Диэлектрические зеркала и зеркала с переменным слоем

Введение

Диэлектрическое зеркало

Зеркало с переменным слоем (чирпированное зеркало) – это диэлектрическое зеркало с переменными зазорами – зазорами различной глубины, предназначенными для отражения различных длин волн света – между диэлектрическими слоями (пакетом). Зеркала с переменным слоем используются в таких областях, как лазеры, для отражения более широкого диапазона длин волн света, чем обычные диэлектрические зеркала, или для компенсации дисперсии длин волн, возникающей под воздействием некоторых оптических элементов. Зеркала с переменным слоем также встречаются в биологических системах, демонстрирующих структурную окраску, включая блестящий золотой и серебряный цвет надкрылий некоторых жуков, например, рода Chrysina. В этих случаях зеркало с переменным слоем генерирует сложный цвет (например, золотой или серебряный) при освещении белым светом, одновременно отражая широкий диапазон монохроматических цветов.

Простое объяснение

Обычное диэлектрическое зеркало предназначено для отражения одной частоты света. Диэлектрическое зеркало изготавливается из прозрачных материалов, которые нанесены равномерными слоями на глубину, равную 1/4 длины волны света, который это зеркало должно отражать. Кроме того, коэффициенты отражения амплитуды на границах раздела сред имеют чередующиеся знаки, поэтому все отраженные компоненты от этих границ интерферируют конструктивно, что приводит к сильному отражению на заданной длине волны. Диэлектрическое зеркало прозрачно для других длин волн света, за исключением очень узкого диапазона вокруг длины волны, для которой оно предназначено. Зеркало с переменным коэффициентом отражения (чирпированное зеркало) предназначено для отражения более широкого диапазона частот. Это достигается путем создания слоев различной толщины. Например, может быть 10 слоев, толщина которых рассчитана на отражение определенной длины волны света, еще 10 слоев с немного большей толщиной для отражения немного большей длины волны света, и так далее для всего диапазона длин волн, который зеркало должно отражать. В результате получается зеркало, способное отражать целый диапазон длин волн света, а не только узкую полосу. Поскольку свет, отраженный от более глубоких слоев зеркала, проходит большее расстояние, чем свет, отраженный от поверхностных слоев, чирпированное зеркало можно спроектировать так, чтобы изменять относительное время прихода волновых фронтов различных длин волн, отраженных от него. Это может быть использовано, например, для расширения (растягивания) импульса света, состоящего из разных длин волн, который приходит одновременно, или для сжатия импульса света, в котором разные длины волн приходят, разделенные во времени. Эта способность расширять или сжимать импульс света, состоящий из разных длин волн, важна, поскольку некоторые широко используемые оптические элементы естественным образом расширяют пакет света в зависимости от длины волны – явление, известное как хроматическая дисперсия. Чирпированное зеркало может быть спроектировано для компенсации хроматической дисперсии, создаваемой другими оптическими элементами в системе. Это упрощенное объяснение, которое не учитывает некоторые важные, но более сложные технические аспекты.

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.

Техническое объяснение

Для диэлектрических зеркал доступны материалы с показателем преломления в диапазоне примерно от 1,5 до 2,2. Амплитуда отражения Френеля составляет около 0,2. При 10 слоях отражается около 0,99 амплитуды света (то есть 0,98 интенсивности света). Следовательно, если в зеркале 60 слоев, свет определенной частоты взаимодействует только с одной шестой всей структуры. Отражение от первой поверхности приводит к раннему отражению с неизменным чирпом. Это предотвращается за счет резервирования нескольких слоев для антиотражающего покрытия. В простейшем случае это делается с помощью одного слоя MgF2 (который имеет показатель преломления 1,38 в ближнем инфракрасном диапазоне). Полоса пропускания широкая, но не охватывает одну октаву. При изменении угла падения от нормального к углу Брюстера, p-поляризованный свет отражается все меньше. Для устранения остаточных отражений от поверхности в случае использования нескольких зеркал, расстояние между поверхностью и структурой слоев делается различным для каждого зеркала. Интуитивно можно предположить, что чирп начинается за пределами желаемого диапазона длин волн, и любая длина волны в пределах этого диапазона испытывает полное резонансное нарастание и спад. Детальный расчет (ссылки в указанной ссылке) показывает, что отражающая способность зеркала также должна быть подвержена чирпу, что можно реализовать путем неравномерного распределения полуволны по зонам с высоким и низким показателем преломления. Такие зеркала называются двойными чирпированными зеркалами.

Применение

В лазерах Ti-сапфира, использующих модель Kerr-линзы, зеркала с чирпом часто используются как единственный способ компенсации изменений групповой задержки. Учитывая приведенные выше значения, одно зеркало может компенсировать оптическую длину пути в 4 мкм. С учетом групповой скорости этого достаточно для 3 м воздуха внутри резонатора, для 3 мм кристалла Ti:сапфира потребуется еще три зеркала, так что простая Z-образная полость уже может быть компенсирована. С другой стороны, усиление кристалла составляет около 1,1, что достаточно для компенсации потерь в 8 зеркалах, что обеспечивает больше степеней свободы при компенсации групповой задержки. Более критично для коротких импульсов то, что частотные компоненты, находящиеся за пределами полосы усиления кристалла и генерируемые косвенно посредством самофазовой модуляции, не теряются на выходных или складывающих зеркалах, а проходят через зеркало выхода. По принципу большинства голосов, моды лазера определяют, какую групповую задержку выбрать, и спектральные компоненты, близкие к этой задержке, усиливаются на выходе. Из-за неровностей в компенсации спектр также имеет неровности. Один стек отражает в диапазоне от 780 до 800 нм. Зеркало с 6 слоями может отражать в диапазоне от 730 до 850 нм. Усиление Ti:Sa превышает единицу в диапазоне от 600 до 1200 нм. Для отражения такой полосы пропускания необходимо смириться с более высокими потерями. В усилении импульсов с чирпом эти зеркала используются для коррекции остаточных изменений групповой задержки после установки решетчатого компрессора в систему.

Биологические

Вид жука-скарабея Chrysina limbata отражает около 97% света в видимом диапазоне длин волн. Это достигается благодаря многослойному зеркалу, состоящему из слоев хитина. Его хитиновый экзоскелет состоит из множества слоев, толщина которых меняется с глубиной, что изменяет оптическую длину пути и формирует зеркало с переменным коэффициентом отражения. Каждый слой настроен на отражение света определенной длины волны.