ПЛОСКО-ВОГНУТАЯ ЛИНЗА ИЗ ЛЕЙКОСАПФИРА, ФОРМИРУЮЩАЯ ПЛОСКИЙ ВОЛНОВОЙ ФРОНТ ДЛЯ НЕОБЫКНОВЕННЫХ ЛУЧЕЙ, И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК G02B1/02 G02B1/08 C30B33/00 

Изобретение относится к технологии линз для оптических систем современных оптических, и оптоэлектронных, и лазерных приборов, работающих в ультрафиолетовой, видимой и ИК областях спектров, а также может быть использовано при изготовлении линз из лейкосапфира с плоским волновым фронтом необыкновенного луча.

Известен способ получения оптических линз, включающий получение выпукло-вогнутых заготовок пластической деформацией изгиба плоскопараллельных пластинок из Z-среза кристаллов Аl2O3 полусферическим пуансоном или пуансоном в виде сферического сегмента и ориентации оси симметрии заготовки по оптической оси линзы при последующих технологических операциях (см. патент РФ 2285757, опубл. 20.10.2006 по индексу МПК С30В 33/00). Указанный способ не позволяет получать линзу из лейкосапфира, формирующую плоский волновой фронт необыкновенного луча.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является плоская линза из лейкосапфира и способ ее получения из пластически деформированной заготовки, в которой ось симметрии плоской линзы совпадает с осью симметрии пластически деформированной заготовки, а входящая и выходящая поверхности являются плоскостями, перпендикулярными ей, причем входящая поверхность плоской линзы образована со стороны вершины заготовки. Однако при нормальном падении параллельного пучка лучей не создается плоский волновой фронт необыкновенного луча из-за разной скорости распространения света в детали, связанной с изменением оптических свойств кристалла при пластической деформации (см. патент РФ 2482522, опубл. 25.05.2013 по индексу МПК G02B 1/02).

Данным способом получают плоскую собирательную линзу из лейкосапфира для необыкновенных лучей (для параллельного пучка света, направленного перпендикулярно входящей поверхности), прозрачной в области 25000-2000 см^-1. Однако указанный способ позволяет получать собирательную линзу для необыкновенного луча с изменяемым волновым фронтом в рабочей апертуре.

Задачей предлагаемого технического решения является создание линзы из лейкосапфира, формирующей плоский волновой фронт для необыкновенных лучей, и прозрачной в области 25000-2000 см^-1 для параллельного пучка света, направленного перпендикулярно входящей поверхности.

Технический результат достигается с помощью группы изобретений, объединенных изобретательским замыслом: конструкция линзы и способ ее получения.

Плоско-вогнутая линза из лейкосапфира, формирующая плоский волновой фронт для необыкновенных лучей, изготовленная из пластически деформированной заготовки, в которой входящая плоская поверхность перпендикулярна оси симметрии заготовки и образована со стороны вершины заготовки на расстоянии х₀<Н, где Н - толщина заготовки, а выходящая поверхность имеет профиль, обеспечивающий изменение толщины h_y=h₀×n₀/n_y, где h₀ - толщина линзы в центре, n₀ - показатель преломления обыкновенного луча, а n_y - показатель преломления необыкновенного луча на расстоянии Y от центра линзы.

Способ получения плоско-вогнутой линзы из лейкосапфира, формирующей плоский волновой фронт для необыкновенных лучей, включающий изготовление заготовки путем пластической деформации плоскопараллельной пластинки из Z-среза кристалла методом центрально-кольцевого изгиба, формирование поверхности линзы с помощью методов удаления с заготовки избыточного слоя материала, при этом входящую поверхность формируют со стороны вершины как плоскость, перпендикулярную оси симметрии заготовки на расстоянии х₀<Н от ее вершины, где Н - толщина заготовки, в котором в отличие от прототипа выходящую вогнутую поверхность линзы образуют как поверхность вращения с сечением, обеспечивающим изменение толщины линзы h_y=h₀×n₀/n_y, где h₀ - толщина линзы в центре, n₀ - показатель преломления обыкновенного луча, а n_y - показатель преломления необыкновенного луча на расстоянии Y от центра линзы.

Получение новой конструкции плоско-вогнутой линзы из лейкосапфира указанным способом позволяет обеспечить уникальные свойства кристаллической оптической линзы, в которой падающий параллельный пучок неполяризованных лучей, направленный перпендикулярно плоской поверхности линзы, после преломления на входящей (плоской) поверхности линзы образует необыкновенный луч, который распространяется под углом р к оси симметрии линзы и обыкновенному лучу со скоростью, обусловленной углом отклонения оптической оси кристалла от оси симметрии линзы, т.е. зависящей от расстояния луча до центра линзы. Причем в центре скорость необыкновенного луча соответствует показателю преломления n₀ больше, а с увеличением расстояния от центра линзы скорость распространения луча уменьшается согласно изменению показателя n_y преломления необыкновенного луча на расстоянии Y от центра линзы. Для создания плоского фронта волны время прохождения отклоненного необыкновенного луча до преломления на выходящей поверхности необходимо увеличить, компенсируя меньшую скорость, до отрезка времени, равного прохождению луча (обыкновенного и необыкновенного) в центре линзы. Изменение времени прохождения луча пропорционально изменению показателя преломления необыкновенного луча при увеличении расстояния от центра линзы.

На чертеже представлена схема плоско-вогнутой линзы из лейкосапфира, формирующей плоский волновой фронт для необыкновенных лучей и преломления луча, падающего перпендикулярно входящей поверхности линзы, где 1 - линза толщиной в центре h₀, Z - оптическая ось пластически деформированного кристалла, 2 - входящая плоская поверхность линзы, 3 - выходящая вогнутая поверхность линзы, 4 - обыкновенный луч, 5 - необыкновенный луч. Угол р между обыкновенным лучом 4 и необыкновенным лучом 5 после преломления на входящей поверхности линзы. Y - расстояние от центра линзы, по величине которого формируется профиль выходящей - вогнутой поверхности с толщиной линзы h_y=h₀×n₀/n_y.

Конкретный пример получения плоско-вогнутой линзы из лейкосапфира, формирующей плоский волновой фронт для необыкновенных лучей: из кристалла лейкосапфира изготавливают заготовку в виде плоскопараллельной пластины Z-среза, которую подвергают пластической деформации изгиба полусферическим пуансоном радиусом 32 мм. Заготовку толщиной Н=6,0 мм обрабатывают путем удаления избыточного материала методом шлифовки и полировки до получения входящей поверхности линзы - плоскости, перпендикулярной оси симметрии заготовки, а вторую поверхность линзы, симметричную относительно центра детали, формируют как поверхностью вращения с сечением, обеспечивающим изменение толщины h_y=h₀×n₀/n_y, где - h₀ толщина линзы в центре, n₀ - показатель преломления обыкновенного луча, а n_y - показатель преломления необыкновенного луча на расстоянии Y от центра линзы.

Полученная плоско-вогнутая линза является линзой с сформированным плоским волновым фронтом необыкновенного луча при падении на ее поверхность пучка лучей, направленных перпендикулярно входящей поверхности линзы.

При нормальном падении пучка лучей обыкновенный луч преломляется на выходящей поверхности линзы. Время задержки необыкновенного луча зависит от расстояния луча до центра линзы и ее толщины в центре, от расстояния расположения входящей поверхности плоской линзы относительно заготовки. Лейкосапфир - материал с нормальной дисперсией показателя преломления света, а при изменении длины волны излучения форму выходящей поверхности линзы необходимо учитывать, используя соотношение h_y=h₀×n₀/n_y.

Линзы, изготовленные описанным способом, имеют уникальные свойства, которые необходимо использовать при изготовлении кристаллических деталей из лейкосапфира с плоским волновым фронтом необыкновенных лучей, используемые в оптических системах современных приборов, работающих в ультрафиолетовой, видимой и ИК областях спектров.

Изобретение может быть использовано в оптических системах оптических, оптоэлектронных и лазерных приборов, работающих в ультрафиолетовой, видимой и ИК областях спектров. Плоско-вогнутая линза изготовлена из пластически деформированной заготовки, в которой входящая плоская поверхность перпендикулярна оси симметрии заготовки и образована со стороны вершины заготовки на расстоянии х₀<Н, где Н - толщина заготовки. Выходящая поверхность линзы имеет профиль, обеспечивающий изменение толщины h_y=h₀×n₀/n_y, где h₀ - толщина линзы в центре, n₀ - показатель преломления обыкновенного луча, а n_y - показатель преломления необыкновенного луча на расстоянии Y от центра линзы. Заготовку изготавливают путем пластической деформации плоскопараллельной пластинки из Z-среза кристалла методом центрально-кольцевого изгиба. Поверхность линзы формируют удалением с заготовки избыточного слоя материала. Технический результат - создание линзы из лейкосапфира, формирующей плоский волновой фронт необыкновенных лучей и прозрачной в области 25000-2000 см^-1 для параллельного пучка света, перпендикулярного входящей поверхности. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Плоско-вогнутая линза из лейкосапфира, формирующая плоский волновой фронт для необыкновенных лучей, изготовленная из пластически деформированной заготовки, в которой входящая плоская поверхность перпендикулярна оси симметрии заготовки и образована со стороны вершины заготовки на расстоянии х₀<Н, где Н - толщина заготовки, а выходящая поверхность имеет профиль, обеспечивающий изменение толщины h_y=h₀×n₀/n_y, где h₀ - толщина линзы в центре, n₀ - показатель преломления обыкновенного луча, а n_y - показатель преломления необыкновенного луча на расстоянии Y от центра линзы.

2. Способ получения плоско-вогнутой линзы из лейкосапфира, формирующей плоский волновой фронт для необыкновенных лучей, включающий изготовление заготовки путем пластической деформации плоскопараллельной пластинки из Z-среза кристалла методом центрально-кольцевого изгиба, формирование поверхности линзы с помощью методов удаления с заготовки избыточного слоя материала, при этом входящую поверхность формируют со стороны вершины как плоскость, перпендикулярную оси симметрии заготовки на расстоянии х₀<Н от ее вершины, где Н - толщина заготовки, отличающийся тем, что выходящую вогнутую поверхность линзы образуют как поверхность вращения с сечением, обеспечивающим изменение толщины линзы h_y=h₀×n₀/n_y, где h₀ - толщина линзы в центре, n₀ - показатель преломления обыкновенного луча, а n_y - показатель преломления необыкновенного луча на расстоянии Y от центра линзы.