4.5. Зеркала лазерных отражателей

В большинстве лазерных резонаторов используются зеркальные покрытия. Зеркальные покрытия позволяют получать необходимые коэффициенты пропускания (или отражения) при умеренной стоимости отражателя.

Используются металлические и диэлектрические покрытия.

Металлические покрытия имеют высокий коэффициент отражения — 97-98% в широком диапазоне длин волн. При этом неотраженная часть энергии, минимум 2-3 % поглощается, вызывая нагрев зеркал. В мощных лазерах это может привести к термической деформации зеркал, а при значительной плотности излучения и к разрушению.

Металлические покрытия практически применяются только в лазерах инфракрасного диапазона и представляют собой тонкий слой золота (мкм), наносимый методом вакуумного испарения на полировальную медную или германиевую подложку.

Для снижения температуры поверхности металлического зеркала иногда применяют водное или воздушное охлаждение подложки. Подложка имеет специальные радиальные или спиральные внутренние каналы для подвода охлаждения.

4.5.1. Диэлектрические лазерные зеркала

Диэлектрические лазерные зеркала наиболее часто применяют в конструкциях оптических резонаторов.

Обычно они представляют собой многослойные диэлектрические структуры из двух разнородных материалов. Сами материалы покрытий обычно прозрачны для лазерного излучения.

Число слоев покрытия с чередующимися показателями преломления , обычно нечетное. Оптическая толщина каждого из слоев равна четверти рабочей длины волны .

Крайние слои имеют высокий показатель преломления .

Такая комбинация слоев оптической толщины обеспечивает синфазное отражение электромагнитной волны от всех границ раздела сред. В результате суммарная отраженная волна увеличивается по амплитуде, что эквивалентно повышению коэффициента отражения.

Принцип работы такого интерференционного покрытия основан на том, что отражение от границы раздела при проходе излучения из менее плотной среды происходит с изменением фазы на , а из более плотной — без скачка фазы.

Следовательно, граница воздух ( ) — верхний слой (n = ) приведет к изменению фазы 1-ой отраженной волны на . Отражение от границы между первым и вторым слоем произойдет без изменения фазы. Разность хода первой и второй волн, определяемая толщиной слоя приведет к набегу фазы, равному . Граница второго и третьего слоев даст суммарный набег фазы 2 и т.д.

Таким образом, волны, отраженные от всех границ раздела, имеют одинаковые фазы колебаний.

Коэффициент отражения интерференционного покрытия с ростом числа слоев стремится к единице и достигает у лучших образцов 99,8%.

При этом отраженная часть излучения в отличие от металлических зеркал не поглощается, а выносится из резонатора.

Максимальный коэффициент отражения реализуется при строгом равенстве оптических толщин слоев четверти длины волны рабочего излучения

, где и — геометрические толщины слоев с высоким и низким показателями преломления.

Для нечетного числа слоев

(4.56)

Для четного числа слоев

. (4.57)

Здесь — показатель преломления отр. среды (для воздуха =1); — показатель преломления материала подложки.

С помощью уравнений определяется число слоев, необходимое для обеспечения .

При выборе M следует стремиться к минимальному числу слоев, поскольку каждый из них вследствие поглощения и рассеивания излучения, отклонения от оптической толщины вносит дополнительные потери.

Подбор материалов для слоев и подложек зеркал производится с учетом их оптических, механических и термических свойств.

При прочих равных условиях большие значения коэффициента отражения обеспечивается в случае использования материалов с сильно различающимися показателями преломления и

Технология получения многослойных покрытий для достижения достаточно сложна.

Для подложек лазерных зеркал применяется «глубокая» полировка (в течение нескольких смен при использовании обычных полировочных материалов или несколько часов с использованием субмикронных алмазных паст. Такая полировка обеспечивает удаления дефектного слоя толщиной примерно 10 мкм, образующегося при шлифовке свободным абразивом.

Таблица 4.2

Материалы для подложек зеркал

Материал		n	Область применения
Стекло K-8	0,3-4	1,5	Видимый диапазон
Кварцевое стекло	0,2-0,25	1,46	Видимый и ближний ИК диапазоны
Германий	1,7-100	4,0	ИК диапазоны
Арсенид галлия	1,2-2,0	3,0	ИК диапазоны
Хлористый натрий	0,3-2,0	1,55	ИК диапазоны

Таблица 4.3

Материалы для интерференционных покрытий

Материал	, мкм	n	Область применения
	0,38-25	2,30	УФ, видимый, ИК-диапазон
	0,20-10	1,38	УФ, видимый, ИК-диапазон
	0,20-10	1,35	УФ, видимый, ИК-диапазон
	0,25-9	2,40	УФ, видимый, ближний ИК-диапазоны
	0,25-9	1,98	УФ, видимый, ближний ИК-диапазоны
	0,25-9	1,97	УФ, видимый, ближний ИК-диапазоны
	0,20-11	2,00	УФ, видимый, ближний ИК-диапазоны
	0,20-8,0	1,45	УФ, видимый, ближний ИК-диапазоны
	0,20-15	1,5	ИК-диапазон
	0,60-15	2,5	ИК-диапазон
	0,40-11	1,4	Видимый, ИК-диапазон

Последнее сильно уменьшает светорассеяние, которое особенно вредно для лазеров с небольшим усилением активной среды. Кроме того, после такой обработки значительно повышается лучевая стойкость зеркал.

Полируют зеркала до . Суперполировка позволяет получить . Если шероховатость имеет однородную структуру (риски одного направления), то величина поглощения зависит от поляризации падающего излучения.

Высота микронеровностей определяет величину коэффициента диффузного рассеяния ( ) зеркала. При нормальном падении света и при

, (4.58)

где — интенсивность поглощенного излучения; — падающее излучение.

Покрытия обычно наносят методом термического испарения в вакууме. Для улучшения адгезии и повышения лучевой стойкости покрытий, подложки перед напылением тщательно очищают ионной бомбардировкой и нагревом в вакууме.

Потери на поглощение и рассеяние излучения на зеркалах являются лишь частью общих потерь в О.О.Р. Дополнительные потери возникают при пересечении лучом границы двух сред с разными показателями преломления. Например, при прохождении в Т.Т.Л. А.Э. и элементов О.О.Р.

При нормальном и близком к нему падении излучения на границу раздела сред коэффициент отражения определяется как

(4.59)

и составляет для границы воздух-стекло ~ 0,4.

Для уменьшения потерь на отражение используют просветляющие покрытия.