Чирикающее зеркало
Чирпированное зеркало — это диэлектрическое зеркало с чирпированными пространствами — пространствами различной глубины, предназначенными для отражения света различной длины — между слоями диэлектрика (стопкой).
Чирпированные зеркала используются в таких приложениях, как лазеры, для отражения более широкого диапазона длин волн света, чем обычные диэлектрические зеркала, или для компенсации дисперсии длин волн , которая может быть создана некоторыми оптическими элементами. [1] Чирпированные зеркала также встречаются в структурно окрашенных биологических системах. [2] включая блестящий золотистый и серебристый цвет надкрылий некоторых жуков , например, надкрылий Ruteline из рода Chrysina . В этих случаях чирпированное зеркало генерирует сложный цвет (например, золото или серебро) при освещении белым светом, одновременно отражая широкий спектр монохроматических цветов .
Простое объяснение
[ редактировать ]Обычное диэлектрическое зеркало отражает свет одной частоты. Диэлектрическое зеркало изготовлено из прозрачных материалов, равномерно расположенных слоями на глубине 1/4 длины волны света, для отражения которого предназначено диэлектрическое зеркало. Кроме того, амплитудные коэффициенты отражения интерфейсов имеют чередующиеся знаки, следовательно, все отраженные компоненты от интерфейсов конструктивно интерферируют, что приводит к сильному отражению для расчетной длины волны. Диэлектрическое зеркало прозрачно для других длин волн света, за исключением тех, которые находятся в очень узком диапазоне длины волны, для отражения которого оно предназначено.
Чирпирующее зеркало создано для отражения более широкого диапазона частот. Это делается путем создания слоев разной глубины. Может быть 10 слоев с глубиной, предназначенной для отражения света определенной длины волны, еще 10 слоев с немного большей глубиной для отражения света с немного большей длиной волны и так далее для всего диапазона длин волн света, для отражения которого предназначено зеркало. . В результате получилось зеркало, которое может отражать весь диапазон длин волн света, а не один узкий диапазон длин волн.
Поскольку свет, отраженный от более глубоких слоев зеркала, проходит большее расстояние, чем свет, отражающийся от поверхностных слоев, чирпированное зеркало может быть спроектировано так, чтобы изменять относительное время волновых фронтов различной длины, отражающихся от него. Это можно использовать, например, для рассеивания светового импульса разных длин волн, приходящего одновременно, или для сжатия светового импульса, при котором волны разных длин приходят разбросанными во времени.
Эта способность сжимать или более плотно упаковывать импульс света с разными длинами волн важна, поскольку некоторые обычно используемые оптические элементы естественным образом рассеивают пакет света в зависимости от длины волны - явление, известное как хроматическая дисперсия . Чирпированное зеркало может быть спроектировано так, чтобы компенсировать хроматическую дисперсию, создаваемую другими оптическими элементами в системе.
Это упрощенное объяснение, в котором не учитываются некоторые важные, но более сложные технические соображения.
Техническое объяснение
[ редактировать ]Для диэлектрических зеркал используются материалы с показателем преломления прибл. Доступны версии 1,5 и 2,2. Амплитуда френелевского отражения составляет около 0,2. При 10 слоях отражается около 0,99 амплитуды света (то есть 0,98 интенсивности света). Таким образом, если данное чирпированное зеркало имеет 60 слоев, свет определенной частоты взаимодействует только с одной шестой всей стопки.
Отражение от первой поверхности представляет собой раннее отражение с неизмененным чирпом. Это предотвращается за счет сохранения нескольких слоев антибликового покрытия . В простом случае это делается с помощью одного слоя MgF 2 (который имеет показатель преломления 1,38 в ближней инфракрасной области). Полоса пропускания большая, но не одна октава. Поскольку падение изменяется от нормального до угла Брюстера , p-поляризованный свет отражается все меньше и меньше. Чтобы устранить остаточные отражения от поверхности в случае нескольких зеркал, расстояние между поверхностью и стопкой для каждого зеркала разное.
Наивно можно было бы подумать, что чирп начинается за пределами желаемого диапазона длин волн, и любая длина волны в этом диапазоне испытывает полное резонансное затухание и затухание. Подробный расчет (ссылки во внешней ссылке) показываетчто отражательная способность зеркала также должна быть увеличена, что можно сделать, распределив полуволну неравномерно между зонами с высоким и низким индексом. Это так называемые зеркала с двойным щебетанием.
Приложение
[ редактировать ]В титан-сапфировых лазерах, в которых используется синхронизация моделей линз Керра , чирпированные зеркала часто используются в качестве единственного средства компенсации изменений групповой задержки. Учитывая приведенные выше цифры, одно зеркало может компенсировать длину оптического пути 4 мкм. Учитывая групповую скорость, этого достаточно для 3-метрового воздуха внутри резонатора, для 3-миллиметрового кристалла Ti:сапфира необходимы еще три зеркала, так что простой Z-резонатор уже можно компенсировать.
С другой стороны, коэффициент усиления кристалла около 1,1, что достаточно велико, чтобы компенсировать потерю 8 зеркал, что дает больше степеней свободы в компенсации групповой задержки. Более важным для коротких импульсов является то, что частотные составляющие вне диапазона усиления кристалла, генерируемые косвенно за счет фазовой автомодуляции, не теряются через торцевое или складное зеркало, а передаются через выходное зеркало. [3] В своего рода решении большинством режимы лазера решают, какую групповую задержку выбрать, и на выходе выделяются спектральные компоненты, близкие к этой задержке. Из-за пульсаций компенсации спектр также имеет пульсации.
Один стек отражает от 780 до 800 нм. Чирпированное зеркало с 6-кратным количеством слоев может отражать свет от 730 до 850 нм. Прирост Ti:Sa больше, чем в диапазоне от 600 до 1200 нм. Чтобы отразить эту полосу пропускания, необходимо принять более высокие потери. При усилении чирпированных импульсов эти зеркала используются для коррекции остаточных изменений групповой задержки после включения в систему решеточного компрессора.
Биологический
[ редактировать ]Вид жука-скарабея отражает около Chrysinalimbata 97% света в видимом диапазоне длин волн. Это достигается с помощью чиркающего зеркала, изготовленного из слоев хитина . Его хитиновый экзоскелет состоит из множества слоев, толщина каждого слоя меняется с глубиной, что меняет длину оптического пути и создает чирпирующее зеркало. Каждый чирпированный слой настроен на различную длину волны света. [4] [5]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Роберт Шипёк, Карпат Ференц, Кристиан Шпильманн и Ференц Краус , «Чирпированные многослойные покрытия для управления широкополосной дисперсией в фемтосекундных лазерах», Опт. Латышский. 19, 201–203 (1994)
- ^ Кук, Калеб К.; Амир, Ариэль (20 декабря 2016 г.). «Теория чирпированных фотонных кристаллов в биологических широкополосных отражателях» . Оптика . 3 (12): 1436–1439. arXiv : 1608.05831 . дои : 10.1364/OPTICA.3.001436 . ISSN 2334-2536 . S2CID 85551119 .
- ^ «Творческие способы использования светодиодного зеркала в домашнем декоре» . Акцентное зеркало . 25 февраля 2023 г. Проверено 13 мая 2023 г.
- ^ Греанья, Виктория (2015). Биоинспирированная фотоника: оптические структуры и системы, вдохновленные природой . Бока-Ратон: CRC Press. стр. 46–49. ISBN 978-1466504028 . Архивировано из оригинала 25 июня 2022 года . Проверено 24 июня 2022 г.
- ^ Кампос-Фернандес, Кристиан; Азофефа, Дэниел Э.; Эрнандес-Хименес, Марсела; Руис-Руис, Адамс; Варгас, Уильям Э. (1 мая 2011 г.). «Спектры отражения видимого света от слоистых материалов с кутикулой» . Оптические материалы Экспресс . 1 (1): 85. Бибкод : 2011OMExp...1...85C . дои : 10.1364/OME.1.000085 . Проверено 24 июня 2022 г.