УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ СВЕТОВЫХ ПУЧКОВ Российский патент 1998 года по МПК G02B27/48 

Предлагаемое изобретение относится к области квантовой электроники и когерентной оптики и может быть применено в оптическом приборостроении и лазерной технике.

Известны традиционные оптические устройства для формирования лазерных пучков, основанные на телескопировании их высококачественными телескопами (коллиматорами) (см., например, Б.Н.Бегунов, Н.П.Заказнов. Теория оптических систем. М.: Машиностроение, 488 с). Однако, для формирования пучков большого светового диаметра требуется создание высококачественных объективов, которое с ростом диаметра усложняется из-за трудностей изготовления и поддержания формы оптических деталей большого диаметра. Особо сложные требования приходится выполнять при создании больших поверочных и юстировочных коллиматоров, формируемый которыми волновой фронт должен иметь предельно малые погрешности.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство, реализующее способ формирования направленных световых пучков с помощью крупногабаритных объективов невысокого оптического качества (М.В.Васильев и др., Изв. АН СССР. Сер. Физическая, т. 55, стр. 260, 1991 г).

Это устройство состоит из главного зеркала невысокого оптического качества, устройства обращения волнового фронта (ОВФ) со светоделителем на входе и двух вспомогательных оптических систем, строящих изображение плоскости зрачка зеркального объектива в равном масштабе в плоскостях, оптически сопряженных по отношению к светоделителю на входе устройства ОВФ. Построенное главным зеркалом искаженное изображение объекта или точечного источника когерентного излучения одной из оптических систем направляется в устройство ОВФ, а после ОВФ другой системой - вновь на главное зеркало. При ОВФ волновые аберрации, внесенные погрешностями главного зеркала, меняют знак, вследствие чего при повторном отражении от главного зеркала, которое изображается вспомогательными системами и устройством ОВФ само на себя в единичном масштабе, компенсируются и окончательное изображение или сформированный световой пучок имеют высокое качество. Вспомогательные оптические системы должны иметь высокое оптическое качество.

Совмещение изображений в такой системе достигается с помощью системы поворотных зеркал. Это затрудняет юстировку системы. Кроме того, при использовании подобной системы в качестве поверочного коллиматора существенным недостатком является то, что вспомогательные системы содержат большое количество оптических поверхностей, погрешности которых сказываются на точности формируемого волнового фронта.

Целью предлагаемого изобретения является повышение направленности формируемого пучка за счет повышения точности юстировки и снижения количества оптических поверхностей в системе.

Эта цель достигается тем, что в устройстве для формирования световых пучков, содержащем устройство обращения волнового фронта со светоделителем на входе, а также оптически связанные с ним источник когерентного оптического излучения, вогнутое главное зеркало и две вспомогательные оптические системы, строящие изображения главного зеркала в одном и том же масштабе и в плоскостях, оптически сопряженных по отношению к светоделителю на входе устройства обращения волнового фронта, главное зеркало и элементы обеих вспомогательных систем расположены соосно, а светоделитель выполнен в виде полупрозрачного зеркала, нанесенного на поверхность линзового элемента одной из вспомогательных систем.

Эта же цель достигается в устройстве по п. 1, в котором первая вспомогательная оптическая система содержит вогнутое зеркало, линзовый компонент и мениск, обращенный выпуклой поверхностью к зеркальному объективу, причем на эту поверхность нанесено полупрозрачное зеркало, составляющее вторую вспомогательную оптическую систему.

Существенными признаками изобретения, совпадающими с прототипом, являются наличие главного зеркала, ОВФ-зеркала и взаимное расположение элементов с выполнением условия самопроецирования главного зеркала само на себя.

Существенными отличительными признаками изобретения являются соосное расположение оптических элементов и нанесение полупрозрачного зеркала на поверхность линзового элемента.

Наличие новой формы конструктивных элементов, и, следовательно, всего устройства в целом, новых связей между элементами, новое их взаимное расположение в совокупности с целью являются признаками, характеризующими объект как изобретение и его изобретательский уровень.

На фиг. 1 представлена оптическая схема устройства, реализующего предлагаемое изобретение, где 1 - точечный источник когерентного излучения, 2 - главное зеркало, 3 - вогнутое зеркало, 4 - линзовый компонент, 5 - вогнутое зеркало, 6 - выпуклое зеркало, 7 - менисковая линза, на выпуклую поверхность которой нанесено полупрозрачное зеркало, 8 - ячейка ОВФ. Ход лучей показан стрелками.

Устройство работает следующим образом. Главное зеркало 2 строит искаженное изображение точечного источника 1. Затем излучение отражается от зеркала 3, проходит через линзу 4, отражается от зеркал 5 и 8 и далее проходит сквозь мениск 7 на ячейку ОВФ 8. Излучение с обращенным волновым фронтом из ячейки 8 отражается от выпуклого зеркала, образованного ближайшей к нему поверхностью мениска 7, и затем коллимируется главным зеркалом 2. Элементы 4, 5, 6 и 7 (как линза) обеспечивают перепроецирование построенного зеркалом 3 изображения зрачка главного зеркала 1 в ту же плоскость, в которой выпуклое полупрозрачное зеркало 7 строит изображение зрачка главного зеркала 1. За счет этого вся система обеспечивает восстановление в обращенном ходе лучей изображения главного зеркала на нем самом в масштабе 1:1, как в устройстве-прототипе. При этом искажения волнового фронта, внесенные погрешностями главного зеркала при первом отражении, в обращенном ходе лучей компенсируются и система формирует высококачественное изображение.

На фиг. 2 приведена оптическая схема устройства, реализующего пп. 1,2 предлагаемого изобретения. На фиг: 1 - точечный источник когерентного излучения, 2 - главное зеркало, 3 - вогнутое зеркало, 4 - линзовый компонент, 5 - менисковая линза, на выпуклую поверхность которой нанесено полупрозрачное зеркало, 6 - ячейка ОВФ. Ход лучей показан стрелками.

Устройство работает следующим образом. Главное зеркало 2 строит искаженное изображение точечного источника 1. Затем излучение отражается от зеркала 3, проходит через линзу 4 и проходит сквозь мениск на ячейку ОВФ 6. Излучение с обращенным волновым фронтом из ячейки 6 отражается от выпуклого зеркала, образованного ближайшей к нему поверхностью мениска 5, и затем коллимируется главным зеркалом 2. Элементы 4 и 5 (как линза) обеспечивают перепроецирование построенного зеркалом 3 изображения зрачка главного зеркала 1 в ту же плоскость, в которой выпуклое полупрозрачное зеркало 5 строит изображение зрачка главного зеркала 1. За счет этого вся система обеспечивает восстановление в обращенном ходе лучей изображения главного зеркала на нем самом в масштабе 1:1. При этом искажения волнового фронта, внесенные погрешностями главного зеркала при первом отражении, в обращенном ходе лучей компенсируются и система формирует высококачественное изображение.

Использование предлагаемого изобретения позволяет повысить направленности формируемого пучка за счет повышения точности юстировки и снижения количества оптических поверхностей в системе.

Устройство для формирования световых пучков может быть использовано в оптическом приборостроении и лазерной технике. Устройство содержит источник когерентного оптического излучения и вогнутое главное зеркало, устройство обращения волнового фронта со светоделителем на входе и две вспомогательные оптические системы, обеспечивающие самопроецирование главного зеркала самого на себя. Главное зеркало и элементы обеих вспомогательных систем расположены соосно. Светоделитель выполнен в виде полупрозрачного зеркала, нанесенного на поверхность линзового элемента одной из вспомогательных систем. Первая вспомогательная система может быть выполнена в виде вогнутого зеркала, линзового компонента и мениска, обращенного выпуклой поверхностью к главному зеркалу. Вторая вспомогательная оптическая система может быть выполнена в виде полупрозрачного зеркала, нанесенного на выпуклую поверхность мениска. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для формирования световых пучков, содержащее источник когерентного оптического излучения и вогнутое главное зеркало, а также оптически связанные с ними устройство обращения волнового фронта со светоделителем на входе и две вспомогательные оптические системы, обеспечивающие самопроецирование главного зеркала самого на себя, отличающееся тем, что главное зеркало и элементы обеих вспомогательных систем расположены соосно, а светоделитель выполнен в виде полупрозрачного зеркала, нанесенного на поверхность линзового элемента одной из вспомогательных систем. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первая вспомогательная система выполнена в виде вогнутого зеркала, линзового компонента и мениска, обращенного выпуклой поверхностью к главному зеркалу, причем вторая вспомогательная оптическая система выполнена в виде полупрозрачного зеркала, нанесенного на выпуклую поверхность мениска.