Пространственный фильтр лазерного излучения Советский патент 1992 года по МПК G02B27/46 G02B27/48 

Изобретение относится к лазерной оптике, а именно к устройствам для выделения части лазерного пучка с целью получения заданной структуры излучения, и может быть использовано в лазерных системах с варьированием расходимости, мощности и поперечного распределения интенсивности излучения

Известно устройство, в котором для уменьшения лучевой нагрузки на диафрагму входной фокусирующий объектив пространственного фильтра (ПФ) выполнен в виде вогнутого выходного зеркала лазерного резонатора, пропускающего 80% излучения, а около 20% отражающего на диафрагму диаметром 0,2 мм

Однако и в таком варианте конструкции фильтра диафрагма помещена в фокусе и подвергается большим лучевым нагрузкам.

Наиболее близким к предлагаемому является пространственный фильтр, содержащий входной фокусирующий объектив.

диафрагму, выходной фокусирующий объектив.

Вследствие того, что диафрагмирование осуществляется в фокальной плоскости входно го объекта, лучевые нагрузки на диафрагму весьма велики. При работе с импульсным и импульсно-периодическим излучением данный фильтр необходимо помещать в вакуум, так как в атмосфере неизбежно возникновение вблизи диафрагмы лазерной искры, экранирующей ее Кроме того, известно, что форма отверстия диафрагмы должна соответствовать Фурье-образу пучка, входящего в пространственный фильтр, иначе возрастают потери вследствие виньетирования, искажается угловой спектр пучка, растет доля энергии, поглощаемая диафрагмой и, соответственно, вероятность ее разрушения Если сечение падающего пучка - круг, то круглое отверстие оптимально для фильтрации Однако для лазерных пучков с сечением, отличным от круглого, форма отверстия должна

сл

с

XI

4 С

го

00

существенно отличаться от круглой, а в указанных устройствах выполнить это условие вследствие малых размеров отверстия технически сложно, если не невозможно. В - оптических схемах ПФ допуск на несоос- 5 ность отверстия диафрагмы с осью сфокусированного лазерного пучка не превышает 10% от размера отверстия. При превышении допуска резко возрастают лучевые нагрузки на диафрагму, поэтому в таких ПФ Ю нужна ее тщательная трудоемкая юстировка с погрешностью 0,01-0,05 мм.

Целью предлагаемого изобретения является расширение диапазона рабочих мощностей фильтра при одновременном уп- 15 рощении его юстировки.

Поставленная цель достигается тем, что в пространственном фильтре лазерного излучения между входным и выходным фокусирующими объективами расположен 20 рассеивающий объектив, состоящий по крайней мере из двух компонент, причем суммарная оптическая сила входного, рассеивающего и выходного объективов равна нулю, а диафрагмирующее устройство рас- 25 положено за первой компонентой рассеива- ющего объектива.

Диафрагмирующее устройство выполнено из двух и более элементов, причем для каждого последующего элемента диафраг- 30 мирующего устройства по сравнению с предыдущим хотя бы на части периметра проходного отверстия выполняется соотношение ап2/иэф ап-12/1п-1эф, где ап, ап- i,...,ai,...,ai - расстояние от оптической оси 35 до края апертуры соответствующего диафрагмирующего элемента; Ln , Ln-1 эффективная длина оптического пути между главной плоскостью входного фокусирующего объектива и соответствующим диаф- 40 рагмирующим элементом, которая равна LiMi + XiM-i2 при размещении диафрагмирующего элемента между компонентами рассеивающего объектива или LiMi + + X2M2 при размещении диаф- 45 рагмирующего элемента между второй компонентой рассеивающего объектива и выходным фокусирующим объективом, где LI - расстояние между главными плоскостями входного фокусирующего объектива и 50 первой компоненты рассеивающего объектива; Mi - кратность системы, образован- . ной этими двумя элементами; Xi расстояние от главной плоскости первой компоненты рассеивающего объектива до 55 плоскости соответствующего диафрагмирующего элемента; La - расстояние между главными плоскостями компонент рассеивающего объектива; Х2 - расстояние от главной плоскости его второй компоненты

до плоскости соответствующего диафрагмирующего элемента; Ма - кратность системы, образованной второй компонентной рассеивающего объектива и выходным фокусирующим объективом. Величина ai удовлетворяет соотношению as Dj/2, гдеО| - световая апертура фильтра в плоскости соответствующего диафрагмирующего элемента, а эффективное удаление последнего из этих элементов равно или превышает величину DO/OO, где D0 - входная световая апертура фильтра, Оо - заданная угловая величина, на которую необходимо уменьшить расходимость фильтруемого лазерного излучения.

На чертеже изображена оптическая схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит фокусирующий объектив 1, первую компоненту 2 рассеивающего объектива, вторую компоненту 3 рассеивающего объектива, выходной фокусирующий объектив 4, диафрагмирующий элемент или устройство 5. Оптическая ось обозначена как О Ю2. расстояние между главными плоскостями входного фокусирующего объектива и первой компоненты рассеивающего объектива Li; расстояние между главными плоскостями компонент рассеивающего объектива L.2,1 расстояние между главными плоскостями второй компоненты рассеивающего объектива и выход- ного фокусирующего объектива расстояние от главной плоскости первой компоненты рассеивающего объектива до плоскости соответствующего диафрагмирующего элемента Х-к расстояние от гла вной плоскости второй компоненты рассеивающего объектива до плоскости соответствующего диафрагмирующего элемента Х2, входная световая апертура фильтра D0; световая апертура фильтра в плоскости соответствующего диафрагмирующего элемента Di.

Пространственный фильтр лазерного излучения работает следующим образом.

Лазерный пучок диаметром D0 фокусируется объективом 1, затем рассеивается компонентами 2 и 3 рассеивающего объектива, из которых первая по ходу луча компонента 2 расположена ближе к входному фокусирующему объективу 1, чем его фокальная плоскость. После этого пучок преобразуется в параксиальный с помощью выходного фокусирующего объектива 4. Суммарная оптическая сила всех объективов равна нулю. Диафрагмирование пучка производится одним или несколькими диафрагмирующими элементами 5. размещенными за первой компонентой 2 рассеивающего объектива.

Рассмотрим подробнее/ работу предлагаемого ПФ лазерного излучения, Пусть во вводной фокусирующий объектив 1 входит лазерный пучок диаметром D0 и расходимостью По. По мере сжатия пучка его угловой спектр расширяется в М раз, где М - кратность уменьшающей системы. Это означает, что единица длины, пройденная сжатым в М раз пучком, эквивалентна длине, в М2 раз большей, пройденной пучком с диаметром Do. Таким образом, вводится понятие эффективной длины. Для участка, ограниченного объективом 1 и компонентой 2, LiMi, где LI - расстояние между главными плоскостями объектива 1 и компоненты 2; Mi - кратность системы, образованной этими элементами.

Для участка, ограниченного первой 2 и второй 3 компонентами рассеивающего объектива,1-эф L.2M 1, где L2 - расстояние между главными плоскостями компонент 2 и 3 рассеивающего объектива. Для участка между элементами 3 и 4 эффективная длина Цф UM2, где з - расстояние между главными плоскостями второй компоненты рассеивающего и выходного фокусирующего объективов; Ма - кратность системы, образованной этими элементами. Общая эффективная длина ПФ равна сумме эффективных длин указанных отрезков.

При надлежащем выборе Mi и Ма эффективная длина ЛФ может быть во много раз больше геометрической. Выбор Цф определяется из условия формирования дальней зоны пучка в месте размещения диафрагмирующего элемента. Для лазерного пучка с дифракционной расходимостью его структура приобретает вид, соответствующий дальней зоне, когда лазерный пучок пройдет от излучателя расстояние D0 /4А, где Я-длина волны, В случае пучка с реальной расходимостью «о значительное перемешивание лучей в, пучке происходит на расстоянии D0/«o.

Таким образом, в предлагаемом устройстве за счет большой эффективной длины перемешивание лучей и приближение структуры пучка к дальнопольной к артине наступает при небольших геометрических длинах. Наименьшее сечение фильтруемого пучка имеет на порядки большую площадь, чем площадь фильтруемого пучка в фокальной плоскости объектива устройства-прототипа. Например, в устройстве-прототипе при Do 100 мм, аь 2 , фокусе 5-10 мм диаметр диафрагмы должен быть 1 мм и она располагается в фокальной плоскости входного объектива, где очень высо кие лучевые нагрузки. Кроме того, необходимо обеспечить несоосность сфокусированного пучка и отверстия диаф- 5 рагмы не более 0,05-0,1 мм, что при длине фильтра 10м вызывает определенные трудности (вследствие термодеформаций, вибраций и т.д.). Малые размеры отверстия не позволяют придать ему форму, отличэющу0 юся от круглой.

В предлагаемом устройстве даже при дифракционной расходимости дальнополь- ная картина образуется, если Цф D0 /4 А- 250 м. Приняв MI М2 Ю; Li 1 м,

5 L2 3 м, имеем Цф 10 + 3 -1(Г + 10 320 м, т.е. условие дальней зоны выполнено, а сечение диафрагмы на два порядка больше, чем в устройстве-прототипе. Благодаря этому легко обеспечить любую форму отвер0 стия, а требования к точности выдерживания соосности резко снижаются. Для увеличения лучевой стойкости диафрагмы 5 можно размещать ее не между компонентами 2 и 3 рассеивающего объектива, а

5 между компонентой 3 и объективом 4 или даже за последним.

Теплоотвод при диафрагмировании может быть значительно увеличен, а формирование отверстия сложной формы облегчено,

0 если использовать ряд диафрагмирующих элементов так, что каждый последующий по ходу луча элемент затеняет пучок бы на одной из сторон поперечного сечения или ее части. Это обеспечивается, если хотя бы

5 на части периметра проходного отверстия выполняется соотношение ап2/1пэф an-i2/Ln-i3, где an, an-i,...,ajai - расстояние от оптической оси до края апертуры соответствующего диафрагмирующего эле0 мента; Ln , 1-п-1э - эффективная длина оптического пути между главной плоскостью входного фокусирующего объектива и соответствующим диафрагмирующим элементом. В противном случае первый же ди5 афрагмирующий элемент виньетирует все остальные, которые будут уже не нужны.

Предлагаемое устройство с расширенным диапазоном рабочих мощностей и упрощенной юстировкой позволяет решить

0 поставленную задачу, а именно: регулировка мощности, расходимости и поперечного распределения интенсивности лазерного излучения, а также уменьшение габаритов предлагаемого ПФ по сравнению с прототи5 пом.

Пример. Экспериментальный макет имеет габариты 3 м. Входной и выходной фокусирующие объективы изготовлены в виде вогнутых металлических зеркал с фокусом 1,1 м и апертурой 120x120 мм. Рассеивающий двухкомпонентный объектив выполнен из двух выпуклых металлических зеркал, расстояние между которыми 3 м. Эффективная длина такого ПФ соответствует 320 м, что позволяет решать поставленную задачу с таким же эффектом, как и в устройстве-прототипе. Однако габариты предлагаемого ПФ в 3 раза меньше, диафрагмирующие элементы испытывают низкую лучевую нагрузку, требования к их юстировке весьма низки.

На основе предлагаемого устройства может быть создан ПФ лазерного излучения с простой юстировкой и малыми габаритами для работы с мощными лазерными пучками. Таким образом, предлагаемое устройство выгодно отличается от известных и может эффективно применяться для целей коррекции пространственно-энергетических характеристик лазерного излучения, например в схемах обращения волнового фронта Формула изобретения Пространственный фильтр лазерного

излучения, включающий размещенные не оптической оси входной фокусирующий объектив, диафрагмирующее устройство и выходной фокусирующий объектив, о т л и ч а- ю щ и и с я тем, что, с целью расширения

диапазона рабочих мощностей фильтра при одновременном упрощении его юстировки, между входным и выходным фокусирующими объективами расположен рассеивающий объектив, состоящий по крайней мере из

двух компонент, причем суммарная оптическая сила входного, рассеивающего и выходного объективов равна нулю, а диафрагмирующее устройство расположе- но за первой компонентой рассеивающего

объектива.

Использование выделение части лазерного пучка с целью получения заданной структуры излучения. Сущность изобретения фильтр включает расположенные на оптической оси входной фокусирующий объектив, рассеивающий объектив, диафрагмирующее устройство и выходной фокусирующий объектив. Суммарная оптическая сила объективов равна нулю, а диафрагмирующее устройство расположено за первой компонентой рассеивающего фильтра. Диафрагмирующее устройство выполнено из двух или более элементов. 1 ил