Устройство 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.

Известно осветительное устройство в [1], содержащее последовательно установленные вдоль оптической оси источник света, коллектор, линзовый растр и конденсор, при этом задняя фокальная плоскость линзового растра совмещена с передней фокальной плоскостью конденсора, источник света установлен в переднем фокусе коллектора. Существенными недостатками этого устройства являются:

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

- сложность юстировки осветительного 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. Это устройство не позволяет получать излучение с сечением прямоугольной формы с переменными размерами сечения и переменной дальностью.

Известно устройство для формирования оптического пучка [2], содержащее два линзовых растра, первый из которых сферический, второй - цилиндрический, за которым установлены две цилиндрические линзы, развернутые одна относительно другой на 90°, причем задняя фокальная плоскость линз сферического растра в сагиттальной плоскости совмещена с передней фокальной плоскостью первой цилиндрической линзы, а в меридиональной плоскости - с передней фокальной плоскостью линз цилиндрического растра.

Существенными недостатками этого устройства 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. Это устройство не позволяет получить излучение с сечением прямоугольной формы с переменными размерами сечения и переменной дальностью.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для создания равномерной освещенности прямоугольной площадки заданных размеров [3], содержащее расширяющую телескопическую систему и формирующий оптический элемент, выполненный в виде двух выпуклых, образованных плоскими прямоугольными гранями поверхностей, развернутых одна относительно другой на 90°, при том число граней N на каждой поверхности нечетно, центральные грани параллельны.

К недостаткам этого устройства можно отнести:

- формирование формы сечения лазерного излучения с равномерной интенсивностью только в виде фиксированного квадрата и только на фиксированной дальности. Это устройство не позволяет получать излучение с сечением прямоугольной формы с переменными размерами сечения и переменной дальностью;

- существование ограничений на минимальные и максимальные размеры квадратного сечения с равномерной интенсивностью лазерного пучка, равные ширине грани формирующего оптического элемента, связанных с технологией его изготовления.

Задачей изобретения является создание устройства формирования 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 устройстве формирования пучка лазерного излучения с сечением прямоугольной формы и равномерным распределением интенсивности, содержащем излучатель, оптическую систему формирования излучения, два фокусирующих призменных растра с нечетным числом граней и скрещенных под углом 90°, за оптической системой формирования излучения устройство выполнено в виде двух цилиндрических систем, установленных друг за другом и скрещенных под углом 90° с единой совмещенной плоскостью изображений, в каждой цилиндрической системе установлен фокусирующий призменный растр, снабженный приводом продольного перемещения, за которым установлена система преобразования с регулируемыми фокусным расстоянием и оптическим увеличением, равным отношению заданных размеров сечения пучка лазерного излучения прямоугольной формы к ширине грани фокусирующего призменного растра, при этом ее передняя фокальная плоскость совмещена с задней фокальной плоскостью фокусирующего призменного растра, а фокусное расстояние равно отношению расстояния до плоскости изображения устройства к оптическому увеличению.

На рисунке показана принципиальная оптическая схема для реализации предложенного устройства, где: 1 - излучатель; 2 - оптическая система формирования излучения; 3(1), 3(2) - цилиндрическая система; 3.1(1), 3.1(2) - фокусирующий призменный растр; 3.2(1), 3.2(2) - привод продольного перемещения фокусирующего призменного растра; 3.3(1), 3.3(2) - система преобразования с регулируемым фокусным расстоянием; L - плоскость изображений.

Излучатель 1 предназначен для создания лазерного излучения. Оптическая система формирования излучения 2 предназначена для формирования лазерного излучения. В качестве излучателя может быть излучатель с оптоволоконным выводом, а в качестве оптической 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.

В качестве излучателя также может быть и любой импульсный или непрерывный лазерный излучатель с параллельным оптическим пучком на выходе из его резонатора. В качестве оптической системы формирования -расширяющая телескопическая система.

Цилиндрические системы 3(1) и 3(2), установленные друг за другом и скрещенные под углом 90°, имеют единую совмещенную плоскость изображений на дальности L. Цилиндрическая система 3(1) содержит фокусирующий призменный растр 3.1(1), снабженный приводом продольного перемещения 3.2(1), и систему преобразования 3.3(1) с регулируемым фокусным расстоянием. Цилиндрическая система 3(2) аналогична по составу: фокусирующий призменный растр 3.1(2), снабженный приводом продольного перемещения 3.2(2), и система преобразования 3.3(2) с регулируемым фокусным расстоянием.

Цилиндрические системы 3(1) и 3(2) предназначены для преобразования круглого сечения лазерного пучка излучения в сечение прямоугольной формы с заданными размерами и равномерным распределением интенсивности в общей единой плоскости изображений.

Фокусирующие призменные растры 3.1(1), 3.1(2) выполнены 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. Привод продольного перемещения фокусирующего призменного растра 3.2(1) или 3.2(2) предназначен для изменения расстояния между призменным растром и системой преобразования 3.3(1) или соответственно 3.3(2).

Система преобразования 3.3(1), 3.3(2) с регулируемым фокусным расстоянием представляет собой цилиндрическую телескопическую систему. При изменении базы между его окуляром и объективом меняется эффективное фокусное расстояние телескопической системы.

Устройство формирования пучка лазерного излучения с сечением прямоугольной формы и равномерным распределением интенсивности работает следующим образом.

Торец сердцевины оптоволоконного вывода излучателя 1 располагают в фокальной плоскости оптической системы формирования излучения 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 сечение прямоугольной формы с заданными размерами осуществляется последовательно двумя цилиндрическими системами 3(1) и 3(2), установленными друг за другом и скрещенными под углом 90°.

Выходное излучение коллиматора 2 с сечением круглой формы поступает на фокусирующий призменный растр 3.1(1), размеры которого не меньше диаметра выходящего из коллиматора оптического пучка D_кол., и, проходя его, разбивается в вертикальной плоскости на число граней N оптических пучков, при этом все пучки имеют одинаковые, определяемые конструкцией фокусирующего призменного растра, сечения в вертикальной плоскости и все они фокусируются в его фокальной плоскости. При их статическом суммировании происходит усреднение интенсивности лазерного излучения по плоскости фокального пятна фокусирующего призменного растра 3.1(1), приводящее к существенному повышению равномерности распределения интенсивности света в фокальном пятне. Круглое сечение лазерного излучения в фокальной плоскости фокусирующего призменного растра преобразуется в вертикальной плоскости в виде полоски с шириной, равной ширине грани r фокусирующего призменного растра. Размер апертуры на выходе коллиматора D_кол. и число граней N связаны соотношением D_кол.=r×N.

Из заданных размеров сечения пучка лазерного излучения прямоугольной формы а×b на дальности L определяют оптическое увеличение системы преобразования каждой цилиндрической системы, равное отношению заданных размеров сечения пучка лазерного излучения прямоугольной формы к ширине грани фокусирующего призменного растра:

Далее вычисляют фокусное расстояние системы преобразования каждой цилиндрической системы, равное отношению расстояния до плоскости изображения устройства к оптическому увеличению:

Выставляют расчетные фокусные расстояния систем преобразования 3.3(1) и 3.3(2) перемещением их объективов относительно окуляра.

В каждой цилиндрической системе переднюю фокальную плоскость системы преобразования совмещают с задней фокальной плоскостью фокусирующего призменного растра, изменяя расстояние между ними с помощью его привода продольного перемещения.

Система преобразования 3.3(1) цилиндрической системы 3(1) преобразует размер пятна в задней фокальной плоскости фокусирующего призменного растра 3.1(1), равный ширине его грани r, в размер а на дальности L, поскольку задняя фокальная плоскость фокусирующего призменного растра 3.1(1) совмещена с передней фокальной плоскостью системы преобразования 3.3(1). А система преобразования 3.3(2) цилиндрической системы 3(2) преобразует размер пятна в задней фокальной плоскости фокусирующего призменного растра 3.1(2), равный ширине его грани r, в размер b на дальности L.

При этом задние фокальные плоскости систем преобразования 3.3(1) и 3.3(2) цилиндрических систем 3(1) и 3(2) лежат в единой совмещенной плоскости изображений устройства на дальности L, где и образуется пучок лазерного излучения с сечением прямоугольный формы с размерами a×b и равномерным распределением интенсивности.

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

В предложенном устройстве формирования пучка лазерного излучения с сечением прямоугольной формы и равномерным распределением интенсивности использование двух цилиндрических систем, установленных друг за другом и скрещенных под углом 90° с единой совмещенной плоскостью изображений, и с размещенными в каждой из них фокусирующего призменного растра с приводом продольного перемещения и системы преобразования с регулируемым 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. Устройство формирования пучка лазерного излучения с сечением прямоугольной формы и равномерным распределением интенсивности содержит излучатель, оптическую систему формирования излучения, два фокусирующих призменных растра с нечетным числом граней и скрещенных под углом 90°. За оптической системой устройство выполнено в виде двух цилиндрических систем, установленных друг за другом, скрещенных под углом 90° с совмещенной плоскостью изображений. В каждой цилиндрической системе установлен фокусирующий призменный растр с приводом продольного перемещения, за которым установлена система преобразования с регулируемыми фокусным расстоянием и оптическим увеличением, равным отношению заданных размеров сечения пучка лазерного излучения прямоугольной формы к ширине грани фокусирующего призменного растра. При этом ее передняя фокальная плоскость совмещена с задней фокальной плоскостью фокусирующего призменного растра, а фокусное расстояние равно отношению расстояния до плоскости изображения устройства к оптическому увеличению. Технический результат - формирование пучка с сечением прямоугольной формы и равномерным распределением интенсивности на заданных переменных дальностях. 1 ил.

Устройство формирования пучка лазерного излучения с сечением прямоугольной формы и равномерным распределением интенсивности, содержащее излучатель, оптическую систему формирования излучения, два фокусирующих призменных растра с нечетным числом граней и скрещенных под углом 90°, отличающееся тем, что за оптической системой формирования излучения устройство выполнено в виде двух цилиндрических систем, установленных друг за другом и скрещенных под углом 90° с единой совмещенной плоскостью изображений, в каждой цилиндрической системе установлен фокусирующий призменный растр, снабженный приводом продольного перемещения, за которым установлена система преобразования с регулируемыми фокусным расстоянием и оптическим увеличением, равным отношению заданных размеров сечения пучка лазерного излучения прямоугольной формы к ширине грани фокусирующего призменного растра, при этом ее передняя фокальная плоскость совмещена с задней фокальной плоскостью фокусирующего призменного растра, а фокусное расстояние равно отношению расстояния до плоскости изображения устройства к оптическому увеличению.