RU2219570C2

RU2219570C2 - Phase-shifting reflection element

Info

Publication number: RU2219570C2
Application number: RU2001124318A
Authority: RU
Inventors: В.Г. Низьев; А.В. Нестеров
Original assignee: Институт проблем лазерных и информационных технологий
Priority date: 2001-08-31
Filing date: 2001-08-31
Publication date: 2003-12-20

Abstract

FIELD: laser optics, specifically, conversion of coherent radiation outside of resonator. SUBSTANCE: phase-shifting reflection element demonstrating high reflection factor and radiation stability comes in the form of reflection diffraction grating with rectangular shape of lines. Period T is less than length λ of radiation wave, width d and height h of protrusions of relief are established by formula

Description

Изобретение относится к области лазерной оптики, более конкретно к внерезонаторному преобразованию когерентного излучения. The invention relates to the field of laser optics, and more particularly to non-resonant conversion of coherent radiation.

Известно устройство [1] (прототип) для преобразования линейной поляризации излучения, выходящего из лазера, в круговую. Он представляет собой фазосдвигающий элемент λ/4, осуществляющий четвертьволновой сдвиг фазы между ортогональными линейно поляризованными составляющими оптического излучения. Такие элементы изготавливаются по технологии многослойного напыления диэлектрических слоев на подложку. A device [1] (prototype) is known for converting linear polarization of radiation exiting from a laser into circular. It is a phase-shifting element λ / 4, performing a quarter-wave phase shift between the orthogonal linearly polarized components of the optical radiation. Such elements are made by the technology of multilayer deposition of dielectric layers on a substrate.

Недостатком такого устройства является то, что лучевая стойкость таких элементов невысока, что создает проблемы их использования в лазерах с высокой выходной мощностью. The disadvantage of this device is that the radiation resistance of such elements is low, which creates problems for their use in lasers with high output power.

Техническая задача изобретения - создание фазосдвигающего отражательного элемента, имеющего высокий коэффициент отражения и лучевую стойкость. The technical task of the invention is the creation of a phase-shifting reflective element having a high reflection coefficient and radiation resistance.

Указанная задача достигается тем, что фазосдвигающий отражательный элемент, выполнен в виде отражательной дифракционной решетки с прямоугольной формой штрихов, с периодом Т меньше длины волны излучения λ, ширина d и высота h выступов рельефа определяются по формуле

где Δ - требуемый фазовый сдвиг, γ - угол падения луча на элемент. Для создания фазосдвигающего элемента λ/4, работающего под углом 45^o к падающему излучению (угол падения луча на элемент 45^o), ширина d и высота h выступов рельефа определяются по формуле

Для создания фазосдвигающего элемента λ/2, работающего под углом 45^o к падающему излучению (угол падения луча на элемент 45^o), ширина d и высота h выступов рельефа определяются по формуле

Сущность изобретения иллюстрируется на фиг.1-5.This task is achieved by the fact that the phase-shifting reflective element is made in the form of a reflective diffraction grating with a rectangular shape of strokes, with a period T less than the radiation wavelength λ, the width d and the height h of the relief projections are determined by the formula

where Δ is the required phase shift, γ is the angle of incidence of the beam on the element. To create a phase-shifting element λ / 4, operating at an angle of 45 ^o to the incident radiation (angle of incidence of the beam on the element 45 ^o ), the width d and the height h of the relief projections are determined by the formula

To create a phase-shifting element λ / 2, operating at an angle of 45 ^o to the incident radiation (angle of incidence of the beam on the element 45 ^o ), the width d and the height h of the relief projections are determined by the formula

The invention is illustrated in Fig.1-5.

Фазосдвигающий отражательный элемент выполнен в виде отражательной дифракционной решетки с прямоугольной формой штрихов фиг.1. Период Т меньше длины волны излучения λ, ширина d и высота h выступов рельефа определяются по формуле

где Δ - требуемый фазовый сдвиг, γ - угол падения луча на элемент фиг.2. На фиг.3-5 показан ход лучей при параллельной и перпендикулярной ориентациях вектора электрического поля относительно штрихов решетки.The phase-shifting reflective element is made in the form of a reflective diffraction grating with a rectangular shape of the strokes of figure 1. The period T is less than the radiation wavelength λ, the width d and the height h of the relief protrusions are determined by the formula

where Δ is the required phase shift, γ is the angle of incidence of the beam on the element of figure 2. Figure 3-5 shows the path of the rays in parallel and perpendicular orientations of the vector of the electric field relative to the strokes of the lattice.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

В предлагаемом оптическом элементе отражательная дифракционная решетка имеет период меньше длины волны излучения. В этом случае эта структура эквивалентна однородному оптическому слою, толщина которого равна высоте штрихов. Однако оптические параметры этого слоя различны для излучения с вектором электрического поля вдоль линий рельефа и для излучения с вектором электрического поля поперек линий рельефа. Эквивалентные параметры слоя (диэлектрическая проницаемость ε_∥, ε_┴ и показатель преломления n_∥ = ε $\binom{1/2}{∥}$ , n_┴ = ε $\binom{1/2}{┴}$ ) определяются известными соотношениями для электромагнитных волн на границе раздела двух сред. В нашем случае это воздух и металл, входящие в состав слоя. Общие формулы для ε_∥, ε_┴ имеют вид

Здесь

- диэлектрическая проницаемость воздуха и нанесенного материала соответственно;

d - ширина впадин (воздушных промежутков) и выступов (металлических полосок) соответственно; Т - период. Для воздуха

для металла ε>>1 и формулы сильно упрощаются
ε_∥ = ε•d/T; ε_┴ = T/(T-d) (2)
Известно, что ε для металла превышает ε для диэлектриков на несколько порядков, что и определяет высокие отражательные свойства металла [2]. Величина ε_∥ по формуле остается большой, поэтому излучение с вектором Е, параллельным штрихам решетки, отражается от верхней поверхности штрихов практически как от гладкой поверхности металла, фиг.3.In the proposed optical element, the reflective diffraction grating has a period shorter than the radiation wavelength. In this case, this structure is equivalent to a homogeneous optical layer whose thickness is equal to the height of the strokes. However, the optical parameters of this layer are different for radiation with an electric field vector along the relief lines and for radiation with an electric field vector across the relief lines. Equivalent layer parameters (permittivity ε _∥ , ε _┴ and refractive index n _∥ = ε

\binom{1/2}{∥}

, n _┴ = ε

\binom{1/2}{┴}

) are determined by the known relations for electromagnetic waves at the interface between two media. In our case, this is air and metal, which are part of the layer. The general formulas for ε _∥ , ε _┴ have the form

Here

- dielectric constant of air and deposited material, respectively;

d is the width of the depressions (air gaps) and protrusions (metal strips), respectively; T is the period. For air

for metal ε >> 1 and the formulas are greatly simplified
ε _∥ = ε • d / T; ε _┴ = T / (Td) (2)
It is known that ε for metal exceeds ε for dielectrics by several orders of magnitude, which determines the high reflective properties of the metal [2]. The value ε _∥ according to the formula remains large, therefore radiation with the vector E parallel to the grating strokes is reflected from the upper surface of the strokes almost as from a smooth metal surface, Fig. 3.

Для поляризации с вектором Е, перпендикулярным линиям рельефа, ε_┴ мало и сильно зависит от выбираемых параметров рельефа. Такое излучение проходит через слой и отражается от дна впадин, фиг.4. Оптическая разность хода для этих двух поляризаций, как это видно из фиг.5, определяется по законам преломления

После преобразований (3) с учетом (2) получим уравнение, связывающее d и h:

Для создания фазосдвигающего элемента λ/4, работающего под углом 45^o к падающему излучению (угол падения луча на элемент 45^o), ширина d и высота h выступов рельефа определяются по формуле

Источники информации
1. "Технологические лазеры" Справочник в двух томах под редакцией Г.А. Абильсиитова. Москва: Машиностроение, 1991 г., стр.286.For polarization with the vector E perpendicular to the relief lines, ε _{┴ is} small and strongly depends on the selected relief parameters. Such radiation passes through the layer and is reflected from the bottom of the depressions, Fig. 4. The optical path difference for these two polarizations, as can be seen from figure 5, is determined by the laws of refraction

After transformations (3), taking into account (2), we obtain the equation relating d and h:

To create a phase-shifting element λ / 4, operating at an angle of 45 ^o to the incident radiation (angle of incidence of the beam on the element 45 ^o ), the width d and the height h of the relief projections are determined by the formula

Sources of information
1. "Technological lasers" Handbook in two volumes edited by G.A. Abilciitova. Moscow: Engineering, 1991, p. 286.

2. Б.М.Яворский и А.А.Детлаф "Справочник по физике" Москва: Наука, 1974 г., стр.594. 2. B. M. Yavorsky and A. A. Detlaf "Handbook of Physics" Moscow: Nauka, 1974, p. 594.

Claims

1. Phase-shifting reflective element, characterized in that it is made in the form of a reflective diffraction grating with a rectangular shape of strokes with a period T less than the radiation wavelength λ, the width d and the height h of the relief protrusions are connected by the formula

,

where Δ is the required phase shift;

γ is the angle of incidence of the beam on the element.

2. The phase-shifting reflective element according to claim 1, characterized in that for the phase shift γ / 4 at an angle of incidence of radiation on the element 45 °, the width d and the height h of the relief projections are related by the formula

.

3. The phase-shifting reflective element according to claim 1, characterized in that for the phase shift λ / 2 at an angle of incidence of radiation on the element 45 °, the width d and the height h of the relief projections are related by the formula

.