НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ УКРАИНЫ

«КИЕВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО КУРСУ «КВАНТОВЫЕ ПРИБОРЫ И ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНИКА

Для студентов специальности «Электронные приборы и устройства»

Киев НТУУ «КПИ» 2009

Утверждено

на заседании кафедры

электронных приборов и устройств

Протокол № __ от «__» __________ 20____

Методические указания к лабораторным работам по курсу «Квантовые приборы и лазерная техника» для студентов специальности «Электронные приборы и устройства» /Сост. Ю.В. Байбородин,

Составители: Ю.В. Байбородин, Л.Н. Шмырева, В. А. Чадюк.

Перевод: О.Н. Бевза

Рецензенты: А.И. Кузьмичев, И.Д. Шовкун

Лабораторная работа № I

ИССЛЕДОВАНИЕ ОТГГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МНОГОСЛОЙНЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЗЕРКАЛ

Цель работы: 1) ознакомиться с конструкцией, принципом действия, оптическими параметрами зеркал и способами их измерения; 2) экспериментально исследовать спектральную зависимость коэффициента пропускания зеркал.

1.1. Краткие теоретические сведения

Важнейшая область применения многослойных диэлектрических зеркал (МДЗ) - использование их в качестве высокодобротных оптических резонаторов лазеров, что обусловлено их значительным коэффициентом отражения, который может достигать значений порядка 99,99%. Коэффициент отражения металлических зеркал, представляющих собой подложку из стекла с нанесенной на нее пленкой Al, Ag, Au, или Cu находится в пределах 80…97%. В лазерах с небольшим коэффициентом усиления активной среды МДЗ - единственный тип зеркал, при использовании которых возможна генерация.

МДЗ представляет собой многослойную структуру, состоящую как правило, из 11-31 чередующихся слоев с высоким (H) и низким (L) показателями преломления равной оптической толщины ₀/4 . (где ₀ -длина волны максимума отражения). Чаще всего применяются покрытия с нечетным числом слоев, крайние слои которых, граничащие с подложкой и окружающей средой, имеют высокий показатель преломления. Такое покрытие с нечетным числом слоев на поверхности прозрачной подложки S₁ (например, стекла) обозначают следующим образом:

S₁HLHL … HLH

В качестве высокопреломляющих веществ в видимой области спектра используют ZnS, Ti0₂, Zr0₂, НFO₂, Ta₂O₅, показатель преломления которых n_H находится в пределах 2,30...1,85. Слои с низким показателем преломления n_L выполняют из Na₃AlF_C (криолит), MgF₂, SiO₂, показатели преломления которых соответственно равны 1,35; 1,39; 1,45. При одинаковом числе слоев коэффициент отражения МДЗ тем выше, чем больше разница в показателях преломления слоев. Зеркала из слоев, выполненных из оксидов, имеют существенно более высокую механическую и химическую устойчивость, их последний слой, граничащий с воздухом, выполняют из SiO₂ толщиной /2.

Принцип работы МДЗ объясняется тем, что на каждой границе раздела прозрачных сред с показателями преломления n₁ и n₂ происходит отражение света. Если слои однородные, непоглощающие и изотропные, амплитуда отраженного от такой границы раздела луча . Если оптическая толщина кратна /4, интерферирующие лучи находятся в фазе, что вызывает усиление интенсивности отраженного света. Спектральная кривая коэффициента отражения многослойного покрытия достаточно сложна. Значения коэффициента отражения определяется числом слоев, их оптической толщиной n_ih_i, показателями преломления и соотношением с длиной световой волны _i. Изменение оптической толщины слоев и их числа значительно влияет на спектральную кривую коэффициента. Используя эти показатели, можно получать разнообразные интерференционные отражатели, осуществляющие спектральное разделение падающего света на отраженный и проходящий, окрашенные к дополнительные цвета.

В зависимости от условий эксплуатации тонкие интерференционные покрытия на поверхности стекла используют в пучках, падающих под разными углами к поверхности. С увеличением угла падения света оптическая разность хода лучей, отраженных от границ раздела слоев, уменьшается, что, приводит к снижению эффективной оптической толщины пленок и к изменению спектральных характеристик отраженного и проходящего света. Поясним это на примере одиночной пленки.

Условия отражения и преломления света на двух границах раздела трех сред с различными показателями преломления (стекла n₃, пленки n₂, и воздуха n₁ = 1) показаны на рис. 1.1.

Р ис. 1.1

Луч света, падающий на поверхность раздела в точке А под углом ₁ к нормали, разделяется на луч АЕ, отраженный обратно в первую среду (воздух), и луч АВ , преломленный во вторую среду n₂. Луч АВ отражается в точке В от границы раздела n₂/n₃ обратно во вторую среду n₂ и после преломления через границу раздела n₂/n₁ выходит в первую среду (CF)

Оптическая разность хода лучей и плоскости CD

(1.1)

Если геометрическая толщина пленки равна h₁, а углы падения и преломления, образуемые лучом с нормалью к поверхности, ₁ и ₂, то

(1.2)

(1.3)

(1.4)

Если учесть закон преломления на границе двух сред n₁ и n₂ то оптическая разность хода лучей

(1.5)

откуда

(1.6)

Величину , определяющую положение экстремума и характер спектрального отражения от поверхности с пленкой при косом падении, часто называют эффективной толщиной пленки. Таким образом, при увеличении угла падения оптическая толщина пленки будет уменьшаться пропорционально косинусу угла преломления в пленке. В результате экстремальное значение (Rmax или Rmin) и вся спектральная кривая сместятся в направлении коротковолновой части спектра. Однако приведенный расчет следует рассматривать как

приближенный, так как в нем не учитываются деформации спектральной кривой вызванные явлениями поляризации света, отраженного под углом.

Для зеркал, которые должны работать под углами падения света ₁≠0, покрытия необходимо изготавливать, как это следует из формулы (1.6),с оптической толщиной большей чем рабочая длина волны. Например, для зеркала кольцевого He-Ne лазера, работающего под углом 45°, максимум отражения должен находится 700 нм.

Более строгий анализ показывает, что у зеркала с оптическими толщинами слоев H и L одинаковыми и равными /4 при нормальном падении света, при наклонном падении толщины слоев не будут равны между собой, так как углы преломлении в слоях H и L различны (рис. 1.2). Это различие, однако, невелико и на коэффициент отражения МДЗ влияет слабо.

Рис. 1.2

В целом спектральная кривая МДЗ имеет следующие характерные области: зону высокого отражения шириной несколько сотен нанометров, где находится основной максимум первого порядка, и зону с побочными максимумами. Для многослойных покрытий из слоев равной оптической толщины характерны одинаковая высота побочных максимумов по обе стороны от основного.