна.

Так как интенсивность (мощность) излучения находится как I = EE^/(2Z_B), где Z_B — волновое сопротивление среды, интенсивность излучения на выходе из эталона приобретает вид.

где 1₀ — интенсивность падающего на эталон излучения. Выражение (4.38) позволяет оценить все основные свойства эталона Фабри-Псро.

На рис. 4.29 приведены спектральные характеристики пропускания ИФП — зависимости (l/I₀) = f (А,₀).

Рис. 4.29.

Они построены для случая нормального падения света (0 = 0), n = 1 и d = 100 мкм при различных коэффициентах отражения R.

Видно, что для достижения высокой избирательности (добротности) необходимо в ИФП использовать отражающие слои с высоким R. Кроме того, от R зависит и контраст функции пропускания, т. е. динамический диапазон фильтрации эталона.

Из (4.38) следует, что максимальное значение I имеет место при sin (cp) = 0, а минимальное — при sin (cp) = 1, так что динамический диапазон (ДД) фильтрации будет равняться (в дБ).

На рис. 4.30 показана зависимость D,=f®.

Рис. 4.30.

Из (4.39) можно выразить и коэффициент отражения R, необходимый для достижения заданного ДД:

где D₀ — ДД в разах.

Из (4.38) находим частотный разнос между полосами пропускания или в длинах волн:

Ширина линии пропускания 8Х также находится из (4.38). Выражения для 8Х имеют вид.

При достаточно больших R арксинус допустимо приравнять к его аргументу, откуда получаем.

Отметим еще одно полезное на практике свойство ИФП. Допустим, произведен расчет эталона на некоторую длину волны (Хо), но изза погрешностей изготовления длина волны максимума пропускания ИФП отличается от расчетной. Настроиться на нужную Х<) можно поворотом ИФП, при котором происходит плавное перемещение полос пропускания. На рис. 4.31 приведены спектральные характеристики при различных углах поворота ИФП (n = 1; R = 0,8; d = 100 мкм).

На рис. 4.32 показана зависимость длины волны максимума одной из фиксированных полос пропускания ИФП от угла его поворота. При повороте происходит также и изменения параметров ДХ и 5Х, но эти изменения настолько ничтожны, что ими можно пренебречь.

Рис. 4.31.

Рис. 4.32.

На основе вышеизложенного можно предложить алгоритм расчета ИФБ с исходными данными (числовые результаты приведены для ИФП с воздушным зазором п=1): длина волны лазера 7₀ = 657 нм, ширина линии излучения лазера 57₀ = 1 нм, динамический диапазон фильтрации D) = 30 дБ, при этом ширина спектральной линии излучения на выходе из ИФП 87 нс должна превышать 0,2 нм по уровню 0,1.

1. По известным 7₀ и 67<), учитывая, что расстояние между полосами пропускания нужно брать с запасом по отношению к ширине линии излучения лазера (допустим Д7 = 2−3 87₀), из выражения (4.41) находим толщину эталона при нормальном его расположении (0 = 0):

2. Из выражения , где С (х) обозначает целую часть от х, р — номер полосы пропускания (моды), находим уточненное значение толщины: мкм.

3. Из (4.40) находим.

4. По формуле (4.42) проверяем.

нм — условие 67. < 0,2 нм выполняется.

Что касается пространственных характеристик излучения, то улучшить их, по-видимому, возможно, воздействуя на лазерный пучок оптическими элементами, называемыми пространственными модуляторами света (ПМС).

Одним из вариантов ПМС может служить голографическая пластинка, записанная при участии «идеального» опорного излучения, другим — управляемые ПМС на жидких кристаллах, работающие как в проходящем, так и в отраженном свете. Такие модуляторы бывают двумерными и одномерными, оказывающими воздействие и на амплитуду, и на фазу излучения (см. раздел 2.2.4).

В качестве примера можно привести ПМС фирмы.

" Boulder Nonlinear Systems" [78], схема активной области одного из которых (отражательного) приведена на рис. 4.33, а основные параметры — в таблице.

Рис. 4.33.