Способ фокусировки монохроматического излучения и устройство для его осуществления Советский патент 1987 года по МПК G02B27/44 G02B5/23 G03H1/02 

fO

11302233

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в других сферах промышленности, например в металлургической, машиностроительной и текстильной для реализации фокусировки или концентрации монохроматического излучения с высокой плотностью в заданном объеме на требуемой площади при резке металлов, раскрое тканей и т.п.

Известен способ фокусировки монохроматического излучения, основан- |ный на использовании голограмм в качестве встроенных элементов фокусировки излучения лазера С 1J

Недостатком данного способа является значительная потеря энергии при фокусировке излучения. При использовании голограмм, помещенных в резонаторе лазера, с выводом энергии за счет дифракции существенно усложняется юстировка лазера и вывод

15

20

Цель изобретения - достижение полной концентрации энергии в заранее определенной области пространства с заданным распределением.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу фокусировки монохроматического излучения, заклю:чаю- щемуся в том, что волновой фронт излучения формируют путем фазовой модуляции волны при помощи фазового эле- мента, волновой фронт излучения направляют различными зонами фазового элемента .в одну или различные области пространства, при этом за сон, по которому осуществляют фазовую модуляцию, описывается кусочно-непрерывной функцией, изменяющейся в диапазоне

от О до - ,

,где Д - длина излучения волны; п - показатель преломления

фазового элемента. Для достижения поставленной цели его в режим генерации. Кроме того, в устройстве для фокусировки монохро- в силу сравнительно низкой дифракци- , матического излучения, выполненном онной эффективности голограмм, мощ- в виде киноформа, на одной или обеих ность входящего пучка лазера, в кото- поверхностях его нанесены в зонах

ром находится голограмма, значительно больше ( 100 раз) мощности, выводимой из установки. Это может привести к разрушению голограммы, т.е. снижению срока службы установки в связи с искажением формы заданной поверхности(или объема)в процессе эксплуатации. Другим недостатком является необходимость изготовления объекта (макета, модели), соответствующего данной форме поверхности или объема, при записи голограммы, причем особенно сложно создать объек с нужцым распределением свечения по объему о

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому является спот соб фокусировки монохроматического излучения, заключающийся в том, что волновой фронт излучения формируют путем фазовой модуляции волны при помощи фазового элемента 2.3.

Однако задача фокусировки решается при помощи фазовых зонных пластинок Френеля, обладающих малым весом, но дающих много фокусов, что снижает -их коэффициент полезного действия и ведет к потере мощности излучения. Зонная пластинка также не позволяет варьировать распределение энергии в фокусе.

Цель изобретения - достижение полной концентрации энергии в заранее определенной области пространства с заданным распределением.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу фокусировки монохроматического излучения, заклю:чаю- щемуся в том, что волновой фронт излучения формируют путем фазовой модуляции волны при помощи фазового эле- - мента, волновой фронт излучения направляют различными зонами фазового элемента .в одну или различные области пространства, при этом за сон, по которому осуществляют фазовую модуляцию, описывается кусочно-непрерывной функцией, изменяющейся в диапазоне

от О до - ,

,где Д - длина излучения волны; п - показатель преломления

непрерывные фазовые профили с высотой рельефа, меняющейся от О до

Л

Д показатель преломления; Д - длина волны излучения.

Для киноформа, например, расчет показывает, что для фокусировки излучения в область, близкую к тонкому цилиндру длиной ЭЕ по оптической оси, следует осуществлять фазовую модуляцию по закону, описываемому уравнением

h(r) , - 2с( .

Рп ( + (F-Cr) + 2С2Г2+1+2 Fc3;

де г - расстояние до оптической оси; F - параксиальное фокусное расстояние; d

d - диаметр фокусирующего элеменА

mod- (t) -функция,равная t-k-т

если t лежит в интервале

/. -т

Варьируя закон изменения рельефа, можно фокусировать излучение в об

ласть нужной формы. В силу кусочно- непрерывного характера рельефа фазового профиля предлагаемьш элемент имеет единственный фокус, а значит высокий КПД.

Предлагаемый способ может использоваться для получения разреза нуж- ной формы при лазерной резке материалов, для регулирования глубины и формы, проплавления шва при лазерной сва ке, для получения отверстий нужной формы, в том числе правильной круговой, при лазерном сверлении отверстий, для равномерного освещения мишени при лазерном.управляемом термоядерном синтезе, в гелиоустановказ и т.п.

Все перечисленные применения способа основаны на его способности получать нужное, в каждом конкретном случае, распределение энергии

Редактор Н.Тупица

Составитель В.Аджалов

Техред Л.Сердюкова Корректор М.Пожо

Заказ 1215/46 522Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 i.

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул. Проектная, 4

5

0

в рабочей области, т.е. в фокусе излучения, например, в виде конуса, в виде отрезка.прямой, окружности и т.п.

Изготовление оптических элементов с требуемым многоградационным профилем и таким законом изменения фазового пропускания, который .необходим для обеспечения требуемого пределения плотности энергии, может осуществляться с помощью устройства вывода изображения на ЭВМ. При этом рисуется по специальной программе маска с переменной оптической плотностью, затем амплитудный рельеф превращается в фазовый с помощью отбеливания или фотолитографий.

Другим способом изготовления оптических элементов с заданным профилем является использование станков 0. числовым программным управлением.

1. Способ фокусировки монохроматического излучения, заключающийся в том, что волновой фронт излучения, формируют путем фазовой модуляции волны при помой1и фозового элемента, отличающийся тем, что. с целью достижения полной концентрации энергии в заранее определенной области пространства с заданным распределением, волновой фронт излучения направляют различными зонами фазового элемента в одну или разные области пространства, при этом закон, по которому осуществляют фазовую модуляцию, описывается кусочно-непрерывной функцией, изменяющейся в диапазоне от О до --т , где Л длина волны излучения; п - показатель преломления фазового элемента. 2. Устройство для фокусировки монохроматического излучения, выполненное в виде киноформа;, отличающее с я тем, что на одной или обеих поверхностях киноформа нанесены в зонах непрерывные фазовые профили с высотой рельефа, меняющейся I (Л от о до - , преломления; чения. где п - показатель А - длина волны излусо о 1C to 00 со