СВЕТОДЕЛИТЕЛЬНОЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЕ ПОКРЫТИЕ

СВЕТОДЕЛИТЕЛЬНОЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЕ ПОКРЫТИЕ


RU (11) 2097800 (13) C1

(51) 6 G02B5/28 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.10.2007 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 94035838/28 
(22) Дата подачи заявки: 1994.09.26 
(45) Опубликовано: 1997.11.27 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: D.R.Brok, M.J.Tayloz, S.W.Warren. Труды конференции LE- OS''90, США (4 - 5 ноября 1990). 
(71) Заявитель(и): Научно-исследовательский центр по технологическим лазерам РАН 
(72) Автор(ы): Глебов В.Н.; Малютин А.М. 
(73) Патентообладатель(и): Научно-исследовательский центр по технологическим лазерам РАН 

(54) СВЕТОДЕЛИТЕЛЬНОЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЕ ПОКРЫТИЕ 

Использование: в оптическом приборостроении при получении интерференционных покрытий, в т. ч. при создании выходных зеркал резонаторов мощных технологических СО лазеров. Сущность изобретения: в светоделительном интерференционном покрытии, имеющем вид ПОKrB, где П - подложка из селенида цинка, О - просветляющее покрытие, KrB - внешний слой с высоким значением показателя преломления с переменной толщиной, определяемой законом Kr изменения толщины в зависимости от радиальной координаты, причем толщина внешнего слоя KrB не превышает /4, где - рабочая длина волны, просветляющее покрытие представляет собой конструкцию вида BH, где B - четвертьволновый слой из теллурида германия, H - четвертьволновый слой из пленкообразующего материала с показателем преломления n = 2,2 - 2,7, а внешний слой с переменной толщиной выполнен из теллурида германия. 1 з.п. ф-лы, 4 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к интерференционным покрытиям, и может быть использовано для создания выходных зеркал резонаторов мощных технологических CO2-лазеров.

Одним из важных параметров, определяющих качество обработки изделий лазерной технологией является плотность мощности и минимально возможный размер фокусировки лазерного пучка. Как показано в ряде работ [1-4] одним из возможных средств, уменьшающих расходимость излучения, является применение в резонаторе технологического лазера выходного зеркала со светоделительным (зеркальным) покрытием, имеющим переменный по радиусу коэффициент отражения. Такое покрытие имеет максимальное значение коэффициента отражения в центральной зоне, плавно уменьшающееся в периферийной зоне до минимального значения, близкого к нулю, причем изменение фазы прошедшего (или отраженного) излучения в пределах светоделительного покрытия не должно превышать /2.

Для технологических CO2-лазеров с выходной мощностью излучения более 1 кВт важным параметром резонаторных зеркал является оптическое поглощение, величина которого должна быть пренебрежимо малой. Из-за поглощения части оптической энергии в выходном зеркале, (включая просветляющее и светоделительное покрытия), происходит нагрев зеркала, что приводит к его деформации и, следовательно, искажению фронта излучения. Кроме того, увеличивается тепловая нагрузка на зеркало, что существенно сокращает срок его службы.

В практике производства технологических CO2-лазеров в качестве основания (подложки) выходных резонаторных зеркал зарекомендовал себя селенид цинка (ZnSe), объемное поглощение которого (bv) составляет (3-10)10-4 см-1 в зависимости от качества материала. Оптическое поглощение выходного зеркала включает, кроме объемного поглощения подложки v также поверхностное поглощение двух оптически полированных поверхностей 2 s. Кроме того, соответствующий вклад вносит поглощение интерференционных покрытий, нанесенных на обе поверхности 2 c В свою очередь поглощение интерференционных покрытий зависит от коэффициента поглощения (k) пленкообразующих материалов (ПОМ) и конструкции покрытия. В последнем случае существенным фактором, определяющим достижение минимального поглощения, является оптимальное распределение интенсивности электрического поля в сечении покрытия [5]

В силу достаточного большого коэффициента усиления в резонаторах технологических CO2-лазеров мощностью более 1 кВт, максимально необходимый коэффициент отражения светоделительного покрытия обычно не превышает (60 80)%

Известная конструкция светоделительного покрытия [6] обеспечивающая переменный по радиусу коэффициент отражения, для выходных зеркал CO2-лазеров вида П H B Kr H B где: П подложка из ZnSe, H и B - четвертьволновые на рабочей длине волны слои фторида тория (ThF4) и ZnSe соответственно, Kr закон изменения толщины внешнего слоя ThF4 в зависимости от радиальной координаты зеркала r. Причем, максимальное значение Kr имеет в центральной области (при r 0) и минимальное (близкое к 0) в периферийной области зеркала. В этом случае диапазон изменения толщины внешнего слоя ThF4 не превышает /4, что обеспечивает выполнение условия изменения фазы не более p/2. Такая конструкция светоделительного покрытия обеспечивала максимальный диапазон изменения коэффициента отражения от 1,9 до 82% В периферийной зоне этого покрытия (в силу Kr 0) конструкция приобретает вид П H B B, для которой наличие двух четвертьволновых слоев ZnSe эквивалентно их отсутствию (с точки зрения величины коэффициента отражения), следовательно конструкция эквивалентна просветляющему покрытию вида П H с коэффициентом отражения r 1,9%

Основными недостатками рассмотренного технического решения можно считать следующие: а) повышенное поглощение из-за применения ThF4, имеющего достаточно большой коэффициент поглощения (k (3-4)10-4), а также за счет "лишних" двух четвертьволновых слоев ZnSe в периферийной зоне; б) предъявляются более жесткие требования к точности контроля всех толщин слоев в процессе их нанесения для создания необходимого закона изменения коэффициента отражения; в) сложность технологического процесса нанесения такого покрытия в силу необходимости его прерывания перед и после нанесения слоя ThF4 с переменной толщиной, так как необходима установка а затем изъятие специальной оснастки, обеспечивающей нанесение слоя ThF4 с переменной толщиной.

Известно техническое решение (прототип) [7] в котором светоделительное покрытие с переменным коэффициентом отражения представляет собой конструкцию вида П H Kr B, где: П подложка из ZnSe, H четвертьволновое просветляющее покрытие, B четвертьволновый слой германия с переменной толщиной, определяемой законом K в зависимости от радиальной координаты r. Причем, в центральной области зеркального покрытия Kr 1 и коэффициент отражения максимальный, а в периферийной области Kr 0 и коэффициент отражения становится равным значению отражения просветляющего покрытия. В центральной области светоделительного покрытия коэффициент отражения может достигать 74% а изменение фазы в пределах светоделительного покрытия не превышает p/2.

Основным недостатком этого технического решения является повышенное поглощение в центральной области светоделительного покрытия, что по нашим экспериментальным данным составляет 0,3 0,5% Это объясняется значительной величиной коэффициента поглощения слоя германия, который составляет k (7-20)10-4 [8] Такая величина поглощения ограничивает применение рассмотренного светоделительного покрытия для выходных зеркал резонаторов лазеров мощностью более 1 кВт.

Целью предлагаемого изобретения является уменьшение поглощения при сохранении диапазона изменения коэффициента отражения светоделителя.

Указанная цель достигается тем, что в конструкции вида П KrB, где П - подложка из ZnSe, t просветляющее покрытие, B внешний четвертьволновый слой с высоким показателем преломления с переменной толщиной, определяемой законом Kr, реализующий изменение коэффициента отражения от 1,5% до (68 - 74)% просветляющее покрытие представляет собой конструкцию вида П B H, где B четвертьволновый слой из теллурида германия (GeTe), H четвертьволновый слой из пленкообразующих материалов с показателем преломления n (2,2 2,7), например сульфид цинка (ZnS), сульфид мышьяка As2S3, селенид цинка (ZnSe) или сульфид сурьмы (Sb2S3).

На фиг. 1 условно (в сечении) показана конструкция светоделительного покрытия с переменным по радиусу коэффициентом отражения, соответствующая прототипу; на фиг. 2 графики распределения интенсивности электрического поля в поперечном сечении светоделительного покрытия прототипа; на фиг. 3 - конструкция светоделительного покрытия в соответствии с предлагаемым изобретением; на фиг. 4 графики распределения интенсивности электрического поля в поперечном сечении предложенного решения светоделительного покрытия.

На фиг. 1 представлена конструкция светоделительного покрытия, соответствующая прототипу вида П H Kr B, где: 1 подложка из ZnSe, 2 - просветляющее покрытие из четвертьволнового слоя фторида свинца (PbF2) или фторида висмута (BiF3), имеющего показатель преломления n 1,6 - 1,65, В внешний слой из германия (Ge), имеющий показатель преломления n 4,0, Kr закон изменения толщины внешнего слоя в зависимости от радиальной координаты r (в центре r 0).

На фиг. 2 представлены графики распределения интенсивности электрического поля в поперечном сечении светоделительного покрытия, соответствующего прототипу, где: 1 интенсивность поля в периферийной зоне (при Kr 0), 2 - интенсивность поля в центральной зоне светоделительного покрытия (при Kr1).

На фиг. 3 дана конструкция предложенного светоделительного покрытия с переменным коэффициентом отражения вида П В Н Kr В, где: 1 подложка, на которую нанесено просветляющее покрытие, состоящее из 2 слоя GeTe (n 3,7) и 3 -слоя ZnSe (n 2,4), 4 внешний слой GeTe с переменной толщиной по закону Kr.

На фиг. 4 представлены графики распределения интенсивности электрического поля в поперечном сечении светоделительного покрытия по предлагаемому изобретению, где: 1 интенсивность поля в периферийной зоне (при Kr 0), 2 - в центральной зоне светоделительного покрытия (при Kr 1), 3 для сравнения дано распределение электрического поля в периферийной зоне прототипа.

Предложенное техническое решение имеет следующие существенные отличительные признаки. Первый просветляющее покрытие, являющееся составной частью светоделительного покрытия, выполнено в виде двухслойной четвертьволновой конструкции типа П В Н, в которой слой "В" имеет показатель преломления n 3,7 а слой "Н" имеет показатель преломления n (2,2 2,7). Хотя четвертьволновые двухслойные просветляющие покрытия известны, их использование в составе светоделительных покрытий с переменным коэффициентом отражения в доступной патентной и технической литературе не известно. Существенным преимуществом такой двухслойной конструкции по сравнению с прототипом является значительное снижение интенсивности электрического поля, что очевидно из сравнения графиков на фиг. 2 и фиг. 4. Второй выбранный диапазон значений показателя преломления слоя "Н" (n 2,2 2,7) обоснован следующими соображениями. С одной стороны, это позволяет получать предельно минимальное значение коэффициента отражения преломляющего покрытия (в периферийной зоне) не более 1,5% что во многих случаях удовлетворительно. С другой стороны, это позволяет реализовать достаточно большие величины коэффициента отражения в центральной зоне светоделительного покрытия, например 68,5% для Sb2S3 (n 2,7) и 78% для ZnS (n 2,2). Кроме того, указанные ПОМ ZnS, As2S3, ZnSe и Sb2S3 имеют малые величины коэффициента поглощения k (0,1 -2,0)10-4 [9] и обладают удовлетворительными эксплуатационными характеристиками для применения в составе выходных зеркал мощных технологических CO2-лазеров. Третий в качестве пленкообразующего ПОМ с высоким значением показателя преломления используется теллурид германия, имеющий по результатам наших исследований показатель преломления n 3,7 и коэффициент поглощения k 210-4. GeTe незначительно отличается от Ge по показателю преломления, однако имеет коэффициент поглощения в 5 10 раз меньше при удовлетворительных эксплуатационных характеристиках.

Рассмотренные отличительные признаки образуют новую совокупность признаков, неизвестную в патентной и технической литературе.

Предложенное техническое решение реализуется следующим путем. В качестве исходных данных для изготовления светоделительного покрытия для выходного зеркала резонатора должны быть известны геометрические размеры подложки из ZnSe и закон изменения толщины Kr внешнего слоя из GeTe, который может быть получен как расчетным, так и экспериментальным путем, исходя из требуемого закона изменения коэффициента отражения зеркала f(r). Светоделительное покрытие такого типа может быть нанесено на подложку методом термического испарения и конденсации в вакууме в два этапа. Первый этап наносят просветляющее покрытие вида П В Н, при этом сначала наносят на подложку четвертьволновой на рабочей длине волны слой GeTe, а затем четвертьволновой слой из ПОМ ZnS, As2S3, ZnSe или Sb2S3. Второй этап наносят внешний слой GeTe с переменной толщиной, используя необходимую оснастку, формирующую нужное распределение слоя по толщине. После нанесения покрытия производят контроль коэффициента отражения светоделительного покрытия по координате r на соответствие с заданным законом.

Практически нами было изготовлено выходное зеркало для технологического CO2-лазера "Лантан-3М". Зеркало представляло собой оптически полированную подложку из ZnSe 60х6 мм, на входную грань которой было нанесено просветляющее покрытие вида П В Н из четвертьволновых слоев GeTe и ZnSe, которое уменьшает потери подложки на отражение величины 0,2% Затем на другую грань было нанесено светоделительное покрытие с переменным по радиусу коэффициентом отражения вида П В Н Kr B, состоящее из просветляющего покрытия П В Н из четвертьволновых слоев GeTe и ZnSe и внешнего слоя GeTe с переменной толщиной. Закон изменения толщины слоя Kr был экспериментально определен в процессе подбора параметров специальной оснастки (маски) для обеспечения необходимого закона изменения коэффициента отражения близкого к супергауссову. Все покрытия наносились термическим испарением в вакууме на отечественной вакуумной установке ВУ-2М.

Были достигнуты следующие характеристики выходного зеркала. Просветляющее покрытие на выходной грани вида П В Н имело коэффициент отражения 0,2% поглощение b 0,02% Светоделительное покрытие имело в периферийной зоне коэффициент отражения r0,2% в центральной зоне коэффициент отражения составил r 72% а поглощение b 0,03% Суммарное поглощение выходного зеркала, включающее объемное и поверхностное поглощения подложки, поглощения покрытий с обеих граней, составило bS 0,17% что соответствует требованиям, предъявляемым для работы в условиях воздействия мощных лазерных пучков. Таким образом, предложенное светоделительное покрытие имело поглощение по крайней мере в 10 раз меньше по сравнению с прототипом. Изготовленное нами выходное зеркало было успешно испытано на лазере "Лантан-5" при выходной мощности до 5 кВт в непрерывном режиме, при этом достигалась расходимость излучения не более 0,6 мрад [10]

Источники информации

1. Кузнецов М.Н. Куликов О.Л. //Квантовая электроника, т. 18, N 6, 1991, c. 697.

2. De Silvestri S. et. al.//IEEE J. Guantum Electron 26, 1500 (1990).

3. Шерстобитов В.Н. Винокуров Г.Н. //Квантовая электроника, N 3(9), 36 1972.

4. Lavique P. McCarthy N. Demers J.G. //Appl. Optics, 2, 2581, 1985.

5. Oded Arnon //Appl. Optics, v.16, N 8, 2147, 1977.

6. Emiliani G. at. al. //Appl. Optics, v.28, N 14, 2832, 1989.

7. Brock D.R. Taylor M.Z. Warren S.W. //Труды конференции LEOS, 90, США, (4 9 ноября 1990.

8. Глебов В.Н. Малютин А.М. Якунин В.П. //Оптический журнал, 1992, N 4, с.32.

9. Takeo Miyata //SPIE, v.660, 131, 1986.

10. Генералов Н.А. Зимаков В.П. и др. //Оптика лазеров-93. С-Петербург: ВНЦ ГОИ им. С.И. Вавилова, т.1, 1993, с.277. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



1. Светоделительное интерференционное покрытие с переменным коэффициентом отражения для выходных зеркал резонаторов, имеющее вид ПОКrВ, где П подложка из селенида цинка, О просветляющее покрытие, КrВ внешний слой с высоким значением показателя преломления с переменной толщиной, определяемой законом Кr изменения толщины в зависимости от радиальной координаты, причем толщина внешнего слоя КrВ не превышает /4, где - рабочая длина волны, отличающееся тем, что просветляющее покрытие представляет собой конструкцию вида ВН, где В четвертьволновый слой из теллурида германия, Н четвертьволновый слой из пленкообразующего материала с показателем преломления n 2,2 2,7, а внешний слой с переменной толщиной выполнен из теллурида германия.

2. Покрытие по п.1, отличающееся тем, что материал с показателем преломления n 2,2 2,7 представляет собой сульфид цинка, или сульфид мышьяка, или селенид цинка, или сульфид сурьмы.


ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к лазерным квантовым генераторам, а именно лазеры и лазерное оборудование:

- твердотельные полупроводниковые лазеры

- газовые лазеры

- химические лазеры

- практическое применение в промышленности, науке и в быту газовых, твердотельных и химических лазеров.


Лазеры. Лазерное оборудование






СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+газовый -лазер".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "лазер" будут найдены слова "лазеры", "лазерный" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("лазер!").



Рейтинг@Mail.ru