Устройство формирования двух световых лучей Советский патент 1987 года по МПК G02B27/10 

t

.Изобретение относится к оптике и может найти применение при построении различных акустооптических устройств обработки информации, например устройств корреляционного и спект- 5 рального анализа.

Цель изобретения - уменьшение габаритов устройства.

На фиг. 1 представлена оптическая схема устройства формирования двух О световых лучей; на фиг. 2 - призма с углом при вершине ot..

Устройств содержит оптический расширитель, выполненный из четырех оптических призм 1-4, полупрозрачного 5 зеркала 5, отршкающего зеркала 6 и лазерного источника 7 света.

Устройство работает следующим образом.

Луч света от лазерного источника 20 7 поступает на полупрозрачное 5 и от- ражаЮ1це е 6 зеркала, расположенные последовательно на оптической оси, совпадающей с оптической осью лазерного источника. Луч А, отраженный от зеркала 6, поступает на призму 1, а луч В, отраженный от зеркала 5, - на призму 2. Оба луча А и В затем проходят призмы 3 и 4, которые являются общими для обоих лучей, а призмы 1 и 2 участвуют в формировании только одного из лучей.

Расположение ттризм выбирается из I условия, заключающегося в том, что Ьуч В. выходит из призмы 4 по нормали 35 к ее выходной грани, а луч А выходит 3 приз мы 4 под заданным углом, определяемым параметрами акустооптических модуляторов.

Луч. А выходит, из призмы 3 по нор- 40 Мали к ее выходной грани, положения призм 1 и 2 определяются требованием получения одинаковых коэффициентов расширения для обоих лучей.

Для определения ориентации призм в предлагаемом устройстве необходимо

соз0„ cos oL-arcsin( )

13074302

получить соотношение между углом подачи луча на выходную грань призмы

25

0 И углом его выхода из призмы е (фиг. -2).

еых c -с,

вых.

где п - показатель преломления материала призмы.

Для углов о и 6g, можно получить соотношение

-е;ых

где ci - угол при вершине призмы; угол преломления на входной

грани призмы.;

Таким образом

sin© nlsin d-arcsin ( LH)1

bX L n J

(1)

где © - угол падения на входную

вх

грань призмы.

Выходная грань четвертой призмы располагается параллельно оптической оси лазерного источника. Так как луч А выходит из нее под заданным углом р, из выражения (1) можно определить угол, под которым расположена выходная грань призмы 3:

л f г. / sin /3 чт1 f агс sin { п З1п о1-агс sin() jf-Ы.

30

При таком расположении призм 3 и 4 лучи А и В при прохождении расширяются в них по-разному. Позтому призмы 1 и 2 необходимо расположить так, чтобы выравнять козффициенты расширения для обоих лучейJ

Из фиг. 2, используя геометрические соотношения диаметров выходного d и входного d д., пучков,

oblX У

можно получить коэффициент расширения обоих лучей устройством по зависимости

U-. 8ЫХ

cosgafcm.: «

.w

COS0.

.

45 Последнее соотношение можно преобразовать к виду

К

6Ы.

cos arcsin(. ) cos {arcs (dL-arc sin ( ))

Следовательно, для луча A в призме 4

имеем

sin (3

(2)

г у э

cos р cosLdL-arc sin( -)

cos arc sin( ) cosjarc sin(ol-arcsin( .))|

a для луча Б в призме 4 ( - cos 2 cos(arсГ sin(n sinoi)}

0 И углом его выхода из призмы е (фиг. -2).

еых c -с,

вых.

где п - показатель преломления материала призмы.

Для углов о и 6g, можно получить соотношение

-е;ых

где ci - угол при вершине призмы; угол преломления на входной

грани призмы.;

Таким образом

sin© nlsin d-arcsin ( LH)1

bX L n J

(1)

где © - угол падения на входную

вх

грань призмы.

Выходная грань четвертой призмы располагается параллельно оптической оси лазерного источника. Так как луч А выходит из нее под заданным углом р, из выражения (1) можно определить угол, под которым расположена выходная грань призмы 3:

л f г. / sin /3 чт1 f агс sin { п З1п о1-агс sin() jf-Ы.

0

35

40

30

При таком расположении призм 3 и 4 лучи А и В при прохождении расширяются в них по-разному. Позтому призмы 1 и 2 необходимо расположить так, чтобы выравнять козффициенты расширения для обоих лучейJ

Из фиг. 2, используя геометрические соотношения диаметров выходного d и входного d д., пучков,

oblX У

можно получить коэффициент расширения обоих лучей устройством по зависимости

U-. 8ЫХ

cosgafcm.: «

.w

COS0.

.

45 Последнее соотношение можно преобразовать к виду

(2)

)

Длялуча A в призме 3 коэффициент расширения равен К , так как этот

луч выходит по нормали к выходной грани этой призмы.

К

cos у cos oL-arc sin (

3 , / нгп Уя чт f г г / sin V, члт

cos arc sin ( - ) cos arc siul n sin oL -arc sin ( --- )

LriJ -LnJ

n

где у - угол выхода луча В из призмы 3, которьй можно определить, исходя из вьфажения (1) и уже определенного хода лучей в призмах 3 и 4

У агс sin(n sind)О

-arc sinjn sin oL-arc sin(Таким образом, луч Д расширяется

fO

В расширяется в этих призмах раз. Дяя вьфавн ивания коэффи расширений обоих лучей необх чтобы в призме 1 луч А расши в 2 раз, где К - коэфф расширения обоих лучей устро

15

Если - угол, под котор выходит из призмы 1 , то с уч его можно определить из урав sin У, n

призмах 3 и 4 в К

К

раз, а луч

cosy cos d.-arc sin (

Ес выход его м

,С. X S in г-г /,/

arc sin( - )Jcos4arc sinl n sinCc.-arc sin(.

Для g, - угла выхода луча В из призмь 2, получим аналогичное уравнение

1307430 .4

Луч В в призме 3 имеет коэффициент расширения

В расширяется в этих призмах в К -К раз. Дяя вьфавн ивания коэффициентов расширений обоих лучей необходимо, чтобы в призме 1 луч А расширялся в 2 раз, где К - коэффициент расширения обоих лучей устройством.

15

arc sin (

Если - угол, под которым пу.4 А выходит из призмы 1 , то с учетом (2) его можно определить из уравнения sin У, n

)

s in y, n

cos arc sin( )cos|arc sin nsinti-arc sin())l Решая эти уравнения относительно. | .„ „|-.

И})

Y И У С учетом расположения призм З и 4 и выражения О получим угол, под которым расположена выходная грань призмы 1 по отношению к оптической оси лазерного источника, в виде

30

-arc sin (

sin Y,

n

Экспериментальное исследовани устройства формирования двух све вых лучей проводилось совместно акустооптическим коррелятором с тегрированием во времени.

A . f r. / sin 0 arc sin n sin dL-arc sin(

T1I n

-arc sin (nsinoL)+y , и угол, под которым расположена выходная грань призмы 2 по отношению к оптической оси лазерного источника, в виде .

д . I -г /sinP -.i sinjn sin()J -arc sinjn sin ol-arc sin(

sin Y; n

)} -,

Зная положения всех призм, а следовательно, и углы падения лучей на призмы 1 и 2, можно определить углы под которыми расположены зеркала. Дпя полупрозрачного зеркала 5 получим

и + -jld- + -arc sinjn .. , sin У чт11 -arc sin( )J|| ,

a для отражающего зеркала 6 cos м cos d-arc sin(

s in Vg

)

s|arc sin nsinti-ar . | .

30

-arc sin (

sin Y,

n

,

35

40

,

45

, 50

55

Экспериментальное исследование устройства формирования двух световых лучей проводилось совместно с акустооптическим коррелятором с интегрированием во времени.

Для устранения пространственной несущей используют два когерентных луча на входе. При использовании акустооптических модуляторов со зву- копроводами из молибдата свинца (скорость распространения звука 3.63-10 м/с) и центральной частоте 100 МГц угол между этими лучами составляет величину 2° для гелий- неонового лазера с длиной волны 0,63 мкм. Апертура акустооптических модуляторов равнялась 1 см, что требовало расширения луча лазера ЛГ-78 в направлении распространения ультразвука в 20 раэ.

В эксперименте использовались призмы, вьтолненные из оптического стекла ..ТФ-3 с показателями преломления .717. Угол при вершине призм равнялсжА 35 °.

Луч А выходил из призмы Д под углом 2°, а луч Б - под углом О.

По формуле (2) можно определить, что луч А падал на призму под углом 72.9, а луч В - 80°. Угол падения на призму 80° можно считать наибольшим возможным углом падения, так как в этом случае через призму проходят 73% света и при дальнейшем увеличении угла падения коэффициент пропускания призмы резко падает.

Призма 3 устанавливается таким образом, что луч А выходит из нее нормально к выходной грани, луч Б при этом выходит из нее под углом 7.1 . Используя формулу (2), можно получить, что луч А падает на призму 3 под углом 80°, а луч Б - 61.9°.

Для получения одинаковых коэффициентов расширения для обоих лучей необходимо призму 1 установить таким образом, чтобы луч А входил в нее под углом 54° , а выходил под углом 11.8 ..Призма 2 устанавливается так, что луч Б входит в нее под углом 68.5°, а выходит под углом 3.9°.

Расчет расположения призм по приведенным формулам дает следующие результаты:

. Г 7.6, 37.9%

4.4 31.8% ; 57.0.

Проведенные эксперименты полность подтвердили возможности устройства формирования двух световых лучейо

Элементы устройства формирования (фиг. 1) могут располагаться практически вплотную друг к другу. Длина основания призм 3 ji 4 равнялась 20 мм,, а призм 1 и 2 - П мм.

Полные габариты изготовленного устройства формирования равнялись 115«20 мм(без учета размеров лазера Расстояние от лазерного источника до выходной плоскости предлагаемого устройства не превосходит 115 мм.

Таким образом, устройство формирования двух световых лучей позволяет существенно сократить габариты устройства по сравнению с известным (115 мм вместо 430-610 мм).

Формула изобретения

Устройство формирования двух световых лучей, содержащее установленны последовательно источник лазерного излучения и оптический расширитель, отличающееся тем, что, с целью уменьшения габаритов устройства, между источником лазерного из

Лучения и расширителем введены полупрозрачное и отражшощее зеркала, а оптический расширитель состоит из первой, второй, третьей и четвертой оптических призм с углом при вершине, равнь1М Л, при этом выходная грань четвертой призмы параллельна оптической оси источника лазерного излучения, выходная грань третьей призмы, оптически связанная с входной гранью четвертой призмы, составляет с оптической осью источника лазерного излучения угол $ f(p)-dL, где здесь и ниже обозначены функции (х)Ф(1-ч(х));

sin X

Ц (х)агс sin (

);

4(х)агс sin(n sin х) ;

0

0

0

5

где X - переменное значение угла;

п - показатель преломления материала призм;

р- угол, под которым распрост- 5 раняются лучи на выходе устройства, входная грань третьей призмы оптически связана с выходными гранями первой и второй призм, а выходная грань первой призмы составляет с оптической осью источника лазерного излучения угол ,f (|3)-Ф(сА)+1(; где У,- решение

К уравнения

К..

К.

8(1);

5

( 5° ) costf(x). cos f(x)

к - коэффициент расширения расширителя ;

cos dL

тг / « тг i.. UD

K,g(p), к,

выходная грань второй призмы составляет с оптической осью источника лазерного излучения угол f(p)-fCv,)-.

где )J(dL)-f(p), . j

vi - решение уравнения гт-:;:- -&(V 2л«л., о

К,

3 g(, причем входная грань первой призмы оптически связана с отражающим зер- 0 капом, установленным под углом

51 1 t, - т + -п ( ( м )) к оптической

24 2 Т( Г

оси источника ,пазерного излучения, а выходная грань первой призмы оп- 5 тически связана с полупрозрачным зеркалом, установленным под углом

у- + -х- и- t -f f У )) к оптической

М 4 2 . 2 2

оси источника лазерного излучения.

фиг. 2