Способ юстировки внеосевого параболического зеркала с фотодатчиком Российский патент 2024 года по МПК G02B7/182 G02B5/10 

Изобретение относится к способам юстировки оптических систем и может быть использовано для упрощения процесса юстировки оптического тракта в лазерных системах, содержащих внеосевое параболическое зеркало, например, в источнике широкополосного излучения на непрерывном оптическом разряде. При недостаточно точной юстировке внеосевого параболического зеркала, например, (Parabolic Mirror 50328AU, https://www.newport.com/p/50328AU) возникают искажения волнового фронта отражённого от него луча, астигматизм в фокусе, и, следовательно, снижение интенсивности излучения в фокальной плоскости и расширение фокального пятна. Описана возможность создания стабильной слабо светящейся плазмы, существующей непосредственно в фокусе лазерного луча, описанная в статье (Lavrentyev S. Yu., Solovyov N. G., Shemyakin A. N., Yakimov M. Yu. Gasdynamic effects in optical discharges produced by periodic pulse femtosecond laser // J. Phys.: Conf. Ser. 2019. 1250 012027, doi:10.1088/1742-6596/1250/1/012027). Такая плазма существует за счёт многофотонной ионизации газа в фокусе лазерного луча. Для её инициации необходимо импульсно-периодическое лазерное излучение с мощностью в импульсе, достаточной для многофотонной ионизации газа в перетяжке фокуса. Данное явление можно использовать для устранения аберраций оптических систем, находящихся в герметичных камерах, наблюдая величину суммарного светового потока, исходящего от зоны многофотонной ионизации, регистрируемого фотодатчиком, который находится вблизи зоны многофотонной ионизации. Величина суммарного светового потока, исходящего из зоны многофотонной ионизации в фокусе системы, зависит от конфигурации этой зоны. При этом необходимость заключения оптического тракта в герметичную камеру, наполненную инертным газом, возникает, например, при работе с коротковолновым ультрафиолетовым излучением (150-200 нм), которое интенсивно поглощается воздухом.

В частности, применение явления многофотонной ионизации актуально для устранения астигматизма внеосевого параболического зеркала, так как в процессе юстировки (в процессе перехода от несъюстированного астигматического фокуса к настройке без астигматизма) увеличивается объём газа, где молекулы ионизовались, и, следовательно, увеличивается суммарный световой поток, выходящий из этого объёма. Использование внеосевого параболического зеркала вместо линз в лазерных источниках или источниках широкополосного излучения имеет ряд преимуществ, главными из которых являются полное отсутствие сферической аберрации и дисперсии, что позволяет после юстировки зеркала сменить длину волны в системе без повторной юстировки. Сложностью применения внеосевого параболического зеркала является возникновение астигматизма в фокусе при отклонении угла установки зеркала от положения, при котором коллимированный лазерный луч параллелен его оптической оси. Целью данного патента является преодоление этого недостатка.

Известен способ юстировки параболических поверхностей, принятый за аналог (Понин О.В., Селиверстова Ю.О., Шаров А.А. Особенности юстировки внеосевого телескопа типа Мерсенна // Контенант. 2016. №1. С. 82-86), на примере внеосевого двухзеркального объектива, заключающийся в том, что анализируют отражённое от вогнутого внеосевого параболического зеркала и сфокусированное на микроскопе изображение точечного тест-объекта. Такой метод обладает простотой реализации, но подходит для юстировки всей системы как объектива в видимом диапазоне длин волн, и не позволяет съюстировать лазерную оптическую систему за пределами видимого диапазона длин волн.

Известен способ юстировки внеосевого параболического зеркала по параметру М², принятый за прототип (Orlenko E. A., Cherezova T. Yu., Sheldakova Yu. V., Rukosuev A. L., Kudryashov A. V. Off-axis parabolic mirrors: A method of adjusting them and of measuring and correcting their aberrations // Journal of Optical Technology. 2005. V. 72. № 4. P. 306-312. https://doi.org/10.1364/JOT.72.000306). Он основан на следующем принципе. В случае разъюстированного внеосевого параболического зеркала значение параметра М² у отражённого от зеркала луча больше, чем значение М² у луча, отражённого от правильно съюстированного зеркала. В работе представлена зависимость параметра М² от угла поворота внеосевого параболического зеркала. Когда поверхность внеосевого параболического зеркала перпендикулярна оптической оси, оптимальный угол для правильной регулировки внеосевого параболического зеркала соответствует минимальному значению М². Известный способ позволяет осуществить юстировку внеосевого параболического зеркала по параметру M².

Недостатком известного способа является необходимость использования сложного оборудования для измерения M².

Заявляемый способ юстировки внеосевого параболического зеркала с фотодатчиком направлен на упрощение процесса юстировки в герметичной камере, добиваясь максимальной величины светового потока, исходящего от плазмы многофотонной ионизации и регистрируемой рабочей поверхностью фотодатчика.

Указанный результат достигается тем, что используют фокусировку коллимированного лазерного излучения внеосевым параболическим зеркалом, юстируемым изменением угла наклона по горизонтальной и вертикальной осям, находящегося в герметичной камере, при этом применяют импульсное лазерное излучение с мощностью в импульсе, достаточной для многофотонной ионизации газа внутри герметичной камеры, образуют зоны многофотонной ионизации в астигматических фокусах внеосевого параболического зеркала, и юстируют внеосевое параболическое зеркало, добиваясь максимальной величины светового потока, регистрируемого фотодатчиком.

Сущность заявляемого изобретения поясняется примерами его реализации и графическими материалами. На фиг. 1 представлено схематичное изображение реализации заявляемого способа. На фиг. 2 представлено увеличенное схематичное изображение хода луча в перетяжке фокуса в случае разъюстированного внеосевого параболического зеркала с двумя зонами многофотонной ионизации в сагиттальном и меридиональном астигматических фокусах (a) и увеличенное схематичное изображение хода луча в перетяжке фокуса в случае правильно съюстированного внеосевого параболического зеркала с одной зоной многофотонной ионизации в фокусе (b).

Изобретение работает следующим образом. В герметичной камере 1, коллимированное (параллельное) импульсно-периодическое лазерное излучение 2 лазера 3 с мощностью в импульсе, достаточной для многофотонной ионизации газа внутри камеры в перетяжке фокуса, направляют на внеосевое параболическое зеркало 4 параллельно его оси с точностью 5 градусов методами, известными из уровня техники. Фотодатчик (фотодиод, фотосопротивление и т.д.) 8 устанавливают вблизи фокуса внеосевого параболического зеркала 4 так, чтобы принимающая площадка фотодатчика 8 была направлена на фокус, и фотодатчик находился вне зоны прохождения лазерного луча. При этом расположение фокуса оценивают исходя из известных из уровня техники технических данных внеосевого параболического зеркала 4. Собственное излучение плазмы многофотонной ионизации 7 регистрируют рабочей поверхностью фотодатчика 8. Конфигурация зоны многофотонной ионизации и суммарный поток света, зарегистрированный фотодатчиком, зависит от того, как съюстировано внеосевое параболическое зеркало 4. В процессе юстировки из астигматической конфигурации фокуса к правильной фокусировке без астигматизма суммарный световой поток, зарегистрированный фотодатчиком 8 растёт, так как увеличивается объём газа, в котором преодолён порог многофотонной ионизации, и, соответственно, увеличивается количество ионизированных частиц пропорционально световому потоку. Внеосевое параболическое зеркало 4 регулируют двумя юстировочными винтами 5 и 6 для юстировки угла поворота зеркала по горизонтальной и вертикальной осям. Сначала, когда внеосевое параболическое зеркало 4 не съюстировано, существуют две зоны многофотонной ионизации в астигматических фокусах внеосевого параболического зеркала (фиг. 2 a). Затем поочерёдно вращают юстировочные винты регулировки угла наклона по горизонтальной оси 5 и вертикальной оси 6 в том направлении, при вращении в котором величина суммарного светового потока, зарегистрированная фотодатчиком 8, возрастает. Поочерёдное вращение винтов осуществляют до тех пор, пока величина суммарного светового потока, зарегистрированная фотодатчиком 8, не достигнет максимального значения. При этом две зоны многофотонной ионизации, существующие в двух астигматических фокусах (фиг. 2 a) объединяют в одну зону многофотонной ионизации, существующую в одном фокусе без астигматизма (фиг. 2 b). При этом величина суммарного светового потока, зарегистрированная фотодатчиком 8, максимальна, что и означает то, что внеосевое параболическое зеркало 4 съюстировано.

Контроль величины суммарного светового потока, регистрируемой фотодатчиком в процессе сближения зон многофотонной ионизации газа в астигматических фокусах, позволяет точно съюстировать внеосевое параболическое зеркало в герметичной камере, наполненной газом, и полезен для использования в закрытых оптических системах, доступ к которым затруднён.

Изобретение относится к способам юстировки оптических систем, содержащих внеосевые параболические зеркала, и представляет интерес для применения в лазерных оптических системах. Технический результат заключается в упрощении процесса юстировки в герметичной камере, расширении арсенала технических средств. Способ юстировки внеосевого параболического зеркала с фотодатчиком, заключающийся в фокусировке коллимированного лазерного излучения внеосевым параболическим зеркалом, юстируемым изменением угла наклона по горизонтальной и вертикальной осям, находящегося в герметичной камере. При этом используют импульсное лазерное излучение с мощностью в импульсе, достаточной для многофотонной ионизации газа внутри герметичной камеры, образуют зоны многофотонной ионизации в астигматических фокусах внеосевого параболического зеркала и юстируют внеосевое параболическое зеркало, добиваясь максимальной величины светового потока, регистрируемого фотодатчиком. 2 ил.

Способ юстировки внеосевого параболического зеркала с фотодатчиком, заключающийся в фокусировке коллимированного лазерного излучения внеосевым параболическим зеркалом, юстируемым изменением угла наклона по горизонтальной и вертикальной осям, находящегося в герметичной камере, отличающийся тем, что, используя импульсное лазерное излучение с мощностью в импульсе, достаточной для многофотонной ионизации газа внутри герметичной камеры, образуют зоны многофотонной ионизации в астигматических фокусах внеосевого параболического зеркала и юстируют внеосевое параболическое зеркало, добиваясь максимальной величины светового потока, регистрируемого фотодатчиком.