Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 58
Текст из файла (страница 58)
Известно, что астронавты установили систему трехгранных зеркал на Луне. Такая система отражает лазерное излучение видимого диапазона, отправляемое с наземной станции, и позволяет на основе измерений времени прохождения лучей определить точное расстояние между Луной и Землей. Матрицы из трехгранных зеркал используются также в качестве задних отражателей света в дорожно-транспортном движении (речь идет о катафотах), а в лазерной технике такие устройства применяют в целях так называемого псевдофазового сопряжения.
Однако элементы такого рода не создают фазосопряженного волнового фронта, а лишь обеспечивают локальную обратимость направления его распространения. На принципе полного внутреннего отражения основано и действие световода в стекловолокнах (см. п.12.5). Дисперсия Показатель преломления оптических сред зависит от длины волны света. В видимой области спектра показатель преломления возрастает с уменьшением длины волны: синий свет оказывается сильнее преломленным, чем красный (см. таблицу!4.1 и рис. 2.15). В случае призм согласно рис.
18.5 подобная дисперсия приводит к спектральному разложению света. 14.2. Металлические зеркала Более сложным представляется описание процесса отражения от металлических поверхностей. При линейной поляризации наклонно падающего света отраженный луч может быть эллиптически поляризован. Неотраженная часть света поглощается зеркалом, что может стать причиной разрушения его поверхности. Высокие коэффициенты отражения 99 % имеют место в инфракрасном диапазоне; в видимой области спектра достигается от 95 до 98 % (см, таблицу 14.2).
Металлизированные ~21 ° Г 14 Зр зеркала нередко получают методом напыления на стеклянные подложки, после чего обычно они еще снабжаются защитным покрытием (например, слоями Мйр, и Б!02) таблнла 14.2. Коэффициент отражения к от металлов 14.3. Диэлектрические многослойные зеркала Путем нанесения тонких слоев на оптические поверхности удается значительно изменять отражающие свойства.
Интерференции на этих слоях способствуют повышению или понижению отражающей способности. При этом используются просветные, или прозрачные слои, именуемые диэлектрическими. Показатели преломления разных напыляемых веществ, применяемых для изготовления тонких диэлектрических зеркал, наглядно представлены в таблице 14.3.
тая ца з4.з. Показатели преломления некоторых напыляемых веществ. Приведенные значения отличаются от показателей преломления компактных сред и зависят также от способа изготовления зеркал Протиеоотражение (просветление) Как показано на рис. 14.2 и 14. 3, на границе раздела стекло/воздух при нормальном падении луча отражается около 4 % излучения. При напылении диэлектрического слоя с оптической плотностью: пд = Х/4 (14.7) можно уменьшить или даже полностью исключить отражение для специальной длины волны Х.
Просветление достигается на основе интерференции волн, отраженных от передней и задней сторон четвертьволнового (Х/4)-слоя. В результате нз. а р ° ю. ° р а7ан) того, что п,<п <п„происходит отражение в среде более высокой плотности. В обоих случаях отмечается одинаковый скачок фазы я. В силу геометрической разности хода обе волны после отражения сдвинуты на половину своей длины (Х/2). Если обе амплитуды равны, наложение двух отраженных волн дает в итоге нуль. Для этого показатель преломления слоя и должен занимать промежуточное положение между показателем преломления воздуха (и,) и показателем преломления стекла (и,).
При нормальном падении луча в отношении коэффициентов отражения действительно следующее: (14.8) При л =,/и,л, (14.9) коэффициент отражения будет равен нулю. Для достижения просветления используется, например, соединение М8Е, (л = 1,38), ранее успешно применяли также криолит (ХазА1Рм и = 1,33).
Один слой рассчитан на просветление (с шириной полосы в несколько сотен нанометров) только для одной длины волны. Часто линзы покрываются четвертьволновыми (Х/4)-слоями из М8Еи причем условие согласно уравнению (14.9) лишь приблизительно выполняется во всей видимой области спектра. В этом случае получают при и, = 1,6 просветление до 1 %, причем в значительной степени независимо от длины волны. 92 в Х й о В вв о о.
94 Во 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 Длина волны, нм Рве. 14.6. Уменьшение отражения стеклянной пластинки из ВК7 с двухслойным просветлением одной и обеих сторон. Остаточное отражение при 1064 нм, например, меньше 0 2 % (измерение К Шарфенорта, Институт оптики при Берлинском техническом университете) Однако не у всех стекол или иных оптических сред удается подобрать идеальное вещество для покрытия с подходящим показателем преломления согласно (276 Г !4. Зр (14 9). В этих случаях для уменьшения отражения можно использовать два слоя ( рис. 14.6).
Верхний, обращенный к воздуху слой имеет меньший (чем у подложки) показатель преломления, а нижний слой, лежащий непосредственно на подложке, — больший показатель преломления, чем у самой подложки. В этом случае складывающееся из коэффициентов отражения напряженности поля полное (с учетом многократного) отражение от отдельных границ раздела г, = (л, — л')/(и, + п), г, = (л' — и)/п' + и), г, = (и — я)Яп + л) дает нуль — с учетом разности фаз Ь! и Л, обоих слоев: г +г 'з!+г 'и "~'=О. (14. 1О) м я В комплексной числовой плоскости это уравнение представляет собой треугольник с длинами сторон~ г, Ц г,~ и~ г,~. Условие касательно показателей прелом ления л' и л уже не является уравнением, как (14.9).
Более того, теперь достаточно выполнения неравенств: 1 г ! <! г ~ +! г 1, ! г ! <! г ! +! г 1, ! г ! <~ г ! +~ г ) (!4.11) Эти неравенства треугольника довольно легко реализовать на практике. По заданным показателям преломления слоев я, и л, вычисляются с!, и з, из углов треугольника, образующего уравнение (14.10) в комплексной числовой плоскости; последнюю получают на основе теоремы косинусов из длин сторон~ г,Ц г,~ и~ г,~. Лазерные зеркала Коэффициент отражения Я частично пропускающего (полупрозрачного) зеркала связан с пропусканием Т и поглощением А, включающим в себя и рассеяние, а именно таким образом: Я+ Т+ А=1.
(14.12) Важным требованием, в частности, в отношении выходных зеркал лазера является то, что они должны быть по возможности не поглощающими, то есть с А « Т. Поглощение в зеркале означает потерю, из-за которой происходит гашение части генерированной мощности лазера. В случае высоких мощностей поглощение может привести к нагреванию и даже разрушению зеркала. Металлические зеркала (см. таблицу 14.2) имеют в инфракрасном диапазоне коэффициенты отражения выше 99 % Особенно в видимой области спектра фактор поглощения представляет столь серьезную проблему, что в качестве лазерных зеркал редко используются исполнения из металла.
Зеркала с малыми потерями и высоким коэффициентом отражения могут состоять из уложенных в пачку четвертьволновых (Х/4)-слоев. Даже один диэлектрический слой на подложке способен заметно повысить отражение. Для уменьшения же отражения слой должен обладать показателем преломления и, превышающим показатель преломления стекла. В результате удается избежать скачка фазы на границе раздела между этим слоем и стеклом, в то время как на граничной поверхности воздух/стекло такой скачок происходит со значением п. При этом общая разность хода обеих отраженных волн есть Х, так что они конструктивно накладываются друг на друга.
Так, слой из Уп$ (л = 2,3) с высоким показателем преломления повышает коэффициент отражения стекла (л, = 1,5) с 4% до выше 30% в диапазоне 300 нм. Более высокие коэффициенты отражения около 99 % достигаются с помощью многослойных зеркал, способных функционировать практически без потерь. Они состоят из прозрачных слоев, попеременно с высоким и низким показателями преломления, с оптической толщиной нИ=в'И' =) /4, размещенных на одной подложке ( рис. 14.7).
Конструктивное наложение отраженных от границ раздела световых волн дает при большом числе слоев высокий коэффициент отражения. ЗУ4п ХГ4о' Рае. 14.7. Структура многослойного зеркала Коэффициент отражения многослойного зеркала при длине центральной волны в зависимости от показателей преломления слоев л, л'/л > и') подложки п, и воздуха л,, а также в зависимости от числа слоев с низким показателем преломления т, для нормального падения света можно выразить примерно через: (14.13) Я= ' ' ', ' =1-4 Общее число слоев — нечетное: (с=2т+ 1.
(14.14) На рис. 14.8 приведен пример коэффициента отражения пакета слоев Та,О,-510, на стекле в зависимости от числа слоев )с. При большом числе слоев отражение приближается к 100 % ввиду свойственного таким слоям малого поглощения. Могут достигаться коэффициенты отражения выше 99,99 %, причем этот показатель сильно зависит от длины волны, как это видно нз рис. 14.9 и 14.10. Максимальное отражение отмечается для длины Х центральной волны, при которой оптическая толщина слоя прямо отвечает четвертьволновому (Х/4)- условию.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
