Ахроматический расширитель лазерного пучка с плавно изменяемым увеличением Российский патент 2023 года по МПК G02B27/09 G02B9/12 

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано в качестве расширителя диаметра пучка, используемого в лазерном технологическом оборудовании.

Лазерное излучение, благодаря таким его особенностям как монохроматичность, когерентность, малая расходимость и высокая яркость широко используется для лазерной сварки, резки, гравировки и других технологических процессов обработки материалов.

Для большинства типов лазеров, используемых в установках характерны небольшие диаметры пучков - порядка 0,5÷2,0 мм. В то же время, в зоне обработки материала, при решении ряда задач, необходимо сфокусировать излучение в пятно с наименьшим диаметром либо для того, чтобы создать большую плотность мощности, например, при резке или сварке материала, либо чтобы повысить точность обработки, например, при гравировке материала. Минимальный диаметр пятна δ, в которое можно сфокусировать лазерное излучение теоретически дается известной формулой Рэлея: δ=2,44λƒ/D, где λ - длина волны лазера, ƒ - фокусное расстояние объектива, D - диаметр входного зрачка объектива. Очевидно, что для того, чтобы сфокусировать излучение в пятно малого размера, необходимо увеличивать диаметр входного зрачка объектива D, который должен быть полностью заполнен лазерным излучением, то есть необходимо расширять лазерный пучок. С этой целью применяются расширители или трансфокаторы пучка с постоянным или переменным увеличением.

В настоящее время в лазерных технологических установках и в другом оборудовании используется широкая номенклатура источников излучения, работающих на разных длинах волн. Поэтому оптическая схема расширителя лазерного пучка должна обеспечивать необходимый диаметр коллимированного пучка на выходе расширителя не только с учетом разных диаметров пучка на входе, но и с учетом разных рабочих длин волн в зависимости от примененного типа лазера. Кроме того, широкое распространение получили лазеры с перестраиваемой рабочей длиной волны. Такие лазеры требуют для совместной работы формирующую оптику, в том числе, расширители с исправленными хроматическими аберрациями в широком спектральном диапазоне.

Известен дифракционно-ограниченный расширяющий телескоп [патент US 4461546 А, 24.07.1984, "Diffraction-limited achromatic beam expanding telescope"], состоящий из двух дублетов, разделенных большим воздушным промежутком, рассчитанный на увеличение 20^х в широком спектральном диапазоне (0,240÷1,100) мкм.

Недостатками известного расширяющего телескопа являются:

- отсутствие возможности изменения увеличения;

- большая длина схемы (244 мм).

Известен расширитель [патент US 5305150 А, 19.04.1994, "Laser beam expander: 10x"], состоящий из четырех линз, расположенных на одной оси вдоль падающего пучка лазерного излучения и разделенных воздушными промежутками, рассчитанный на рабочий спектральный диапазон 0,365÷1,300 мкм и увеличение 10^х.

Недостатками известного расширителя являются:

- отсутствие возможности изменения увеличения;

- применение трех разных материалов для изготовления линз.

Известен расширитель с изменяемым увеличением [ЕР 0453822 А1, 30.10.91, "Zoom beam expander"], состоящий из трех расклеенных дублетов, расположенных на одной оси вдоль падающего пучка лазерного излучения и разделенных воздушными промежутками; первый и второй дублеты могут перемещаться вдоль оптической оси относительно неподвижного третьего дублета для изменения увеличения расширителя в пределах 4,251÷6,790 крат; рабочий спектральный диапазон расширителя 486,1÷632,8 нм.

Недостатками известного расширителя являются:

- небольшие по величине увеличения;

- небольшой диапазон изменения увеличений;

- узкий рабочий спектральный диапазон, что ограничивает номенклатуру лазерных источников, совместимых с данным расширителем;

- сложность оптической схемы.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является расширитель лазерного пучка [патент CN 214795440 U, 19.11.2021, "Dual-wavelength large-magnification continuous zooming laser beam expander"]. Расширитель состоит из четырех линз, расположенных на одной оси вдоль падающего пучка лазерного излучения, разделенных воздушными промежутками. Первая и вторая линзы плосковогнутые с одинаковыми радиусами, причем вогнутая поверхность первой линзы обращена в сторону излучателя, третья линза менисковая, четвертая - двояковыпуклая с разными радиусами. Расстояния между первой и второй линзами изменяется для обеспечения вариации увеличения расширителя в диапазоне 20÷40 крат при диаметре входного пучка 0,5-1,0 мм. Все линзы расширителя изготовлены из плавленого кварца. Оптическая схема рассчитана на работу с двумя длинами волн λ₁=355 нм (УФ линия излучения аргонового лазера) и λ₂=532 нм (вторая гармоника Nd: YAG-лазера).

Недостатками этого технического решения являются:

- ограниченные возможности применения расширителя по спектральному диапазону: он рассчитан всего лишь на две рабочие длины волны;

- возможность возникновения сфокусированного блика в результате отражения от вогнутой поверхности первой линзы, обращенной в сторону лазера.

Техническая задача предполагаемого изобретения направлена на создание устройства с увеличенным рабочим спектральным диапазоном, расширенным диапазоном изменения увеличений, высокой степенью коррекции аберраций при исключении возможности образования сфокусированного излучения в направлении излучателя от поверхностей первого компонента расширителя.

Технический результат заключается в расширении рабочего спектрального диапазона расширителя, увеличении диаметра входного пучка, расширении диапазона увеличений и повышении степени коррекции аберраций.

Это достигается тем, что ахроматический расширитель лазерного пучка с плавно изменяемым увеличением включает три оптически связанных компонента, разделенных воздушными промежутками, первый компонент содержит первую линзу, второй компонент содержит вторую линзу, третий компонент, содержит третью линзу и двояковыпуклую четвертую линзу, согласно изобретению первый и третий компоненты выполнены с возможностью перемещения вдоль оптической оси относительно неподвижного второго компонента, первая линза первого компонента выполнена в виде положительного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к излучателю, вторая линза второго компонента - двояковогнутой с одинаковыми радиусами, третья линза третьего компонента - двояковогнутой, причем первая, вторая и четвертая линзы выполнены из оптического стекла с n_d=1,439 и υ_d=94,7, а третья линза - из оптического стекла с n_d=1,642 и υ_d=58,4, где n_d и υ_d - показатели преломления и числа Аббе стекол для линии d соответственно.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

- на фиг. 1 показана оптическая схема ахроматического расширителя лазерного пучка с плавно изменяемым увеличением и приняты следующие обозначения:

1 - первая линза первого компонента в виде положительного мениска,

2 - двояковогнутая вторая линза второго компонента,

3 - двояковогнутая третья линза третьего компонента,

4 - двояковыпуклая четвертая линза третьего компонента,

d1 - толщина первой линзы,

d2 - изменяемое расстояние между первым и вторым компонентами,

d3 - толщина второй линзы,

d4 - изменяемое расстояние между вторым и третьим компонентами,

d5 - толщина третьей линзы,

d6 - величина воздушного промежутка между третьей и четвертой линзами,

d7 - толщина четвертой линзы;

- на фиг. 2 приведен график зависимости концентрации энергии в пятне в зависимости от радиуса;

- на фиг. 3 приведен график ошибки волнового фронта для разных длин волн в сравнении с дифракционным пределом;

- на фиг. 4 приведен график волновых аберраций расширителя при диаметре входного пучка 2 мм и увеличении 15^х для длины волны 1,0640 мкм;

- на фиг. 5 приведен график волновых аберраций расширителя при диаметре входного пучка 2 мм и увеличении 15^х для длины волны 0,4765 мкм.

Ахроматический расширитель лазерного пучка с плавно изменяемым увеличением включает три оптически связанных компонента, разделенных воздушными промежутками. Первый компонент содержит первую линзу 1 в виде положительного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к излучателю, и выполнен с возможностью перемещения вдоль оптической оси относительно неподвижного второго компонента, содержащего двояковогнутую вторую линзу 2 с одинаковыми радиусами. Третий компонент, содержащий двояковогнутую третью линзу 3 и двояковыпуклую четвертую линзу 4, также выполнен с возможностью перемещаться вдоль оптической оси относительно второго компонента. Первая 1, вторая 2 и четвертая 4 линзы выполнены из оптического стекла с n_d=1,439 и υ_d=94,7, а третья линза - из оптического стекла с n_d=1,642 и υ_d=58,4, где n_d и υ_d - показатели преломления и числа Аббе стекол для линии d соответственно.

Ахроматический расширитель лазерного пучка с плавно изменяемым увеличением, работает следующим образом: лазерный псевдопараллельный пучок, исходящий из лазерного излучателя, попадает на менисковую первую линзу 1 первого компонента, имеющую положительную оптическую силу, после чего становится сходящимся, и на первой поверхности двояковогнутой второй линзы 2 второго компонента диаметр сечения пучка уменьшается; после прохождения двояковогнутой второй линзы 2 второго компонента, имеющей отрицательную оптическую силу, пучок начинает расходиться и попадает сначала на двояковогнутую третью линзу 3 третьего компонента, а затем и на двояковыпуклую четвертую линзу 4 третьего компонента, после чего становится параллельным и увеличенным в диаметре. Расстояние d2 меняется для изменения диаметра сечения пучка, а расстояние d4 меняется в соответствии с изменением d2 для компенсации изменившейся сходимости пучка и коллимации излучения. Таким образом осуществляется вариация диаметра пучка на выходе расширителя и, в соответствии с выбранным увеличением, уменьшается расходимость лазерного излучения.

Следует подчеркнуть, что расширитель по предлагаемой схеме может быть рассчитан для любых лазеров с рабочей длиной волны в диапазоне от УФ до ближнего ИК-излучения. В соответствии с предложенным решением в качестве конкретного примера рассчитан расширитель для Nd:YAG лазера, работающий в широком спектральном диапазоне и обладающий следующими техническими характеристиками:

- рабочий спектральный диапазон 476,5÷1064,0 нм;

- диаметр входного пучка: 1÷2 мм;

- диапазон изменения увеличения: 6÷15 крат для входного диаметра пучка до 2 мм;

- максимальная длина оптической схемы: 227 мм.

Конструктивные параметры рассчитанного ахроматического расширителя лазерного пучка с плавно изменяемым увеличением приведены в Таблице 1, где указаны радиусы поверхностей линз, их толщины и материал.

Все оптические поверхности линз расширителя имеют сферическую форму. В устройстве использовано только два типа оптического стекла.

В таблице 2 приведены значения изменяемых расстояний d2 и d4 при увеличениях расширителя 6, 8 и 15 крат.

Анализ аберраций оптической схемы расширителя лазерного пучка проводился с использованием модели параксиальной (безаберрационной) линзы с фокусным расстоянием 100 мм, позволяющей сфокусировать коллимированный пучок.

На фиг. 2 видно, что график практически совпадает с теоретическим пределом (Diff. Limit), два графика накладываются друг на друга.

На фиг. 3 видно, что ошибка составляет менее 0,025λ, где λ - рабочая длина волны лазера.

На Фиг. 4 приведен график волновых аберраций расширителя при диаметре входного пучка 2 мм и увеличении 15^х для длины волны 1,064 мкм. Волновая аберрация не превышает ±0,050λ.

На Фиг. 5 приведен график волновых аберраций расширителя при диаметре входного пучка 2 мм и увеличении 15^х для длины волны 0,4765 мкм. Волновая аберрация не превышает ±0,100λ.

Волновая аберрация характеризует качество изображения -распределение интенсивности (мощности света) по диаметру пятна изображения. При <0,100λ - идеальное качество, при <0,250λ - очень высокого качества и т.д.

Ахроматический расширитель может работать с диаметрами входных пучков 1÷2 мм при увеличениях 6÷15 крат, а максимальный диаметр выходного пучка, при котором сохраняется дифракционное качество изображения достигает 30 мм (∅2 мм × 15^х), при этом среднеквадратическая ошибка волнового фронта не превышает 0,02λ. Среднеквадратическая ошибка волнового фронта при диаметре входного пучка 1 мм и увеличении 15 крат - менее 0,007λ.

Использование изобретения позволяет создать конструкцию расширителя с увеличенным рабочим спектральным диапазоном, увеличенным диаметром входного пучка, расширенным диапазоном изменения увеличений, высокой степенью коррекции аберраций, которая исключает возможность образования сфокусированного обратного блика от поверхности первого компонента и может быть использована в составе технологических установок с лазерными источниками излучения, работающими в широком спектральном диапазоне, а также с лазерами с перестраиваемой частотой генерации.

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано в качестве расширителя диаметра пучка, используемого в лазерном технологическом оборудовании. Технический результат заключается в увеличении рабочего спектрального диапазона расширителя, увеличении диаметра входного пучка, расширении диапазона увеличений и повышении степени коррекции аберраций. Ахроматический расширитель лазерного пучка с плавно изменяемым увеличением включает три оптически связанных компонента, разделенных воздушными промежутками. Первый компонент содержит первую линзу и выполнен с возможностью перемещения вдоль оптической оси относительно неподвижного второго компонента, содержащего вторую линзу, третий компонент содержит третью линзу и двояковыпуклую четвертую линзу и также выполнен с возможностью перемещаться вдоль оптической оси относительно второго компонента. Первая линза первого компонента выполнена в виде положительного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к излучателю, вторая линза второго компонента - двояковогнутой с одинаковыми радиусами, третья линза третьего компонента - двояковогнутой, причем первая, вторая и четвертая линзы выполнены из оптического стекла с n_d=1,439 и υ_d=94,7, а третья линза - из оптического стекла с n_d=1,642 и υ_d=58,4, где n_d и υ_d - показатели преломления и числа Аббе стекол для линии d соответственно. 5 ил., 2 табл.

Ахроматический расширитель лазерного пучка с плавно изменяемым увеличением, включающий три оптически связанных компонента, разделенных воздушными промежутками, первый компонент содержит первую линзу, второй компонент содержит вторую линзу, третий компонент содержит третью линзу и двояковыпуклую четвертую линзу, отличающийся тем, что первый и третий компоненты выполнены с возможностью перемещения вдоль оптической оси относительно неподвижного второго компонента, первая линза первого компонента выполнена в виде положительного мениска, обращенного выпуклой поверхностью к излучателю, вторая линза второго компонента - двояковогнутой с одинаковыми радиусами, третья линза третьего компонента - двояковогнутой, причем первая, вторая и четвертая линзы выполнены из оптического стекла с n_d=1,439 и υ_d=94,7, а третья линза - из оптического стекла с n_d=1,642 и υ_d=58,4, где n_d и υ_d - показатели преломления и числа Аббе стекол для линии d соответственно.