Пространственный фильтр лазерного излучения

 

Использование выделение части лазерного пучка с целью получения заданной структуры излучения. Сущность изобретения фильтр включает расположенные на оптической оси входной фокусирующий объектив, рассеивающий объектив, диафрагмирующее устройство и выходной фокусирующий объектив. Суммарная оптическая сила объективов равна нулю, а диафрагмирующее устройство расположено за первой компонентой рассеивающего фильтра. Диафрагмирующее устройство выполнено из двух или более элементов. 1 ил

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОспАтент сссР) К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4776158/10 (22) 01,11.89 (46) 15.07.92. Бюл. N. 26 (71) Государственный оптический институт им. С.И.Вавилова (72) В,П.Андронов, Е.А,Зобов и В,В.Спиридонов (53) 535,8(088.8) (54) ПРОСТРАНСТВЕННЫЙ ФЙЛЬТР ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ (57) Использование; выделение части лазерного пучка с целью получения заданной

Изобретение относится к лазерной оптике, а именно к устройствам для выделения части лазерного пучка с целью получения заданной структуры излучения, и может быть использовано в лазерных системах с варьированием расходимости, мощности и поперечного распределения интенсивности излучения, Известно устройство, в котором для уменьшения лучевой нагрузки на диафрагму входной фокусирующий обьектив пространственного фильтра (ПФ) выполнен в виде вогнутого выходного зеркала лазерного резонатора, пропускающего 80; „излучения, а около 20% отражающего на диафрагму диаметром 0,2 мм, Однако и в таком варианте конструкции фильтра диафрагма помещена в фокусе и подвергается бол ьшим лучевым нагрузкам.

Наиболее близким к предлагаемому является пространственный фильтр, содержащий входной фокусирующий объектив, „„5U„„1748128 Al (st>s G 02 В 27/46, 27/48 структуры излучения. Сущность изобретения: фильтр включает расположенные на оптической оси входной фокусирующий обьектив, рассеивающий объектив, диафрагмирующее устройство и выходной фокусирующий объектив. Суммарная оптическая сила объективов равна нулю, а диафрагмирующее устройство расположено за первой компонентой рассеивающего фильтра. Диафрагмирующее устройство выполнено из двух или более элементов.

1 ил, диафрагму, выходной фокусирующий объек- . тив, Вследствие того, что диафрагмирование осуществляется в фокальной плоскости входного обьекта, лучевые нагрузки на диафрагму весьма велики, При работе с импульсным и импульсно-периодическим излучением данный фильтр необходимо помещать в вакуум, так как в атмосфере неизбежно возникновение вблизи диафрагмы лазерной искры, экранирующей ее. Кроме того, известно, что форма отверстия диафрагмы должна соответствовать Фурье-образу пучка, -входящего в пространственный фильтр, иначе возрастают потери вследствие виньетирования, искажается уг-. ловой спект пучка, растет доля энергии, поглощаемая диафрагмой и, соответственно, вероятность ее разрушения. Если сечение падающего пучка — круг, то круглое отверстие оптимально для фильтрации. Однако для лазерных пучков с сечением, отличным от круглого, форма отверстия должна

1748128 существенно отличаться от круглой, а в указанных устройствах выполнить это условие вследствие малых размеров отверстия технически сложно, если не невозможно. В . оптических схемах ПФ допуск на несоос- 5 ность отверстия диафрагмы с осью сфокусированного лазерного пучка не превышает

10 от размера отверстия. При превышении допуска резко возрастают лучевые нагрузки,на диафрагму, поэтому в таких ПФ "0 нужна ее тн;ательная трудоемкая юстировка с погрешностью 0,01-0,05 мм, Целью предлагаемого изобретения является расширение диапазона рабочих мощностей фильтра при одновременном упрощении его 1остировки.

Поставленная цель достигается тем, что в пространственном фильтре лазерного излучения между входным и выходным фокусирующими обьективами расположен 20 рассеива1ощий объектив, состоящий по крайней мере из двух компонент, причем. суммарная оптическая сила входного, рассеивающего и выходного обьективов равна нулю, а диафрагмирующее устройство расположено за первой „омпонентой рассеива ющего объектива, Диафрагмирующее устройство выполнено из двух и более элементов, причем для каждого последующего элемента диафраг- 30 миру1ощего устройства по сравнению с предыдущим хотя бы на части периметра проходного отверстия выполняется соотноШЕНИЕ an /Ln < an-1 /Ln-1 ГДЕ ап, àn2 эф 2 эф

1,...,а,...,а1 — расстояние от оптической оси 35 до края апертуры соответствующего диафРаГМИРУЮЩЕГО ЭЛЕМЕНта; Ln, Ln-1 ф — "Эффективная" длина оптического пути между главной плоскостью входного фокусирующего объектива v. соответствующим диаф- 40 рагмирующим элементом, которая. равна

Ьф = L1M1+ Х1М1 при размещении диаф2 рагмирующего элемента между компонентами рассеивающего обьектива или Ьф=

-L1M1+ L2M1 + Х2М2 при размещении диаф- 45 рагмирующего элемента между второй компонентой рассеивающего объектива и выходным фокусирующим объективом, где

L1 — расстояние между главными плоскостями входного фокусирующего объектива и первой компоненты рассеивающего объектива; М", — кратность системы. образованной этими двумя элементами; Х1 расстояние от главной плоскости первой компоненты рассеивающего объектива до плоскости соответствующего диафрагмирующего элемента; L2 — расстояние между гцавными плоскостями компонент рассеивающего объектива; X2 — расстояние от главной плоскости его второй компоненты до плоскости соответствующего диафрагмирующего элемента; M2 — кратность системы, образованной второй компонентной рассеивающего объектива и выходным фокусирующим объективом, Величина ai удовлетворяет соотношению а; 0;/2, где D — световая апертура фильтра в плоскости соответствующего диафрагмирующего элемента, а "эффективное" удаление последнего из этих элементов равно или превышает величину Do/(xo, где Do — входная световая апертура фильтра, а — заданная угловая величина, на которую необходимо уменьшить расходимость фильтруемого лазерного излучения.

На чертеже изображена оптическая схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит фокусирующий объектив 1, первую компоненту 2 рассеивающего объектива, вторую компоненту 3 рассеивающего . объектива, выходной фокусирующий объектив 4, диафрагмирующий элемент или устройство 5. Оптическая ось обозначена как О i02. расстояние между главными плоскостями входного фокусирующего объектива и первой компоненты рассеивающего объектива Ь; расстояние между главными плоскостями компонент рассеивающего объектива 2; расстояние между главными плоскостями второй компоненты рассеивающего объектива и выходного фокусирующего объектива Ез; расстояние от главной плоскости первой компоненты рассеивающего объектива до плоскости соответствующего диафрагмирующего элемента Х1; расстояние от главной плоскости второй компоненты рассеивающего обьектива до плоскости соответствующего диафрагмирующего элемента Х2, входная световая апертура фильтра Do, световая апертура фильтра в плоскости соответствующего диафрагмирующего элемента

Оь

Пространственный фильтр лазерного излучения работает следующим образом.

Лазерный пучок диаметром Ро фокусируется обьективом 1, затем рассеивается компонентами 2 и 3 рассеивающего объектива, из которых первая по ходу луча компонента 2 расположена ближе к входному фокусирующему объективу 1, чем его фокальная плоскость. После этого пучок преобразуется в параксиальный с помощью выходного фокусирующего обьектива 4.

Суммарная оптическая сила всех обьективов равна нулю. Диафрагмирование пучка производится одним или несколькими диафрагмирующими элемснтами 5, размещен1748128 ными за первой компонентой 2 рассеивающего объектива, Рассмотрим подробнее работу предлагаемого ПФ лазерного излучения, Пусть, во входной фокусирующий объектив 1 входит лазерный пучок диаметром Dp и расходимостью ао, По мере сжатия пучка его угловой спектр расширяется в M раз, где М вЂ” кратность уменьшающей системы. Это означает, что единица длины, пройденная сжатым в M раз пучком, эквивалентна длине, в М раз большей, пройденной пучком с диаметром 00. Таким образом, вводится понятие

"эффективной" длины, Для участка, ограниченного объективом 1 и компонентой 2, Ьф=

= L1M), где L1 — расстояние между главными плоскостями обьектива 1 и компоненты 2;

Mi — кратность системы, образованной этими элементами.

Для участка, ограниченного первой 2 и второй 3 компонентами рассеивающего объектива,Ьф = L2M 1. где L2 — расстояние

2 между главными плоскостями компонент 2 и 3 рассеивающего объектива. Для участка между элементами 3 и 4 "эффективная" длина 1эф = 1зМ2, где Q — расстояние между главными плоскостями второй компоненты рассеивающего и выходного фокусирующего объективов; М2 — кратность системы, образованной этими элементами. Общая

"эффективная" длина ПФ равна сумме "эффективных" длин указанных отрезков.

При надлежащем выборе М1 и М2 "эффективная" длина ПФ может быть во много раз больше геометричес..ой. Выбор Ьф определяется из условия формирования дальней зоны пучка в месте размещения диафрагмирующего элемента, Для лазерного пучка с дифракционной расходимостью его структура приобретает вид, соответствующий дальней зоне, когда лазерный пучок пройдет от излучателя расстояние Dp /4A,, гдето.— длина волны, В случае пучка с реальной расходимостью а, значительное перемешивание лучей в. пучке происходит на расстоянии Dp/Qp, Таким образом, в предлагаемомустройстае за счет большой "эффективной" длины перемешивание лучей и приближение структуры пучка к дальнопольной картине наступает при небольших геометрических длинах, Наименьшее сечение фильтруемого пучка имеет на порядки большую площадь, чем площадь фильтруемого пучка в фокальной плоскости объектива устройства-прототипа, Например, в устройстве-прототипе при 00 = 100 мм, ао= 2 lO рад, фокусе

-4

5 10 мм диаметр диафрагмы должен быть

1 мм и она располагается в фокальной плоскости входного объектива, где очень высокие лучевые нагрузки. Кроме того, необходимо обеспечить . несоосность сфокусированного пучка и отверстия диаф5 рагмы не более 0,05 — 0,1 мм, что при длине фильтра 10 м вызывает определенные трудности (вследствие термодеформаций, вибраций и т.д.), Малые размеры отверстия не позволяют придать ему форму, отличающу10 юся от круглой, В предлагаемом устройстве даже при дифракционной расходимости дальнопольная картина образуется, если Ьф > Dp /4 л,=2

=2,з0 м . Приняв М1 = M2 = 10: L) = 1з = 1 м;

15 L2 = 3 м, имеем 1 эф = 10 + 3 10 + 10 =- 320 м, т.е, условие дальней зоны выполнено, а сечение диафрагмы на два порядка больше. чем в устройстве-прототипе. Благодаря этому легко обеспечить любую форму отвер20 стия, а требования к точности выдерживания соосности резко снижаются, Для увеличения лучевой стойкости диафрагмы 5 можно размещать ее не между компонентами 2 и 3 рассеивающего обьектива, а

25 между компонентой 3 и обьективом 4 или даже за последним.

Теплоотвод при диафрагмировании может быть значительно увеличен, а формирование отверстия сложной формы облегчено, 30 если испольэовать ряд диафрагмирующих элементов так, что каждый последующий по ходу луча элемент затеняет пучок хотя бы на одной из сторон поперечного сечения или ее части. Это обеспечивается, если хотя бы

35 на части периметра проходного отверстия выполняется соотношение ап /1 и <

/ЕЛ-1 ГДЕ an, ал-1,...,а,....а — РаССтОЯ2 эф ние от оптической оси до края апертуры соответствующего диафрагмирующего эле40 мента; Lp, Lp-> ф — "эффективная" длина оптического пути между главной плоскостью входного фокусирующего объектива и соответствующим диафрагмирующим элементом, В противном случае первый же ди45 афрагмирующий элемент виньетирует все остальные, которые будут уже не нужны.

Предлагаемое устройство с расширенным диапазоном рабочих мощностей и упрощенной юстировкой позволяет решить

50 поставленную задачу, а именно: регулировка мощности, расходимости и поперечного распределения интенсивности лазерного излучения, а также уменьшение габаритов предлагаемого ПФ по сравнению с прототи55 пом.

Пример. Экспериментальный макет имеет габариты 3 м. Входной и выходной фокусирующие объективы изготовлены в виде вогнутых металлических зеркал с фоку1748128

Составитель В,Андронов

Техред M.Moðãåíòàë Корректор П.Гереши

Редактор С.Лисина

Заказ 905 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Пройзводственно-издательскйй комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарино, 101 сом 1,1 м и апертурой 120х120 мм. Рассеивающий двухкомпонентный объектив выполнен из двух выпуклых металлических зеркал, расстояние между которыми 3 м.

Эффективная длина такого ПФ соответству- 5 ет 320 м, что позволяет решать поставленную задачу с таким же эффектом, как и в устройстве-прототипе. Однако габариты предлагаемого ПФ в 3 раза меньше, диафрагмирующие элементы испытывают низ- 10 кую лучевую нагрузку, требования к их юстировке весьма низки.

На основе предлагаемого устройства может быть создан ПФ лазерного излучения с простой Юстировкой и малыми габаритами 15 для работы с мощными лазерными пучками.

-Таким образом, предлагаемое устройство выгодно отличается от известных и может эффективно применяться для целей коррекции пространственно-энергетических ха- 20 рактеристик лазерного излучения, например в схемах обращения волнового фронта.

Формула изобретения

Пространственный фильтр лазерного излучения, включающий размещенные на оптической оси входной фокусирующий объектив, диафрагмируюшее устройство и выходной фокусирующий объектив, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью расширения диапазона рабочих мощностей фильтра приодновременном упрощении его юстировки, между входным и выходным фокусирующими обьективами расположен рассеивающий объектив, состоящий по крайней мере из двух компонент, причем суммарная оптическая сила входного, рассеивающего и выходного обьекти вов рав на нул ю, а диафрагмирующее устройство расположе- но за первой компонентой рассеивающего объектива,