Способ преобразования ограниченного волнового пучка и устройство для его осуществления (его варианты) Советский патент 1987 года по МПК G02B27/09 

Изобретение относится к областям техники, использующим волновые процессы, например к оптике, акустике, а более конкретно - к преобразованию ограниченного волнового пучка, и может быть использовано в технологии машиностроения и других областей промышленности.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем сосредоточения основной части мощности в кольцевой области с равномерным распределением интенсивности по окружности, а также сосредоточение

5

основной мощности в эллиптическом кольце.

На фиг. 1 представлена оптико-механическая схема первого варианта устройства для преобразования ограниченного волнового пучка; на фиг. 2-f то же, для второго варианта.

Способ преобразования ограниченного волнового пучка реализуется следующим образом.25

Пропуская плоскую волну постоянной амплитуды нормально через круглое отверстие, формируют пучок в плоскости, нормальной оптической оси, в дальней зоне с распределением поля

35

30

И, 1

А,е

(Ч

Г, (2iroi, г/ А),

А( - характеризующая амплитуду постоянная; фаза;

угол, под которым видно отверстие из точки пересечения оптической оси с указанной плоскостью; длина волны;

текущий радиус в этой плоскости;

функция Бесселя I рода первого порядка.

огично формуют второй с ределением поля в плоскости дальзоны

М. oi,

А г

Г.и. - А,

Г, (27oi2r/ A),

е А Ч 2 - 2oi характеризующая амплитуду второго пучка постоянная; его фаза;

угол, под которым видно отверстие, формирующее второй пучок, из точки пересечения оптической оси с данной плоскостью.I

Затем пучки коллимируют и сводят один пучок в противофазе с отноше

5

нием амплитуды А, первого пучка к амплитуде А второго, равным А./А . После этого пропускают сведенный пучок по нормали через ограничивающее круглое отверстие, соосное оптической оси, и проецируют его на:, экран в дальнюю зону. В результате основная часть мощности пучка сосредотачивается там в кольцевой области с угловыми размерами «:, и oL . При этом диаметр ограничивающего круглого отверстия d выбирают из соотношения d 2 Л/о ;,. Для сосредоточения основной мощности в эллиптическом кольце после пропускания пучка через ограничивающее круглое отверстие осуществляют линейное сжатие пучка по крайней мере в одном направлении и, кроме того, при необходимости пропускают через -усилитель. Перед коллими- рованием пучков производят непрерывное изменение их углового увеличения. Фазу второго пучка сдвигают относи- .тельно фазы первого до получениямаксимальной контрастности проекции сведенного пучка на экране в дальней зоне.

Устройство для преобразования ограниченного волнового пучка содержит оптическую скамью 1, источник и формирователь 2 плоского пучка постоянной амплитуды, круглую диафрагму 3 диаметром d , ориентированную по нормали к оптической оси. Перед диафраг- 5 мой 3 введен под углом 45 к плоскости диафрагмы делитель 4 пучка с коэффициентом пропускания R,. За диафрагмой 3 последовательно установлены первый коллиматор 5 (в дальней зоне диафрагмы 3 на расстоянии Z, от нее, причем база устройства до коллиматора может быть уменьшена как за счет уменьшения диаметра диафрагмы, так и известньпуш оптическими средствами) и сумматор 6 пучков, ориентированный под углом 90 к плоскости делителя 4.

0

50

Конструктивно сумматор не отличается от делителя, но имеет коэффициент пропускания Rg. Параллельно и оппозитно делителю 4 и сумматору 6 установлены соответственно два плоских отражателя 7 и 8. Между ними по- следовательно расположены вторая

круглая диафрагма 9 диаметром d,система 10 изменения длины оптического пути пучка и второй кошпшатор 1 I (в дальней зоне диафрагмы 9 на расстоянии Zj от нее). Система 10 состоит из двух прямоугольных призм 12 и 13 полного внутреннего отражения. Одна из призм вьшолнена подвижной с приводом 14. За сумматором 6 парал- лельно первой диафрагме 3 установлены ограничивающая круглая диафрагма 15 диаметром d и в ее дальней зоне - экран 16.

Величины d(, d, d, R, Z, , Z связаны с величинами oi,, i , R соотношениями ,,

d,/Zj

2, d

2 Л 7

R Jl Rl..dir г 1 - R, Ы, dj

Устройство работает следующим об- разом.

Из источника и формирователя 2 плоский пучок постоянной амплитуды поступает на делитель 4 и разделяется на. два пучка. Первый из них проходит через диафрагму 3, коллиматор 5, сумматор 6, диафрагму 15. Вто рой пучок направляется на отражатель 7, затем на диафрагму 9, систему 10, коллиматор 11, отражатель 8 и поступает на сумматор 6, где и сводится с первым пучком путем совмеще- ния их оптических осей. Перемещая приводом 14 одну из призм 13, изменяют длину оптического пути пучка до получения на сумматоре сдвига фаз между пучками (2k+l) ii . При этом на экране 16 будет получено изображение с максимальной контрастностью. Устройство реализует способ и позволяет выполнить поставленную цель только при наличии всех указанных элемен- тов.

Для деформации формы зоны сосредоточения мощности пучок можно пропустить через одну или несколько последовательных цилиндрических линз 17, ориентированных в заданном направлении. Дпя автоматической оптимизации контрастности проекции пучка на экране вводят датчик 18, ко- торый связан через блок 19 управлени с приводом 14 подвижной призмы 13. По сигналу датчика производится смещение призмы 13 до получения максимального сигнала датчика.

Если после ограничивающей диафрагмы и линзы 17 установить усилитель 2 то на выходе его получаем усиленный пучок, удовлетворяющий поставленной

.

5

0 5 0

5 0 5

цели, причем его преобразование происходит без потери мощности.

Для обеспечения в ряде приложений возможности непрерывного изменения угловых направлений сосредоточения мощнос . И od, , odj пучки пропускают через оптические устройства 21 и 22, обеспечивающие непрерывное изменение их увеличения, например, панкратичес- кие оптические системы, расположенные перед коллиматорами 5 и 11. Для обеспечения необходимой непрерывной подстройки коллиматоров при изменении увеличения приводы оптических устройств 21 и 22 функционально связаны с приводами коллиматоров связями 23 и 24.

Второй вариант устройства может быть использован в том случае, когда желательно сократить число диафрагм, в устройстве.Это несколько упрощает его эксплуатацию и комплектование, но одновременно ограничивает возможности вариации между диаметрами диафрагм и расстояниями Z и Z для заданных о,

и

Устройство по этому варианту содержит оптическую скамью 1 с установленными на ней источником и формирователем 2 плоского пучка постоянной амплитуды и круглой диафрагмой 3 диаметром d,, ориентированной по нормали к оптической оси. За диафрагмой 3 введен под углом 45 к плоскости диафрагмы делитель 4 пучка с коэффициентом пропускания R|. За делителем 4 последовательно установлены первый коллиматор 5 (в дальней зоне диафрагмы 3) , а под углом 90° к плоскости делителя - сумматор 6 пучков с коэффициентом пропускания R,. Параллельно и оппозитно делителю 4 и сумматору 6 установлены соответственно плоские отражатели 7 и 8. Между ними последовательно расположены система изменения длины оптического пути пучка 10, состоящая из совокупности, по крайней мере, двух прямоугольных призм 12 и 13 полного внутреннего отражения (одна из призм выполнена подвижной |С приводом 14), и коллиматор 11 (в дальней зоне диафрагмы 3). За суйма- тором 6 параллельно диафрагме 3 установлены ограничивающая круглая диафрагма 15 диаметром d и экран 16 в ее дальней зоне. При этом параметры устройства должны удовлетворять вышеприведенным условиям, но в HHx.di, d

512919

Устройство по второму ва ианту работает аналогично устройству по первому варианту, только вначале из источника и формирователя 2 плоский пучок постоянной амплитуды поступает 5 на диафрагму 3, а затем на делитель 4. Далее оба пучка повторяют пути пучков в первом варианте, но без прохождения через отсутствующие диафрагмы. Как и в первом варианте, это устрой- 10 ство может быть дополнено для тех же целей цилиндрической линзой 17, датчиком 18 контрастности с блоком 19 управления, приводом 14 и усилителем 20, с тем же их расположением, -5 а также оптическими устройствами 2 и 22 и связями 23 и 24 их приводов с приводами коллиматоров.

Формула изобретения

1, Способ преобразования ограниченного волнового пучка, в соответ™ ствии с которым, пропуская плоскую волну постоянной амплитуды нормаль- но через круглое отверстие, формируют пучок в плоскости, нормальной оптической оси, в дальней зоне с распределением поля

itp и, г А,е Г, (2 iro;,r/),

f . г где А, - характеризующая -амплитуду

постоянная; Cf, - фаза;

2oi, - угол, под-Которым видно от- верстие из точки пересечени оптической оси с указанной плоскостью; /У - длина волны; г - текзпций радиус в этой плос-

кости;

Г, - функция Ёесселя I рода первого порядка,.

отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем сосредоточения ос ионной части мощности в кольцевой области с равномерным распределением интенсивности по окружности, аналогично формируют второй пучок с распределением поля в плоскости дальней зоны

2 ,(27(г/ Л),

где А - характеризующая амплитуду

второго пучка постоянная; Ч г - его фаза;

2tn j- угол, под которым видно отверстие, формирующее второй

0 -5

0

5

0

5 0

j Q

196

пучок, из точки пересечения оптической оси с данной плоскостью,

затем пучки коллимируют, сводят в один пучок в противофазе с отношением амплитуды А( первого пучка к амплитуде А второго, равным А,/А Ы, пропускают сведенный пучок по нормали через ограничивающее круглое отверстие, соосное оптической оси, и проецируют его на экран в дальнюю зону.

2. Способ по пЛ, отличаю- Et и и с я тем, что диаметр ограничивающего круглого отверстия d выбирают из соотношения d 2 A/od,.

Зо Способ по пп. 1 и 2, о т л и - чающийся тем, что, с целью сосредоточения основной мощности в эллиптическом кольце, после пропускания пучка через ограничивающее круглое отверстие осуществляют линейное сжатие пучка по крайней мере в одном направлении.

4,Способ по пп. 1-3, о т л и ч а- ю щ и и с я тем, что после прохождения пучка через ограничивающее круглое отверстие его пропускают через усилитель.

5.Способ до пп. 1-4, о т л и ч а- ю щ и и с я тем, что перед коллими- рованием пучков производят непрерывное изменение их углового увеличения .

6. Способ по пп. 1-5, о т л и ч а- ю щ и и с я тем, что фазу второго пучка сдвигают относительно фазы первого до получения максимальной контрастности проекции сведенного пучка на экране в дальней зоне.

7с Устройство для преобразования ограниченного волнового пучка, содержащее установленные последовательно на оптической оси источник и формирователь плоского пучка постоянной амплитуды, а также круглую диафрагму диаметром d, ориентированную по нормали к оптической оси, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем сосредоточения основной части мощности в кольцевой области с равномерным распредел: ением интенсивности по окружности, в него введен делитель пучка с коэффициентом пропускания R(,

установленньй между диафрагмой и фор. (. о мирователем под углом ч-Ь к плоскости

диафрагмы, за диафрагмой последова712

телБно установлены первый коллиматор и под углом 90 к плоскости делителя - сумматор пучков с коэффициентом пропускания R, параллельно и оппозит но делителю и сумматору установлены соответственно два плоских отражателя, между ними последовательно расположены вторая круглая диафрагма диаметром dj, система изменения дщины оптического пути пучка, состоящая из совокупности по крайней мере двух прямоугольных призм полного внутреннего отражения, одна из которых выполнена подвижной, и второй коллиматор, а за сумматором параллельно пер- вой диафрагме установлены ограничивающая круглая диафрагма диаметром d и экран в ее дальней зоне, причем коллиматоры установлены в дальних зонах первой и второй диафрагм на рас- стояниях от них Z( и Z , а величины d,, d, d, Z,, Z, ЕЗ /связаны с угловыми размерами формируемой кольцевой области об, и odj и величиной R, соотношениями

di „ d

7 - Oil; 7 t

а

1

- Г, + RI -.i.uii

- 1 - R, «, dj

R .di I

2 - L Т

где - длина волны.

8. Устройство для преобразования ограниченного волнового пучка, содежащее установленные последовательно на оптической оси источник и формирователь плоского пучка постоянной амплитуды, а также круглую диафрагму диаметром d, ориентированную

5

0

5

98

по нормали к оптической оси, о т л и- чающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем сосредоточения основной части мощности в кольцевой обл-асти с равномерным распределением интенсивности по окружности, в него введен делитель пучка с коэффициентом пропускания R,, установленный за диафрагмой под углом 45 к ее плоскости, за делителем последовательно установлены первьй коллиматор и под углом 90 к плоскости делителя - сумматор пучков с коэффициентом пропускания Rg, параллельно и оппо зитно делителю и сумматору установлены соответственно два плоских отражателя, между ними последовательно расположены система изменения длины оптического пути пучка, состоящая из совокупности по крайней мере двух прямоугольных призм полного внутреннего отражения, одна из которых выполнена подвижной, и второй коллиматор, а за сумматором параллельно диафрагме установлены ограничивающая круглая диафрагма диаметром d и экран в ее дальней зоне, причем коллиматоры установлены в дальней зоне диафрагмы 1C диаметром d( на расстояниях от нее z, и Z2, а величины d, d, R, Z, Z связаны с угловыми размерами формируемой кольцевой области ett и с и величиной R, соотношения1 и

d. , . . d( , , Z-A -- - 2oi, ; -- - Zot,; d -- ,

«.-г-а7 ;Гfef

Изобретение относится к областям техники, использующим волновые процессы, и позволяет расширить функциональные возможности путем сосредоточения основной части мощности в кольцевой области с равномерным распределением интенсивности по окружности. Пучок с определенньм распределением поля формуют в дальней зоне плоскостИа нормальной оптической оси, пропуская плоскую волну постоянной амплитуды от формирователя 2 через круглое отверстие диафрагмы 3. Второй пучок от делителя, пройдя отражатель 7, диафрагму 9, систему 10,. коллима,тор 11, отражатель 8, сводится в противофазе на сумматоре 6 с первым пучком путем совмещения их оптических осей. Проекцируют сведенный пучок через ограничивающее отверстие диафрагмы .15 на экран 16 в дальнюю зону. Автоматическая оптимизация контрастности проекции пучка на экране осуществляется датчиком 18, связанным через блок управления 19 с приводом 14 подвижной призмы 13. Приведен второй вариант устройства, реализующего способ преобразования.волнового пучка. 2 ил. 3 с., 5 з.п. ф-лы, I (Л