Способ формирования пучка лазерного излучения с сечением прямоугольной формы и равномерным распределением интенсивности Российский патент 2024 года по МПК G02B19/00 G02B27/09 

Изобретение относится к оптическим устройствам и может быть использовано в оптических формирователях лазерных пучков в тех направлениях науки и техники, где требуется высокая степень равномерности освещенности объектов, подвергающихся облучению, например:

- при разработке лазерных комплексов в части формирования и фокусировки лазерного излучения на удаленный объект;

- для наиболее полного заполнения объема рабочей среды активного элемента твердотельного или жидкостного лазеров излучением накачки диодных источников накачки;

- в экспериментальной физике при исследованиях воздействия мощного оптического излучения на материалы;

- в технологии обработки материалов при лазерной поверхностной обработке, при лазерной фотолитографии и т.д.;

- в электронной технике, в электронных системах записи или воспроизведения телевизионных изображений.

Известен способ формирования и выравнивания равномерности освещенности по сечению оптического пучка в [1], включающий формирование пучка источником излучения и выравнивание равномерности освещенности прозрачного объекта в плоскости проекции последовательно установленными источником излучения со светящимся телом, коллектором, линзовым растром и конденсором.

Существенными недостатками этого способа являются:

- высокая трудоемкость изготовления линзовых растров, связанная с высокоточным изготовлением большого числа оптических элементов;

- сложность юстировки оптического устройства, особенно в инфракрасной области спектра, связанная с одновременным совмещением фокусов линз и нескольких фокальных плоскостей;

- ухудшение равномерности распределения интенсивности в пятне, за счет использования большого количества сферических оптических поверхностей, вносящих искажения в итоговое распределение за счет аберраций;

- формирование формы сечения лазерного излучения с равномерной интенсивностью только с фиксированными размерами и только на фиксированной дальности. Этот способ не позволяет получать излучение с сечением прямоугольной формы с регулируемыми размерами сечения и регулируемой дальностью.

Известен способ формирования и выравнивания интенсивности по сечению лазерного пучка [2], включающий формирование лазерного пучка излучения, преобразование его круглого сечения двумя линзовыми растрами, один из которых цилиндрический, и установленными за ними двумя цилиндрическими линзами в узкую световую полосу с равномерным распределением света в совмещенных задних фокальных плоскостях цилиндрических линз.

Существенными недостатками этого способа являются:

- высокая трудоемкость изготовления линзовых растров, связанная с высокоточным изготовлением и сборкой на оптическом контакте большого числа оптических элементов;

- сложность юстировки оптического устройства, особенно в инфракрасной области спектра, связанная с одновременным совмещением фокусов линз и нескольких фокальных плоскостей;

- наличие сферических аберраций;

- формирование формы сечения лазерного излучения с равномерной интенсивностью только в виде узкой световой полосы заданных фиксированных размеров и только на фиксированной дальности. Этот способ не позволяет получить излучение с сечением прямоугольной формы с регулируемыми размерами сечения и регулируемой дальностью.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ формирования пучка лазерного излучения с сечением квадратной формы и равномерным распределением интенсивности [3], включающий формирование лазерного пучка излучения, преобразование его круглого сечения в квадратное формирующей системой с нечетным числом элементов в сагиттальной и меридиональной плоскостях и получение равномерного распределения интенсивности в ее фокальной плоскости.

К недостаткам этого способа можно отнести:

- формирование формы сечения лазерного излучения с равномерной интенсивностью только в виде фиксированного квадрата и только на фиксированной дальности. Этот способ не позволяет получать излучение с сечением прямоугольной формы с регулируемыми размерами сечения и регулируемой дальностью;

- существование ограничений на минимальные и максимальные размеры квадратного сечения с равномерной интенсивностью лазерного пучка, равные ширине элемента формирующей системы, связанных с технологией изготовления формирующей системы.

Задачей изобретения является формирование пучка лазерного излучения с сечением прямоугольной формы с переменными размерами и равномерным распределением интенсивности на заданных переменных дальностях.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе формирования пучка лазерного излучения с сечением квадратной формы и равномерным распределением интенсивности, включающем формирование лазерного пучка излучения, преобразование его круглого сечения в квадратное формирующей системой с нечетным числом элементов в сагиттальной и меридиональной плоскостях и получение равномерного распределения интенсивности в ее фокальной плоскости, производят раздельное в сагиттальной и меридиональной плоскостях изменение квадратного сечения пучка лазерного излучения в прямоугольное с переменными размерами в системе преобразования с переменным фокусным расстоянием, создающей равномерное распределение интенсивности в пучке лазерного излучения на заданных переменных дальностях, при этом задняя фокальная плоскость формирующей системы и передняя фокальная плоскость системы преобразования совмещены, а фокусное расстояние системы преобразования равно отношению произведения ширины элемента формирующей системы и заданной дальности к заданному размеру прямоугольного сечения пучка лазерного излучения.

На рисунке показана одна из возможных принципиальных оптических схем для реализации предложенного способа, где: 1 - излучатель; 2 - система формирования излучения; 3(1), 3(2) - формирующая система в меридиональной и сагиттальной плоскостях; 4(1), 4(2) - система преобразования с переменным фокусным расстоянием в меридиональной и сагиттальной плоскостях; L - переменная дальность до плоскости изображения пучка лазерного излучения с сечением прямоугольной формы и равномерным распределением интенсивности.

Излучатель 1 предназначен для создания лазерного излучения. Система формирования излучения 2 предназначена для формирования лазерного излучения. В качестве излучателя может быть излучатель с оптоволоконным выводом, а в качестве системы формирования излучения - коллиматор. Коллиматор представляет собой двух- или трехлинзовую систему со стандартными сферическими поверхностями. При расположении торца сердцевины оптоволоконного вывода в фокальной плоскости коллиматора через него выходит пучок, сфокусированный на бесконечность.

Формирующая система в меридиональной и сагиттальной плоскостях 3(1), 3(2) предназначена для преобразования круглого сечения лазерного пучка излучения в квадратное и получение равномерного распределения интенсивности в ее фокальной плоскости. Преобразование круглого сечения лазерного пучка излучения в квадратное осуществляется раздельно в меридиональной и сагиттальной плоскостях. Формирующая система представляет собой призменный растр и выполнена в виде двух выпуклых образованных равными плоскими прямоугольными гранями поверхностей, развернутых друг относительно друга на 90°, при этом число граней N на каждой поверхности нечетно, центральные грани параллельны.

Система преобразования с переменным фокусным расстоянием в меридиональной и сагиттальной плоскостях 4(1), 4(2) предназначена для раздельного в меридиональной и сагиттальной плоскостях изменения квадратного сечения пучка лазерного излучения в прямоугольное с переменными размерами и создания равномерного распределения интенсивности в пучке лазерного излучения на заданных переменных дальностях L. В качестве системы преобразования с переменным фокусным расстоянием, например, может представлять телескопическая система. При изменении базы между окуляром и объективом меняется эффективное фокусное расстояние телескопической системы. Для осуществления раздельного в меридиональной и сагиттальной плоскостях изменения квадратного сечения пучка лазерного излучения в прямоугольное используется цилиндрическая оптика.

Способ формирования пучка лазерного излучения с сечением прямоугольной формы и равномерным распределением интенсивности реализован следующим образом.

Торец сердцевины оптоволоконного вывода излучателя 1 располагают в фокальной плоскости коллиматора 2.

При подаче управляющей команды на подачу электропитания излучателю 1 он начинает генерировать когерентные электромагнитные волны, передаваемые по оптоволоконному выводу, торец сердцевины которого является источником излучения, откуда выходит лазерный пучок.

Выходное лазерное излучение излучателя 1, исходящее из торца сердцевины оптоволоконного вывода, проходит сферические линзы коллиматора 2, формируя лазерное излучение с сечением круглой формы, и выходит сфокусированным на бесконечность при расположении торца сердцевины оптоволоконного вывода в фокальной плоскости коллиматора 2.

Преобразование круглого сечения лазерного излучения в прямоугольное осуществляется раздельно и последовательно в меридиональной и сагиттальной плоскостях.

Выходное излучение коллиматора с сечением круглой формы поступает на формирующую систему в меридиональной плоскости 3(1), размеры которого не меньше диаметра выходящего из коллиматора оптического пучка D_кол., и, проходя ее, разбивается в меридиональной плоскости на число граней N оптических пучков, при этом все пучки имеют одинаковые, определяемые конструкцией формирующей системы сечения в меридиональной плоскости и все они фокусируются в ее фокальной плоскости. При их статическом суммировании происходит усреднение интенсивности лазерного излучения по плоскости фокального пятна формирующей системы 3(1), приводящее к существенному повышению равномерности распределения интенсивности света в фокальном пятне. Круглое сечение лазерного излучения в фокальной плоскости формирующей системы преобразуется в меридиональной плоскости в виде полоски с шириной, равной ширине элемента r формирующей системы. Размер апертуры на выходе коллиматора D и число элементов формирующей системы N связаны соотношением D=r×N.

Далее лазерное излучение поступает в систему преобразования с переменным фокусным расстоянием в меридиональной плоскости 4(1), передняя фокальная плоскость которой совмещена с задней фокальной плоскостью формирующей системы 3(1). Фокусное расстояние системы преобразования в меридиональной плоскости 4(1) равно:

f_мep.=r×L/d_мep.,

где L - дальность до плоскости изображения пучка лазерного излучения с сечением прямоугольной формы и равномерным распределением интенсивности;

r - ширина элемента формирующей системы;

d_мep. - заданный размер пятна лазерного излучения в меридиональной плоскости с равномерным распределением интенсивности на дальности L.

Система преобразования в меридиональной плоскости преобразует размер пятна в задней фокальной плоскости формирующей системы, равный ширине ее элемента r, в размер d_мep.на дальности L, поскольку в меридиональной плоскости задняя фокальная плоскость формирующей системы совмещена с передней фокальной плоскостью системы преобразования.

Далее аналогично осуществляются операции в сагиттальной плоскости. При этом задние фокальные плоскости систем преобразования в меридиональной и сагиттальной плоскостях совмещены, где и образуется пучок лазерного излучения с сечением прямоугольной формы и равномерным распределением интенсивности.

На дальности L сечение лазерного излучения будет иметь прямоугольную форму пучка лазерного излучения с размерами:

- в меридиональной плоскости d_мep.=r×L/f_мep.,

- в сагиттальной плоскости d_caг.=r×L/f_caг.

Меняя базу между окуляром и объективом телескопа системы преобразования, можно изменять его эффективное фокусное расстояние и таким образом делать переменным размеры сечения прямоугольной формы на дальности L. Также можно менять дальность и получать заданные размеры сечения прямоугольной формы пучка лазерного излучения на заданной дальности, изменяя фокусное расстояние системы преобразования.

В предложенном способе формирования пучка лазерного излучения с сечением прямоугольной формы и равномерным распределением интенсивности использование системы преобразования с переменным фокусным расстоянием позволяет:

- формировать пучок лазерного излучения с сечением прямоугольной формы с переменными размерами и равномерным распределением интенсивности на заданных переменных дальностях;

- при разработке лазерных комплексов эффективно доставлять лазерное излучение с равномерным распределением интенсивности по сечению на объекты с переменной дальностью;

- наиболее полно заполнять объем рабочей среды активного элемента твердотельного или жидкостного лазеров излучением накачки диодных источников накачки;

- эффективно проводить исследования воздействия мощного оптического излучения на материалы;

- с высокой технологичностью проводить лазерную поверхностную обработку материалов любых размеров на любой дальности.

Источники информации:

1. Авторское свидетельство SU 1118948, МПК G02B 21/06, дата публикации 15.10.1984.

2. Патент RU 2004008, МПК G02B 19/00, G03B 27/16, дата публикации 30.11.1993.

3. Патент RU 2208822 С1, МПК G02B 19/00, дата публикации 20.07.2003 - прототип.

Изобретение относится к оптическим устройствам. Способ формирования пучка лазерного излучения с сечением прямоугольной формы и равномерным распределением интенсивности включает формирование лазерного пучка излучения, преобразование его круглого сечения в квадратное формирующей системой с нечетным числом элементов в сагиттальной и меридиональной плоскостях и получение равномерного распределения интенсивности в ее фокальной плоскости. Производят раздельное в сагиттальной и меридиональной плоскостях изменение квадратного сечения пучка лазерного излучения в прямоугольное с переменными размерами в системе преобразования с переменным фокусным расстоянием, создающей равномерное распределение интенсивности в пучке лазерного излучения на заданных переменных дальностях. При этом задняя фокальная плоскость формирующей системы и передняя фокальная плоскость системы преобразования совмещены, а фокусное расстояние системы преобразования равно отношению произведения ширины элемента формирующей системы и заданной дальности к заданному размеру прямоугольного сечения пучка лазерного излучения. Технический результат - формирование пучка лазерного излучения с сечением прямоугольной формы с переменными размерами и равномерным распределением интенсивности на заданных переменных дальностях. 1 ил.

Способ формирования пучка лазерного излучения с сечением прямоугольной формы с равномерным распределением интенсивности, включающий формирование лазерного пучка излучения, преобразование его круглого сечения в квадратное формирующей системой с нечетным числом элементов в сагиттальной и меридиональной плоскостях и получение равномерного распределения интенсивности в ее фокальной плоскости, отличающийся тем, что производят раздельное в сагиттальной и меридиональной плоскостях изменение квадратного сечения пучка лазерного излучения в прямоугольное с переменными размерами в системе преобразования с переменным фокусным расстоянием, создающей равномерное распределение интенсивности в пучке лазерного излучения на заданных переменных дальностях, при этом задняя фокальная плоскость формирующей системы и передняя фокальная плоскость системы преобразования совмещены, а фокусное расстояние системы преобразования равно отношению произведения ширины элемента формирующей системы и заданной дальности к заданному размеру прямоугольного сечения пучка лазерного излучения.