Устройство фокусировки мощного оптического излучения Советский патент 1990 года по МПК G02B26/06 G02B5/10 

Изобретение относится к оптико-механической промышленности и может быть использовано для автоматической фокусировки излучения в технологических лазерах и в системах адаптивной оптики.

Целью изобретения является снижение потребляемой мощности и уменьшение габаритов и массы устройства.

На чертеже изображена схема устройства.

га на 180° и вращаюш.ихся на одной оси. Световой пучок пересекается полудисками попеременно и падает на фотоприемник, расположенный за ними. В результате на вы- 5 ходе фотоприемника формирукугся пачки электрических сигналов, следующие одна за другой. Если фокус расположен посередине. между плоскостями полудисков, то диаметры сечения пучка на них одинаковы и амплитуды сигналов во всех пачках равны между собой

Устройство состоит из гибкой зеркальной и разностный сигнал равен нулю. Если фокус

пластины 1, выполненной из термобиметалла (двух жестко соединенных по всей поверхности слоев металла с различными коэффициентами теплового расширения), системы 2 охлаждения, непосредственно связанной с гибкой зеркальной пластиной 1. Система 2 охлаждения регулятор 3, который соединен с выходом датчика 4 фокусировки, над которым на пути оптического пучка расположено устройство 5 деления оптического пучка.

Устройство фокусировки мощного оптического излучения работает следующим образом.

Мощный оптический пучок, падая на поверхность зеркальной пластины 1, изготовленной из двух слоев металла с различными температурными коэффициентами расщире- ния, нагревает ее. В силу свойств термобиметалла зеркальная пластина 1 изгибается, причем, если температурный коэффициент расширения слоя, на который падает излучение, меньше, чем второго слоя, то зеркальная поверхность принимает вогнутую форму. Если зеркальная пластина 1 имеет круглую форму и состоит из слоев постоянной по диаметру толщины, то ее изгиб происходит аналогично биморфным пьезоэлектри- чеким зеркалам по сфере с высокой точностью.

В случае оптимального выбора соотношения толщин слоев, когда

1т2 ,/Е7

h,E2

где hi и h2 - толщины слоев 1 и 2;

EI и Е2 - модули упругости слоев 1 и 2, радиус кривизны для изначально плоской пластины определяется по формуле

„ 2 J

3 (а2-ai)A0

где h - общая толщина биметаллической

пластины;

ai и а2 - температурные коэффициенты расширения слоев 1 и 2; Д0 - изменение температуры.

Отраженное от зеркальной пластины 1 излучение идет на цель и частично ответвляется устройством 5 деления пучка и направляется на датчик 4 фокусировки. Датчик 4 фокусировки излучения может быть изготовлен при помощи двух полудисков со щелями, развернутых относительно друг друсмещен, то диаметр пучка на полудиске, в сторону -которого он сместился, становится меньще, чем на другом. В результате, пачки импульсов имеют различную амплиту15 ду и разностный сигнал имеет амплитуду, пропорциональную величине смещения фокуса, и знак, зависящий от направления этого смещения. С выхода датчика 4 фокусировки сигнал поступает на регулятор 3 системы 2 охлаждения. В случае недостаточной

фокусировки отраженного от зеркальной пластины 1 пучка (большого радиуса кривизны зеркальной пластины 1) сигнал с выхода датчика 4 фокусировки, подаваемый на регулятор 3, невелик, и система 2 охлаждения

25 работает слабо.

Температура зеркальной пластины 1 возрастает и радиус ее кривизны уменьшается. Если кривизна зеркальной пластины 1 превосходит заданную величину, то сигнал с

30 датчика 4 фокусировки усиливается, регулятор 3 увеличивает интенсивность работы системы 2 охлаждения, температура, а следовательно, и кривизна зеркальной пластины 1 уменьшаются. Таким образом, радиус кривизны зеркальной пластины 1 постоянно

35 стремится к заданному значению.

Система 2 охлаждения может быть изготовлена с помощью термоэлектрических элементов Пельтье, присоединенных к задней поверхности гибкой зеркальной пластины 1.

Наиболее простым в реализации режимом работы регулятора системы 3 охлаждения является релейный, при котором он либо отключает систему 2 охлаждения, либо включает ее на полную мощность, причем пе45 реключение происходит по сигналам датчика 4 фокусировки в момент равенства фокусного расстояния гибкого зеркала 1 заданной величине (при этом, когда фокусное расстояние зеркала 1 больше заданного, система 2 охлаждения отключена, а когда мень50 ше, включена на полную мощность). В качестве регулятора 3, обеспечивающего релейный режим работы, может быть использована транзисторная ключевая схема, в качестве коллекторной нагрузки которой включены элементы Пельтье системы 2 охлаж55 дения.

При изготовлении термобиметаллического гибкого зеркала из слоев с переменной по диаметру толщиной либо различных

40

га на 180° и вращаюш.ихся на одной оси. Световой пучок пересекается полудисками попеременно и падает на фотоприемник, расположенный за ними. В результате на вы- ходе фотоприемника формирукугся пачки электрических сигналов, следующие одна за другой. Если фокус расположен посередине. между плоскостями полудисков, то диаметры сечения пучка на них одинаковы и амплитуды сигналов во всех пачках равны между собой

и разностный сигнал равен нулю. Если фокус

смещен, то диаметр пучка на полудиске, в сторону -которого он сместился, становится меньще, чем на другом. В результате, пачки импульсов имеют различную амплитуду и разностный сигнал имеет амплитуду, пропорциональную величине смещения фокуса, и знак, зависящий от направления этого смещения. С выхода датчика 4 фокусировки сигнал поступает на регулятор 3 системы 2 охлаждения. В случае недостаточной

фокусировки отраженного от зеркальной пластины 1 пучка (большого радиуса кривизны зеркальной пластины 1) сигнал с выхода датчика 4 фокусировки, подаваемый на регулятор 3, невелик, и система 2 охлаждения

5 работает слабо.

Температура зеркальной пластины 1 возрастает и радиус ее кривизны уменьшается. Если кривизна зеркальной пластины 1 превосходит заданную величину, то сигнал с

0 датчика 4 фокусировки усиливается, регулятор 3 увеличивает интенсивность работы системы 2 охлаждения, температура, а следовательно, и кривизна зеркальной пластины 1 уменьшаются. Таким образом, радиус кривизны зеркальной пластины 1 постоянно

5 стремится к заданному значению.

Система 2 охлаждения может быть изготовлена с помощью термоэлектрических элементов Пельтье, присоединенных к задней поверхности гибкой зеркальной пластины 1.

Наиболее простым в реализации режимом работы регулятора системы 3 охлаждения является релейный, при котором он либо отключает систему 2 охлаждения, либо включает ее на полную мощность, причем пе5 реключение происходит по сигналам датчика 4 фокусировки в момент равенства фокусного расстояния гибкого зеркала 1 заданной величине (при этом, когда фокусное расстояние зеркала 1 больше заданного, система 2 охлаждения отключена, а когда мень50 ше, включена на полную мощность). В качестве регулятора 3, обеспечивающего релейный режим работы, может быть использована транзисторная ключевая схема, в качестве коллекторной нагрузки которой включены элементы Пельтье системы 2 охлаж55 дения.

При изготовлении термобиметаллического гибкого зеркала из слоев с переменной по диаметру толщиной либо различных

0

по диаметру размеров и формы его деформация определяется более сложным выражением. Очевидно температурная деформация термобиметаллического гибкого зеркала должна описываться уравнением, подобным уравнению деформации биморфного пьезоэлектрического гибкого зеркала. Для статического режима работы уравнение, описывающее прогибы поверхности термобиметаллического гибкого зеркала, имеет вид

(х,у) , (x,y)

-X ОI. TI(Эх

ду

к

D(x,y)

6t,

где W(x,y) - смещения поверхности гибкого

зеркала;

х,у - координаты в плоскости гибкого зеркала;

D(x,y) - распределение жесткости гибкого зеркала по его площади, зависящее от толщины и формы его слоев; 6t - изменение температуры;

К - коэффициент пропорциональности.

В частности, для гибкого зеркала с пере- меиной по диаметру толщиной данное уравнение прииимает вид

(W(x,y) , (x,y)

1

J/ I J / T/лс-4.

-д К

где Ki Е и V

р ,

модуль упругости и коэффициент Пуассона материала гибкого зеркала;h(x,y) - функция толщины гибкого зеркала.

Формула изобретения

1. Устройство фокусировки мощного оптического излучения, содержащее гибкое зеркало с системой охлаждения и датчик фокусировки, отличающеесят&м, что, с целью снижения потребляемой мощности и уменьшения массы и габаритов, гибкое зеркало выполнено из термобиметалла, а в систему его охлаждения введен регулятор, соединенный с выходом датчика фокусировки.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью фокусировки излучения в заданный объем пространства, один или оба слоя - термобиметаллического гибкого зеркала выполнены с переменной по диаметру толщиной.

3 Устройство по п. 1, отличающееся тем,

что, с целью фокусировки излучения в заданный объем пространства, термобиметаллическое гибкое зеркало выполнено из слоев, имеющих различные размеры и форму.

Изобретение относится к оптико-механической промышленности и может быть использовано для автоматической фокусировки технологических лазеров и в системах адаптивной оптики. Целью изобретения является снижение потребляемой мощности и уменьшение габаритов и массы. Устройство содержит гибкую зеркальную пластину 1, соединенную с системой 2 охлаждения и датчик 4 фокусировки. Новым является выполнение гибкого зеркала из термобиметалла и введение в систему его охлаждения регулятора 3, соединенного с выходом датчика 4 фокусировки. Кроме того, с целью обеспечения фокусировки излучения в заданный объем пространства один или оба слоя термобиметаллического гибкого зеркала выполнены с переменной по диаметру толщиной либо имеют различные по диаметру размеры и форму. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.