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
