Объемные брэгговские решетки в лазерных резонаторах

В статье приводится обзор последних достижений в разработке дифракционных оптических элементов - решеток Брэгга, записанных на фототерморефрактивных (ФТР) стеклах. Группа из колледжа оптики и фотоники при Университете центральной Флориды совместно с компанией OptiGrate представила экспериментальные результаты, отражающие изменения параметров выходного лазерного излучения при использовании брэгговских решеток, записанных на ФТР стекле. 

Голографические решетки, как правило, обеспечивают значительно меньшую интенсивность рассеянного света. Такая решетка может быть установлена под определенным углом блеска, который повышает эффективность в определённом спектральном диапазоне. ФТР стекло, активированное редкоземельными ионами, успешно зарекомендовало себя для записи высокоэффективных объемных голографических оптических элементов, используемых в лазерной технике. К достоинствам стекла (по сравнению с другими голографическими средами), можно отнести высокую механическую и термическую прочность, а также химическую устойчивость.

Фототерморефрактивные стекла

Показатель преломления ФТР стекла слабо зависит от температуры (dn/dT = 5 х 10^-8 1/К), а коэффициент теплового расширения довольно низок по сравнению с другими голографическими материалами (dx/dT = 9.510^-6 1/К). Голограммы, записанные на ФТР стекле, не деградируют со временем, то есть имеют практически неограниченный срок службы и хранения (десятки лет). Данный материал обладает высокой устойчивостью к УФ излучению, а также высокими порогами оптического пробоя, как в импульсном (40 Дж/см², 8 нс), так и в непрерывном режиме (100 кВт/см²). Это означает, что оптические элементы на основе ФТР стекла могут быть использованы в различных лазерных системах высокой мощности. Стандартная плотность энергии излучения, необходимая для записи качественной голограммы, составляет не более сотни мДж/см².

Объемные брэгговские решетки

Брэгговские решетки OptiGrate записываются в виде интерференционной картины излучения He-Cd лазера, излучающего 325 нм со средней мощностью 35 мВт. Пространственная частота (период) решеток варьировалась от 50 до 10000 мм^-1. Объемные решетки, записанные в проходящем и отраженном свете, имеют толщинну от 0.5 мм до 25 мм. Преимущество голографических решеток состоит главным образом в том, что их можно установить внутри стеклянной пластины под произвольными углами. Максимальная апертура решеток составляет 50 х 50 мм. Их дифракционная эффективность измерялась при разных длинах волн в диапазоне от 355 нм до 2000 нм. Во всех случаях максимальная абсолютная дифракционная эффективность брэгговских решеток, записанных на ФТР стекле, превышала 95%, тогда как относительная дифракционная эффективность была близка к 99.9%.

Также было отмечено, что диапазон угловой чувствительности уменьшается с увеличением периода и толщины решетки. Угловая селективность ниже 1 мрад может быть достигнута в брэгговских решетках с толщиной в несколько миллиметров и периодом, немного превышающем несколько сотен линий на миллиметр. Спектральная селективность пропускающей решетки может составлять порядка долей нанометра. Для отражающих решеток углы отклонения могут варьироваться диапазоне от 120° до 180°, угловая селективность - от 10 до 100 мрад, спектральная селективность при этом составляет от 0.01 нм до 2 нм.

Угловая селективность в лазерном резонаторе

Так как объемная брэгговская решетка работает в угловом поле, устраняется необходимость в преобразовании Фурье при обработке углового распределения излучения. Одним из следствий этого вывода является возможность производить отбор поперечных мод в резонаторах без коллимации или повторной фокусировки (пространственной фильтрации) излучения. Эксперименты с широкополосными полупроводниковыми лазерами показали, что использование объемной брэгговской решетки с угловой селективностью, сравнимой с дифракционно-ограниченной расходимостью излучения, обеспечивает усиление только одной моды. Важно, что порядок моды может быть любым. Это позволяет практически преодолеть основную сложность конструкции лазерного резонатора, связанную с дифракционными потерями.

Растяжение и сжатие лазерных импульсов

Еще одно достижение в области дифракционной оптики - изготовление отражающей объемной решетки Брэгга с постепенно меняющимся периодом в направлении распространения пучка (так называемая продольно чирпирующая решетка). Чирпирующая решетка будет отражать волны различной длины от разных частей поверхности. Фемтосекундный лазерный импульс с широким спектром после отражения будет растянут в пространстве. Этот растянутый импульс, направляемый к тому же чирпирующему брэгговскому зеркалу с противоположной стороны, будет сжат до первоначальной длительности. Эксперимент с чирпирующими решетками показал, что растяжение и сжатие могут быть выполнены с эффективностью до 95%.

Отклонение пучка

Зависимость дифракционной эффективности объемной брэгговско решетки от угла падения имеет максимум и серию минимумов, что позволяет использовать такие решетки в качестве угловых увеличителей. Отклонение падающего луча на малый угол (в диапазоне миллирадиан) приводит к отклонению дифрагированного луча на заданный произвольно большой угол. Это явление лежит в основе высокоскоростного немеханического управления пучком в лазерных системах большой мощности и в портативных оптоэлектронных устройствах.

Спектральное комбинирование лазерных пучков

Вышеупомянутое свойство объемных брэгговских решеток позволяет использовать такие решетки в качестве волоконных сумматоров. Если два лазерных пучка с длинами волн, соответствующими максимальной и нулевой дифракционной эффективности, направляются на брэгговскую решетку под дополнительными углами Брэгга, первый луч будет полностью дифрагированным, а второй - полностью пройдет через решетку. Оба этих луча будут распространяться в одном и том же пространстве и в одном и том же направлении. Такой подход использовался для объединения пучков волоконных иттербиевых лазеров. Была показана эффективность объединения пяти пучков (до 93%) с расходимостью, близкой к пределу дифракции, и общей мощностью, превышающей 700 Вт. Тот же подход был успешно применен для полупроводниковых лазеров.

Выводы

Разработка высокоэффективных, надежных дифракционных элементов с малыми потерями, например, объемных брэгговских решеток на ФТР стекле, позволила добиться значительного прогресса в разработке лазеров и управлении траекторией пучка.

Компания OptiGrate представляет широчайший ассортимент дифракционных решеток и систем на их основе, среди которых пропускающие, отражающие, чирпирующие объемные решетки Брэгга с самым широким диапазоном спецификаций. 

Особая технология, разработанная на предприятии, получила лицензию от Университета центральной Флориды (штат Орландо) - одного из крупнейших учебных заведений США. Инженеры совершили настоящий прорыв в отрасли, улучшив все стандартные параметры объемных брэгговский решеток в десятки раз: спектральные линии пропускания брэгговских отражателей OptiGrate рекордно узкие, поглощение – минимально.

©OptiGrate

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции OptiGrate на территории РФ