ФОКУСИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОЩНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК H01S3/02 

Изобретение относится к области силовой лазерной оптики и может быть применимо в устройствах фокусировки мощного лазерного излучения. Для процессов лазерной обработки материалов, как правило сфокусированное лазерное излучение. При мощности лазерного излучения, меньшей чем 3 кВт, обычно используют линзы. Однако с повышением мощности лазерного излучения увеличивается поглощенная линзой мощность, что в совокупности с плохим теплоотводом, только по периферии линзы, приводит к росту термонапряжений и разрушению линзы, поэтому для фокусировки мощного лазерного излучения используют зеркальные фокусирующие устройства.

Зеркальное фокусирующее устройство [1] включает охлаждаемые зеркала, имеющие переднюю и заднюю поверхность, причем передняя поверхность может быть сферической, а задняя поверхность имеет тепловой контакт с охладителем. На переднюю поверхность зеркала нанесено отражающее покрытие. Такие зеркала обладают малыми термодеформациями и термонапряжениями, поскольку отвод поглощенного на передней отражающей поверхности тепла происходит на задней поверхности зеркала, т.е. в непосредственной близости от места поглощения тепла, а не на боковой поверхности зеркала, что позволяет использовать их вплоть до очень больших мощностей лазерного излучения.

Недостатком устройства-аналога является то, что оно имеет значительные аберрации, особенно для пучков излучения, падающих под углом к отражающей поверхности зеркала.

Фокусирующее устройство, которое наиболее близко к изобретению и является его прототипом, включает охлаждаемое зеркало, имеющую переднюю охлаждающую поверхность внеосевого параболоида [2].

В таком фокусирующем устройстве существенно уменьшены аберрации, но оно является весьма трудоемким в изготовлении и дорогостоящим вследствие необходимости точно изготавливать асферическую переднюю отражающую поверхность.

Задачей изобретения является упрощение конструкции, упрощение изготовления и снижение стоимости зеркального фокусирующего устройства для мощного лазерного излучения при сохранении низких аберраций сфокусированного излучения.

Фокусирующее устройство для мощного лазерного излучения (фиг. 1, 2) включает, согласно изобретению, поворотное зеркало, а также фокусирующее охлаждаемое зеркало, которое состоит из подложки 3, состоящей из материала, прозрачного на необходимой длине волны, имеющей переднюю 1 и заднюю 2 поверхность, по крайней мере одна из которых является выпуклой или вогнутой, причем на переднюю поверхность нанесено просветляющее покрытие 6 на необходимой длине волны, а на заднюю поверхность 5, находящуюся в тепловом контакте с охладителем 4, нанесено отражающее покрытие 7.

Устройство работает следующим образом. Лазерное излучение 8, отразившись от поворотного зеркала, два раза проходя последовательно линзу, образованную подложкой 3, ограниченной передней 1 и задней 2 поверхностями, и отражаясь от задней вогнутой зеркальной поверхности, испытывает фокусирующее действие, существенно более сильное, чем при отражении от единичной зеркальной поверхности с тем же радиусом кривизны. Следовательно, предлагаемое зеркало имеет при той же оптической силе в несколько раз большие радиусы кривизны оптических поверхностей, а значит, существенно меньшие аберрации третьего и высших порядков. Отвод, поглощенной доли мощности в материале подложки 3 и на покрытиях 6 и 7 происходит в охладитель за счет теплового контакта, осуществляемого через теплопроводящую прослойку или теплопроводящую пасту. Возможен также вариант непосредственного охлаждения отражающей поверхности жидким теплоносителем, например водой.

В качестве примера рассмотрим самый простой случай, когда передняя поверхность зеркала плоская, а задняя выпуклая с радиусом R. Оптическая сила такого зеркала
D = 1/F=2/R+2(n-1)/R=2n/R,
где
n - показатель преломления подложки; F - фокусное расстояние зеркала.

Из формулы видно, что оптическая сила в n раз больше, чем оптическая сила вогнутого зеркала с тем же радиусом кривизны. И, наоборот, для заданного фокусного расстояния необходимый радиус кривизны будет в n раз больше. В диапазоне длин волн наиболее используемого на практике CO₂-лазера 9-11 мкм удобным материалом являются селенид цинка, арсенид галлия и германий с показателями преломления n соответственно равными 2,4; 3,5 и 4,0.

При падении на такое зеркало пучка излучения под углом α луч, пройдя границу раздела воздух-подложка, испытает преломление и угол падения уменьшится так, что
,
где
Θ - угол падения на заднюю зеркальную поверхность, который уменьшился в n раз и при этом такие аберрации как кома и астигматизм также существенно уменьшатся.

Оптимизируя соотношение радиусов кривизны передней и задней поверхности на предлагаемом зеркале, например, выбрав радиусы кривизны из соотношения R₁/R₂=n можно минимизировать сферическую аберрацию.

Наиболее важное применение описанного выше охлаждаемого зеркала является использование его в качестве элемента фокусирующего объектива для лазерной резки. Для лазерной резки с высокой мощностью излучения используются двузеркальный объектив, состоящий из плоского и вогнутого зеркала при наклонном падении лазерного пучка на оба зеркала. Достоинством такого объектива является малое количество элементов и небольшой вес, недостатком - большое значение аберраций второго (астигматизм) и третьего порядка, прежде всего комы. Охлаждаемое сферическое зеркало, согласно нашему изобретению, значительно уменьшает аберрации, поэтому такое фокусирующее устройство позволяет существенно лучше сфокусировать излучение.

Рассмотрим два варианта объектива, включающего фокусирующее охлаждаемое сферическое зеркало.

1. Согласно первому варианту (фиг. 1) излучение падает на сферическое зеркало, предварительно отразившись от промежуточного зеркала, таким образом, что осевые линии входного и выходного пучков параллельны. При этом угол между падающим и отраженным лучами от охлаждаемого фокусирующего зеркала составляет θ. .

Если в качестве охлаждаемого фокусирующего зеркала использовать рассмотренное выше зеркало с отражением на задней грани подложки и с клином между задней и передней поверхностями, равным , причем задняя поверхность является сферической, а передняя плоской, то аберрации значительно уменьшаются.

При таком клине k сходящийся лазерный пучок, отраженный от зеркала, падает на плоскую грань перпендикулярно поверхности 1, в этом случае существенно уменьшаются аберрации третьего порядка.

В то же время с учетом того, что на искривленную поверхность 2 лучи теперь падают под углом θ/2, , то и астигматизм такого зеркала существенно уменьшается. При этом уменьшении астигматизма пропорционально n², т.е. при использовании селенида цинка происходит шестикратное уменьшение дефокусировки из-за астигматизма сферического зеркала. Для материалов с большим коэффициентом преломления, уменьшение астигматизма еще более значительное.

Дальнейшее улучшение фокусировки излучения предложенным объективом возможно при компенсации астигматизма фокусирующего охлаждаемого зеркала. Это возможно, во-первых, если в качестве поворотного зеркала использовать цилиндрическое, образующая цилиндрической поверхности которого лежит в плоскости падения излучения, а фокусное расстояние выбрано из условия компенсации астигматизма всей оптической системы. Возможно также изготовление одной из поверхностей фокусирующего охлаждаемого зеркала, например, передней, с цилиндрическим профилем поверхности для компенсации астигматизма другой (задней) сферической поверхности зеркала.

2. Согласно второму варианту (фиг. 2) излучение падает на сферическое зеркало перпендикулярно его поверхности, предварительно отразившись от плоского зеркала. После фокусирования сферическим зеркалом излучение проходит на объект через отверстие в плоском зеркале. Фокусирующий объектив, включающий сферическое зеркало, выполненное на задней поверхности прозрачной просветленной подложки, имеющее радиусы кривизны поверхностей с соотношением R₁/R₂= n, имеет существенно более низкие сферические аберрации, чем обычное отражающее сферическое зеркало.

Использование: изобретение относится к силовой лазерной оптике и может быть применено в устройствах фокусировки лазерного излучения. Сущность: для уменьшения аберраций в зеркальном фокусирующем объективе отражающее зеркало изготавливается из прозрачного на длине волны лазерного излучения материала с высоким показателем преломления, причем отражающее покрытие наносится на заднюю, охлаждаемую поверхность зеркала, а передняя поверхность зеркала просветляется. При косом падении на зеркало так, что угол между падающим и отраженным лучом равен θ. Зеркало выполняется в виде клина между передней плоской и задней сферической поверхностью с углом α = θ/2n. При нормальном падении излучения на зеркало клин принимается за 0, а радиусы кривизны передней и задней поверхностей зеркал относятся как R₁/R₂ = n. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Фокусирующее устройство для мощного лазерного излучения, включающее поворотное зеркало, а также фокусирующее охлаждаемое зеркало, состоящее из подложки, имеющей переднюю и заднюю поверхности, по крайней мере одна из которых является выпуклой или вогнутой, и охладитель, имеющий тепловой контакт с задней поверхностью зеркала, отличающееся тем, что на переднюю поверхность фокусирующего охлаждаемого зеркала нанесено просветляющее покрытие на длине волны лазерного излучения, материал подложки является прозрачным для лазерного излучения на упомянутой длине волны и имеет высокий коэффициент преломления, а отражающее покрытие нанесено на заднюю отражающую поверхность зеркала, имеющую тепловой контакт с охладителем. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что передняя и задняя поверхности фокусирующего охлаждаемого зеркала развернуты относительно друг друга на угол, равный θ/(2n) где θ - угол между падающим и отраженными лучами; n - показатель преломления подложки. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что поворотное зеркало имеет цилиндрическую отражающую поверхность, причем образующая цилиндрической поверхности лежит в плоскости падения излучения на зеркало или перпендикулярно ей, а фокусное расстояние поворотного зеркала выбрано из условия компенсации астигматизма всего фокусирующего объектива. 4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что фокусирующее охлаждаемое зеркало имеет цилиндрическую переднюю поверхность, ориентированную так, что образующая цилиндрической поверхности лежит в плоскости падения излучения на зеркало, а ее радиус выбран из условия компенсации астигматизма фокусирующего объектива. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фокусирующее охлаждаемое зеркало имеет радиусы кривизны передней R₁ и задней R₂ сферических поверхностей, которые выбраны из R₁ / R₂ = n.