Способ юстировки внеосевого параболического зеркала с проекцией в области фокуса 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 отраженного 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 счет многофотонной ионизации газа в фокусе лазерного луча. Для инициации плазмы многофотонной ионизации 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, наблюдая через проекцию изменения конфигурации зоны многофотонной ионизации в фокусе системы, находящейся в герметичной камере. 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) зоны многофотонной ионизации в астигматических фокусах сближаются друг с другом. 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 отраженное 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 отраженного от зеркала луча больше, чем значение М² у луча, отраженного 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 проекцией в области фокуса направлен на упрощение процесса юстировки в герметичной камере, добиваясь совмещения проекций зон многофотонной ионизации на матовом экране обратной проекции, контролируемых наблюдателем без использования дополнительного измерительного оборудования.

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, наблюдая спроецированные на экран обратной проекции в стенке камеры увеличенные изображения зон многофотонной ионизации, юстируют внеосевое параболическое зеркало, добиваясь совмещения проекций зон многофотонной ионизации.

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 с установленным на одну из стенок матовым экраном обратной проекции 9, 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. При этом с помощью линзы 8 проецируют на экран обратной проекции 9 увеличенное изображение зоны многофотонной ионизации 7, конфигурация которой зависит от того, как съюстировано внеосевое параболическое зеркало 4. Экран 9 и линзу 8 устанавливают, направляя их поверхности к фокусу внеосевого параболического зеркала 4. При этом расположение фокуса внеосевого параболического зеркала 4 оценивают исходя из известных из уровня техники технических данных внеосевого параболического зеркала 4. Положение линзы 8 и экрана 9 предварительно устанавливают исходя из их параметров. 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, на экране наблюдают проекцию двух зон многофотонной ионизации (фиг. 2 a). Затем поочередно вращают юстировочные винты регулировки угла наклона по горизонтальной оси 5 и вертикальной оси 6 в том направлении, при вращении в котором на экране обратной проекции 9 две зоны многофотонной ионизации в астигматических фокусах сближаются друг с другом. Поочередное вращение винтов осуществляют до тех пор, пока на экране обратной проекции 9 проекции двух зон многофотонной ионизации, существующих в двух астигматических фокусах (фиг. 2 a) не объединят в одну проекцию зоны многофотонной ионизации, существующую в одном фокусе без астигматизма (фиг. 2 b), что и означает то, что внеосевое параболическое зеркало 4 съюстировано.

Контроль сближения проекций зон многофотонной ионизации в астигматических фокусах на матовом экране обратной проекции позволяет точно съюстировать внеосевое параболическое зеркало в герметичной камере, наполненной газом и полезен для использования в закрытых оптических системах, доступ к которым затруднен.

Изобретение относится к способам юстировки оптических систем, содержащих внеосевые параболические зеркала, и может быть использовано в лазерных оптических системах. Способ юстировки внеосевого параболического зеркала с проекцией в области фокуса заключается 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, наблюдая спроецированные на экран обратной проекции в стенке камеры увеличенные изображения зон многофотонной ионизации, юстируют внеосевое параболическое зеркало, добиваясь совмещения проекций зон многофотонной ионизации. Технический результат заключается в упрощении процесса юстировки в герметичной камере. 2 ил.

Способ юстировки внеосевого параболического зеркала с проекцией в области фокуса, 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, наблюдая спроецированные на экран обратной проекции в стенке камеры увеличенные изображения зон многофотонной ионизации, юстируют внеосевое параболическое зеркало, добиваясь совмещения проекций зон многофотонной ионизации.