Диэлектрлік айна және толқынды айна

Кіріспе

Диэлектрлік айна

Чирпедті айна – бұл диэлектрлік қабаттар (стек) арасындағы, әртүрлі толқын ұзындығындағы жарықтың сәулелерін кері шағылыстыруға арналған, әртүрлі тереңдіктегі аралықтары бар диэлектрлік айна. Чирпедті айналар лазерлер сияқты қолданыстарда, қарапайым диэлектрлік айналарға қарағанда жарық толқындарының кең ауқымын шағылыстыру үшін немесе кейбір оптикалық элементтер тудыратын толқын ұзындығының дисперсиясын толықтыру үшін қолданылады. Чирпедті айналар құрылымдық түсті биологиялық жүйелерде де кездеседі, мысалы, кейбір қоңыздардың қанат жапқыштарында (элитраларында) болатын жарқыраған алтын және күміс түс, әсіресе Рютелин тұқымдасының Chrysina туындағыларында. Мұндай жағдайларда, чирпедті айна ақ жарықпен шарыққанда, кең спектрлі монохроматикалық түстерді бір мезгілде шағылыстыру арқылы күрделі түстерді (мысалы, алтын немесе күміс) жасайды.

Қарапайым түсіндірме

Қарапайым диэлектрлік айна жарықтың бір ғана жиілігін шағылыстыру үшін жасалады. Диэлектрлік айна жарық толқынының 1/4 бөлігі тереңдігінде біркелкі қабатталған мөлдір материалдардан тұрады. Интерфейстердегі амплитудалық шағылысу коэффициенттері кезектесетін белгілерге ие, сондықтан интерфейстерден шағылысқан барлық компоненттер конструктивті түрде келіседі, нәтижесінде жобаланған толқын ұзындығы үшін күшті шағылыс пайда болады. Диэлектрлік айна, оның шағылыстыруға арналған толқын ұзындығынан басқа, жарықтың басқа толқын ұзындықтарына мөлдір болады, бірақ оның өте тар диапазонында ғана. Ширатылған (қиық) айна жиіліктердің кең ауқымын шағылыстыру үшін жасалады. Бұл әртүрлі тереңдіктегі қабаттар жасау арқылы жүзеге асырылады. Мысалы, белгілі бір толқын ұзындықты шағылыстыруға арналған 10 қабат, сәл ұзын толқын ұзындықты шағылыстыруға арналған тағы 10 қабат және айнаның шағылыстыруға арналған жарық толқын ұзындығының барлық диапазоны үшін осылай жалғасады. Нәтижесінде, бір ғана тар толқын ұзындығы емес, жарық толқын ұзындықтарының толық диапазонын шағылыстыратын айна пайда болады. Айнаның терең қабаттарынан шағылысқан жарық, беткі қабаттардан шағылысқан жарыққа қарағанда ұзақ қашықтыққа жүреді, сондықтан ширатылған айна одан шағылысқан әртүрлі толқын ұзындығы бар толқын фронттарының салыстырмалы уақытын өзгерту үшін жасалуы мүмкін. Мысалы, бұл бір уақытта келіп түсетін әртүрлі толқын ұзындығы бар жарық импульсін тарату үшін немесе әртүрлі толқын ұзындығы уақыт бойынша тараған кезде жарық импульсін жинақтау үшін қолданылуы мүмкін. Әртүрлі толқын ұзындығы бар жарық импульсін жинақтау немесе одан да жинақтау қабілеті маңызды, өйткені кейбір көп қолданылатын оптикалық элементтер жарық шоғын толқын ұзындығына қарай табиғи түрде таратады, бұл құбылыс хроматикалық дисперсия деп аталады. Ширатылған айна жүйедегі басқа оптикалық элементтер тудырған хроматикалық дисперсияны өтеу үшін жасалуы мүмкін. Бұл қарапайым түсіндірме және кейбір маңызды, бірақ күрделі техникалық мәселелерді қамтымайды.

An ordinary dielectric mirror is made to reflect a single frequency of light. The dielectric mirror is made of transparent materials that are uniformly layered at a depth of 1/4 the wavelength of light the dielectric mirror is designed to reflect. In addition, the amplitude reflection coefficients for the interfaces have alternating signs, hence all reflected components from the interfaces interfere constructively, which results in a strong reflection for the designed wavelength. The dielectric mirror is transparent to other wavelengths of light except those in a very narrow band around the wavelength it is designed to reflect. A chirped mirror is made to reflect a wider range of frequencies. This is done by creating layers with different depths. There may be 10 layers with a depth designed to reflect a certain wavelength of light, another 10 layers with slightly greater depth to reflect a slightly longer wavelength of light, and so on for the entire range of wavelengths of light the mirror is designed to reflect. The result is a mirror that can reflect a whole range of light wavelengths rather than single narrow band of wavelengths. Because light reflected from the deeper layers of the mirror travels a longer distance than the light that reflects off the surface layers, a chirped mirror can be designed to change the relative times of wavefronts of different wavelength reflecting from it. This may be used, for example, to disperse a pulse of light of different wavelengths that arrives all at one time or to tighten a pulse of light where different wavelengths arrive dispersed in time. This ability to tighten or more tightly pack a pulse of light of different wavelengths is important, because some commonly used optical elements naturally disperse a packet of light according to wavelength, a phenomenon known as chromatic dispersion. A chirped mirror can be designed to compensate for the chromatic dispersion created by other optical elements in a system. This is a simplified explanation and omits some important but more complex technical considerations.

Техникалық түсіндірме

Диэлектрлік айналар үшін шамамен 1,5 және 2,2 аралығындағы сыну көрсеткішіне ие материалдар қолданылады. Френельдік шағылыстың амплитудасы шамамен 0,2-ге тең. 10 қабатта жарық амплитудасының 0,99-ы (яғни жарық интенсивтілігінің 0,98-і) шағылысады. Егер берілген сыңғырлау айнасы 60 қабаттан тұрса, нақты бір жиілікті жарық бүкіл қабаттың алтыдан бір бөлігімен ғана әрекеттеседі. Бірінші беттен шағылыс – өзгермеген сыңғырлаумен ерте шағылысқа тең. Бұл антирефлекстік жабын үшін бірнеше қабаттарды сақтап қалу арқылы болдырмайды. Ең қарапайым жағдайда бұл MgF2-нің бір қабатымен жасалады (жақын инфрақызыл сәулелерде сыну көрсеткіші 1,38-ге тең). Өріс ені кең, бірақ бір октава емес. Түсу бұрышы нормальдан Брюстер бұрышына дейін өзгерер кезде, p-поляризацияланған жарық шағылысуы азаяды. Бірнеше айна болған жағдайда, беттен қалған шағылыстарды жою үшін әр айна үшін бет пен қабат арасындағы қашықтық өзгереді. Көзге жақын болжам бойынша, сыңғырлау қажетті толқын ұзындығынан тыс басталады, ал осы диапазон ішіндегі кез келген толқын ұзындығы толық резонанстық өшуге ұшырайды. Егжей-тегжейлі есептеулер (сыртқы сілтемелерде көрсетілген) айнаның шағылыстыру қабілеті де сыңғырлауға ие болуы керек екенін көрсетеді, бұл жарты толқын ұзындығын жоғары және төмен индекс аймақтарында теңсіз бөлу арқылы жүзеге асырылуы мүмкін. Мұндай айналар қос сыңғырлау айналары деп аталады.

Қолдану

Керр линзасының модельдік құлыптауын қолданатын Ti сапфирлі лазерлерде, топтық кешігудің өзгеруін өтеу үшін жиі айналар ғана қолданылады. Жоғарыда келтірілген мәндерді ескеретін болсақ, бір айна 4 мкм оптикалық жол ұзындығын өтей алады. Топтық жылдамдықты ескере отырып, бұл қуыстың ішіндегі 3 метрлік ауа үшін жеткілікті, ал 3 мм Ti:сапфир кристаллы үшін тағы үш айна қажет, сондықтан қарапайым Z конфигурациялы қуысты өтеуге болады. Кристаллдың шамамен 1,1-ге тең күшейту коэффициенті, 8 айнаның жоғалуын өтеуге жеткілікті, бұл топтық кешігуді өтеуде көбірек мүмкіндіктер береді. Ұзақ импульстар үшін маңыздырақ жайт – кристалдың күшейту диапазонынан тыс, бірақ өзіндік фазалық модуляция арқылы туындаған жиілік компоненттері, айналардан шағылысып жоғалмай, шығару айнасы арқылы өтеді. Лазердің режимдері көпшілік шешімі арқылы қай топтық кешігуді таңдау керектігін анықтайды, ал осы кешігуге жақын спектрлік компоненттер шығыста күшейтіледі. Компенсациядағы толқындардың болуына байланысты, спектрде де толқындар пайда болады. Бір қабат 780 нм мен 800 нм аралығында шағылыстырады. 6 еселенген қабаттары бар шаршалған айна 730 нм-ден 850 нм-ге дейін шағылыстыра алады. Ti:Sa кристаллының күшейту коэффициенті 600 нм мен 1200 нм аралығында бірден жоғары. Осы кеңдікті көрсету үшін жоғары шығындарға келуге болады. Шаршалған импульсті күшейтуде бұл айналар жүйеге дифракциялық торлы компрессор енгізілгеннен кейін топтық кешігудің қалдық өзгеруін түзету үшін қолданылады.

Биологиялық

Chrysina limbata скарабея түрі көруге арналған толқын ұзындығы диапазонында жарықтың шамамен 97% -ын шағылыстырады. Бұл қабатты хитиннен жасалған айна арқылы қол жеткізіледі. Оның хитин экзоскелеті көп қабаттардан тұрады, әр қабаттың қалыңдығы тереңдікке қарай өзгереді, бұл оптикалық жол ұзындығын өзгертіп, градиентті айна құрайды. Әр градиентті қабат жарықтың әртүрлі толқын ұзындығына қалыптастырылған.