Устройство для импульсной модуляции коэффициента отражения оптического излучения

 

Сущность изобретения: управление коэффициентом отражения от границы раздела твердого тела и молекулярного газа достигается возбуждением молекул газа от дополнительного источника на частоте возбуждения колебательных степеней свободы . 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (saris G 02 Р t/035

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4632491/25 (22) 09.01,89 (46) 30,03.93, Бюл. № 12 (71) Ленинградский государственный университет (72) А.П.Бурцев, С.А.Коротков, А.Г.Полов, П.Ю,Третьяков и Х.Г.Хикматов (56) Harina M., Kojama (. — Electron. Lett, 1981, V.17, ¹ 22, р. 842.

Harina M., Kojama I. — Appl, Optics, 1981, V.21, N 21, р. 3461, Изобретение относится к оптике, а именно к средствам управления параметрами оптического излучения.

Целью изобретения является расширение спектрального диапазона, повышение быстродействия модуляции коэффициента отражения.

На фиг.1 представлено распространение оптического излучения в средах с разной оптической плотностью; на фиг.2— схема устройства; на фиг,3-4 — осциллограммы и кривая изменения коэффициента отражения.

Устройство содержит источник 1 оптического излучения, составную кювету 2, источник 3 оптического импульсного излучения, регулируемый дозатор газа,4, кювета 2 имеет зазор 5, входное окно 6 и. окно 7, укрепленное (установленное) на основании 8 (подвижном), Известно явление полного внутреннего отражения оптического излучения при распространении его из оптически более плотной среды 1 в оптически менее плотную среду 2, т.е. когда и < >nz (фиг.1). Это явление . имеет пороговый характер по величине угла падения О излучения к границе раздела

„„5U „„1805438 А1 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИИ КОЭФФИЦИЕНТА ОТРАЖЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ (57) Сущность изобретения: управление кс— эффициентом отражения от границы раздела твердого тела и молекулярного газа достигается возбуждением молекул газа от дополнительного источника на частоте возбу>кдения колебательных степеней свободы. 1 з.п,ф-лы, 4 ил, двух сред, что приводит к резкому изменению коэффициента отражения излучения при вариации вблизи Оп 0, величина которого on-, пг ределяется по формуле О <>o = arcsin — (1). л1

При этом величина коэффициента отражения

R близка к 100% при Π— 0 поо и меньше 5% при О О neo д, где д = 2,5 для плоскополяризованного излучения, у которого вектор

Е расположен в плоскости падения, п| = (1,41,5), пг = 1.

Как показывает анализ зависимости Вот

Одля углов падения вдиапазоне О 0в- д

О < О цоо, небольшие изменения величины пг приводят к существенной вариации коэффициента отражения излучения. Так, при изменении величины пг от 1 до 0,96(величина п1 при этом фиксирована на уровне 1,4) получаем вариацию коэффициента отражения от

0,1 до 1,Р, угол падения излучения на границу раздела задан при этом О .= 43,68, что соответствует начальному R < 10,00%.

Возможность импульсного управления соотношением п1 и пг базируется на выявленной авторами связи между показателем преломления молекулярных газов, например SFg, в инфракрасной области и запасом

1805438 колебательной энергии молекул этих газов, а также нашими данными по динамике изменения показателя преломления (ПП) SF6 при колебательной накачке коротким импульсом СОг лазера, изменения ПП анализировались в области 10,6 мм, На частотах оптического излучения, попадающих в фиолетовое крыло полосы молекулярного поглощения, имеет место быстрое (за время, меньшее длительности

ИК-импульса, составляющего в экспериментах 1х 10 с) насыщение аномальной дисперсии, т,е. ПП газа приближается к 1 снизу.

Определенная авторами начальная величина разности (пг-1) составила 2,5 х 10 .на 15

Торр га-,à, т.е, при давлении газа 2 атм, имеем начальное значение пг=0,96. Отсутствие инерционности эффекта насыщения аномальной дисперсии позволяет оценить возможное быстродействие .способа, Так, 20 согласно литературным данным сечение поглощения в центре полосы NSFa составляет

4х 10 см . Плотность мощности ИК-излучения на выходе в устройство для модуляции коэффициента отражения ограничена 25 лучевым пробоем предельная интенсивность 1пр для импульсов излучения длительностью 100 нс составляет 50 мВт/см при г уменьшении длительности величина ln> будет расти, При этих условиях можно пол- 30 учить следующую оценку времени насыщения ПП газа z =(о 4О х1) = 10 с. Понятно, что повышенная скорость насыщения требует импульсов, коротких по длительности. В настоящее время разработаны 35 простые методы генерации ИК-импульсов в диапазоне не < 10 с. Как уже отмечалось, изменение величины и от 1 до 0,96 приводит к росту R от 10 до 100 /,. При росте пг от 0,96 до 1 получаем противоположное изменение 40

R (угол падения луча на границу раздела в этом случае устанавливается О = 43,68 ).

Для частоты оптического излучения, попадающей в красное (низкочастотное) крыло полосы молекулярного поглощения, 45 колебательное возбуждение приводит к более сложной относительности случая высокочастотной накачки зависимости ПП газа от степени возбуждения, а следовательно, и времени. В этом случае наблюдается резкая 50 смена знака разности (пг-1). Таким образом, показатель преломления в расчете на 1 атм

SFo падает от 1 03 до 0,95 с последующим далее насыщением к 1.

Пример. Основной пучок ИК-излучения является как анализирующим, так и насыщающим газовую среду, в качестве газа взяли SFo при давлении 0,5 — 2 атм.

Предварительно получили зависимости величины Вот угла падения анализирующего излучения на среду, что осуществлялось с помощью подвижного основания 8 с угловым лимбом, В эксперименте измерялись калориметрами фиксированной части исходного излучения (К1) и энергия отраженного импульса (К2).

Полученные зависимости Вот для давления газа, равного О, а также 1 атм для исходного пучка накачки, а также накачки, ослабленной в 4 5 раза, приведены на фиг.3 (кривые 1,2 соответственно). Эти данные получены на линиях регенерации R(12) и

R(14) лазера на углекиспом газе в области

10,6 мкм. По этим кривым была выбрана область максимальной чувствительности коэффициента отражения R к величине возбуждения (О nm).

Далее проводились эксперименты .с фиксацией во времени входного и отраженного импульсов с помощью скоростных детекторов ИК-излучения на эффекте увеличения носителей фотонами, Обработка полученных осцилограмм позволяет определить динамику изменения и при воздействии ИК-импульса. Образцы полученнь1х осциллограмм и кривая R(z ) приведены на фиг,4.

Для введения пучков в устройство используют усеченную призму (прямоугольную) из фористого бария. Такая конструкция входного окна 6 упрощает реализацию условий для полного внутреннего отражения анализирующего. пучка нэ границе раздела двух сред — материала входного окна и слоя накачки на область, занимаемую первым пучком на границе раздела. Для снижения потерь на отражение входная и выходная границы призмы могут быть просветлены.

Для использования данного устройства в качестве нелинейного зеркала в резонаторе выходная грань призмы должна быть покрыта слоем (диэлектрическим или металлическим).со 100 Д, коэффициентом отражения.

В этом случае величина угла призмы должны быть несколько скорректирована.

Элементы устройства — входное и выходное окна — где в качестве выходного окна применено плоско-параллельное окно из фтористого бария — приклеены эпоксидной смолой к металлической втулке с каналом для подвода газа (фиг.4). Кювета установлена на поворотном столике с угловым нониусом, позволяющим отсчитывать угол поворота вокруг вертикальной оси с точностью 10.

Система подачи газа — регулируемый дозатор — включает ампулу с газом, маном"

1805438 метр для измерения давления газа, отсечной вентиль, подсоединяемый с помощью откачной линии к насосу для создания предварительного разрежения.

Устройство позволяет повысить быстродействие модуляции коэффициента отражения за счет исключения механических перемещений оптических элементов примерно на четыре порядка при одновремен. ном упрощении способа.

Формула изобретения

1. Устройство для импульсной модуляции коэффициента отражения оптического излучения, содержащее оптически связанные входное и выходное окна и неоднородную оптическую среду, коэффициент преломления которой зависитоттемпературы, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения спектрального диапазона и повышения быстродействия, устройство дополнительно содержит импульсный источник излучения накачки, оптически связанный с неоднородной оптической средой, причем неоднородная оптическая среда вы5 полнена в виде прозрачной герметической кюветы с регулируемым дозатором газа, заполненной молекулярным газом и снабженной средством вращения, одна из стенок кюветы выполнена в виде прозрачной усе10 ченной прямоугольной призмы, боковые поверхности которой образуют входное и выходное окна, а источник излучения накачки выполнен так, что частота излучения накачки совпадает с частотой возбуждения

15 колебательных степеней свободы молекулярного газа.

2,Устройство по п,1, отл и ч а ю ще е. с я тем, что в качестве молекулярного газа

20 использован газ SFo при давлении 0,5-2 ат.

1805438

80 120

Щ д д

1805438

ОО

9 с/8; 4

Составитель А.Бурцев

Техред М.Моргентал

Корректор С,Лисина

Редактор

Заказ 941 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГК -IT СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101