Многопроходная оптическая линия задержки Советский патент 1992 года по МПК G02B17/00 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к оптическим системам с отражающими элементами, и может быть использовано при создании открытых оптических линий задержки с пониженной чувствительностью к раэьюстировке на время 1 ... 103 не.

В настоящее время в технике возникает задача создания устройства, реализующего многократное прохождение светом одного и того же участка, причем такая многопроходная линия задержки должна быть устойчивой к разъюстировкзм входящих в нее оптических элементов Это необходимо, например, для исследования взаимодействия излучения со слабо поглощающей газовой средой, для высокоточного определения расстояния между двумя точками методами импульсной световой дальнометрии

Известна многоходовая матричная система, содержащая входное и выходное отверстия, два вогнутых зеркала-коллектива четыре вогнутых зеркала-объектива, установленных с возможностью поворота относительно вертикальной оси, два из которых установлены на общем основании с возможностью поворота относительно вертикальной оси, при этом все зеркала имеют одинаковый радиус кривизны, все зеркала-объективы жестко закреплены одно относительно другого на общем основании и расположены попарно-симметрично относительно центра кривизны основного зеркала-коллектива, центр кривизны вспомогательного зеркала-коллектива расположен в центре симметрии двух зеркал- объективов, принадлежащих разным парам. а общее основание установлено с возможностью поворота в двух взаимно перпендикулярных плоскостях Центры кривизны зеркал-объективов образуют КРЯДП Т i о стороной а Число проходов q СИСТРГ о преде

.д..%

XI ч

ел XI

кэ

яется двумя углами разворота блока объекивов и может быть любым числом из ряда q 2(k -1 ) (21 - 1), где k, 1 - натуральные числа. На основном зеркале-коллективе образуется матрица неперекрывающихся последовательныхпромежуточныхизображений входного окна размерностью 21 х k, в результате площадь этого зеркала должна превышать величину qa /2, т. е. при характерной площади одного зеркала- объектива диаметром а хтга2/4 площадь коллектива превышает ее по крайней мере в 2q/jr раз.

Недостатками такой системы являются конструктивная сложность, большое число оптических элементов, необходимость жесткой фиксации обьективов друг относительно друга и точной угловой настройки всего блока объективов по двум координатам для данного числа проходов, а также невозможность получения любого наперед заданного числа проходов линии задержки.

Известно устройство для многократного отражения, содержащее источник излуче- ния и два идентичных отражающих элемента, которые выполнены в виде двух одинаковых прямых конусов, соединенных основаниями и рассеченных плоскостью по оптической оси, проходящей через их вершины, сдвинутых один относительно другого в противоположных направлениях и обращенных друг к другу зеркальными поверхностями, причем выступающие вершины соответствующих отражающих элементов усечены, а источник излучения установлен с возможностью введения излучения через усеченные части отражающих элементов. Особенностью решения является периодическая фокусировка излучения, вводимого от источнике, расположенного на оптической оси устройства, практически перпендикулярной ей. При отсутствии потерь излучения в устройстве оно выводится через усеченные вершины. Однако такое устройство трудно отрегулировать на заданное число проходов, т. е. заданную задержку излучения. Для точной фокусировки излучения необходима точная юстировка системы, заключающаяся в точном соединении конусов, в точном совмещении осей отражающих элементов и в обеспечении расположения любого луча в плоскости, проходящей через оптическую ось. При разъюстировке устройства фокусировка ухудшается, а, задержка излучения увеличивает свой разброс. Устройство рассчитано лишь на параллельный входной пучок. К тому же из-за ограниченности размеров отражающих элементов возможностями современной технологии на уровне л/10 см получение значительных задержек излучения на единицы и десятки наносекунд затруднительно, а сами отражающие элементы являются сложными

в изготовлении. Наиболее близкой по технической сущности является оптическая система многократного отражения, содержащая источник излучения, первый и второй отражающие

элементы в виде плоских зеркал, обращенные друг к другу зеркальными поверхностями, и последовательно расположенные между первым и вторым зеркалами первую положительную линзу большего диаметра

5 Di и вторую положительную линзу меньшего диаметра Da таким образом, что фокусы указанных линз лежат на соответствующих зеркалах, причем обе линзы и второе зеркало установлены перпендикулярно и симмет0 рично относительно оптической оси системы, а первое зеркало образует с осью угол 90° - «. где 0° а 90°. Источник излучения создает пучок.лучей, параллельных оптической оси системы. Этот пучок

5 вводится в систему со стороны второй линзы и попадает на периферийную часть первой линзы. Из-за наклона первого зеркала после отражения от блока первая линза - первое зеркало пучок оказывается антипа0 раллельным входящему и более близким к оптической оси на расстояние 2 a Fi, где FI - фокусное расстояние первой линзы; угол а и относительное отверстие первой линзы полагаем малыми: а« 90°; Di/Fi «1. ось

5 разворота первого зеркала полагаем перпендикулярной плоскости, проходящей через оптическую ось и ось входного пучка лучей, После отражения от блока вторая линза - второе зеркало луч становится па0 раллельным входящему с сохранением уменьшенного расстояния до оптической оси . Далее процесс повторяется. Полагая, что ось входного пучка лучей находится на расстоянии (Di + Da)/2 от оптической оси.

5 получим, что после m (Di + Da)/2aFi отражений от первого зеркала пучок выйдет из системы в месте его входа антипараллельно входящему пучку. Описан также вариантси- стемы, в котором вместо блока вторая линза

0 - второе зеркало применяется прямоугольная равнобедренная призма, выполняющая те же функции.

Использование указанного технического решения в качестве многопроходной оп5 тической линии задержки имеет следующие недостатки.

Во-первых, для обеспечения задержки излучения на заданное время или заданное число проходов необходима точная юстировка системы, как линейная, так и угловая, причем с ростом числа m, r е. числа проходов, чувствительность к разыостировке возрастает при малых m пропорционально m, a при больших - пропорционально т2.

Во-вторых, с ростом числа проходов мощность излучения снижается из-за потерь на прохождения линз и отражения от зеркал.

В-третьих, система рассчитана только на параллельный входной пучок. Однако с ростом расстояния между зеркалами з и числа m допустимая расходимость излучения пропорционально уменьшается, вплоть до дифракционного предела. При дальней- шем увеличении или m выходящий пучок будет ограничиваться по апертуре, и часть излучения выйдет после другого числ-а проходов.

Таким образом, высокая чувствитель- ность к разьюстировке и значительные потери излучения затрудняют практическое использование устройства в качестве многопроходной оптической линии задержки.

Целью изобретения является снижение чувствительности к разыостировке оптических элементов устройства, обеспечивающего многократное прохождение светом одного и того же участка.

Указанная цель достигается тем, что в многопроходной оптической линии задержки, содержащей источник излучения, первый и второй отражающие элементы, обращенные друг к другу зеркальными поверхностями, и установленную на оптиче- ской оси линии задержки между первым и вторым отражающими элементами положительную сферическую линзу на расстоянии Li и L.2 от них, соответственно, первый и второй отражающие элементы выполнены в виде уголковых отражателей с усеченными вершинами прямого трехгранного угла, расположенными на оптической оси устройства, источник излучения расположен перед первым уголковым отражателем на оптиче- ской оси линии задержки, причем фокусное расстояние положительной сферической линзы, определяется формулой

f (li + L2t(Li2 н 2LiL2 cos(2p JT/q)f + L22)1/2.(1)

где q, p - не имеющие общих множителей натуральные числа, q -натуральное число, большее единицы - число проходов линии задержки, определяющее время задержки1 (Li + L.2)q/c, p - натуральное число, не превышающее целую часть числа (q - 1)/2 при q 2 и р 1 при q 2 с - скорость света.

Благодаря свойству уголкового отражателя отражать излучение в антипараллельном направлении, предлагаемая многопроходная оптическая линия задержки оказывается чрезвычайно нечувствительной к разьюсти- ровкам. Низкая чувствительность к угловым разыостировкам линзы связана со слабой квадратической зависимостью фокусного расстояния линзы в плоскости наклона от угла наклона. Только при болших угловых разыостировках линзы (5°) фокусное расстояние в двух перпендикулярных плоскостях становится заметно различным (0,5%), а также при большом линейном уходе линзы или второго уголкового отражателя возникает угроза выхода элементов из луча. К малым поворотам уголковых отражателей многопроходная оптическая линия задержки вообще нечувствительна, Необходимое для обеспечения задержки излучения на выходе по сравнению со входом на время r (Li + )q/c, т. е. на q проходов, фокусное расстояние линзы должно определяться по формуле (1). Именно такое и только такое значение фокусного расстояния обеспечивает оптическое сопряжение входа и выхода линии задержки. Это можно показать методами лучевых матриц (Джерард А,, Берч Дж. М,: Введение в матричную оптику, М., Мир, 1987, с. 18), описывающего изменение двух параметров параксиального оптического луча при его прохождении в пространстве и через различные оптические элементы. В соответствии с теорией матричных методов в оптике опишем распространение параксиального пучка от входа многопроходной оптической линии задержки до выхода для произвольного числа проходов q, для чего найдем соответствующую матрицу

ГА, ВЛ

Mi

ICi DiJ;

где i 1 при q 2m, i 2 при q 2m + 1, m - натуральное число.

Распространение излучения от внутренней поверхности первого уголкового отражателя до нее же за два прохода линии, т. е. за один обход линии, описывается матрицей Мз, являющейся произведением справа налево элементарных матриц, соответствующих распространению излучения в линии по мере обхода:

Мз М4М5МбМ М4М7МбМ5.

Рассмотрим элементарные матрицы, входящие в Мз. Матрица

М«

-1 2(n-1)d

О

-1

где d - толщина, n - показатель преломления среды уголкового отражателя, описывает отражение света от уголкового отражателя. В случае незаполненного уголкового отражателя n 1, и элемент В4 матрицы М4 равен нулю. В случае триппель-призмы n 1, В 0; при дальнейшем рассмотрении для упрощения расчетов размеры триппель-призмы будем полагать

выйдет из линии через ее вход у двух проходов. При X 1 получим 1 1 /f, т. е. линза изображает друг в вершины уголковых отражателей проход; при этом излучение выйд нии уже после первого прохода. случае xi зМ, , Х/1 из услов получим sin(q 0/2) 0, откуда полу р Л. где р - целое число, в 2р

малыми по сравнению с оптической длиной 10 cos (# /2) cos (р тг/q), fyO, вЈп.

линии: d «Li + г. В общем случае будем считать В« 0. Матрицы

П Li-jП La

М

10 1J10 1 J

описывают прохождение света на расстояния LI и L.2, матрица

15

f 2LiL2/(Li + L (Liz + 2LiL2co + L22)1/2.

Для дальнейшего анализа до использовать такую совокупность которая определяет все возможны ния cos(2p jr/q), за исключением с cos2(2pjr/q) 1, при котором второ вый отражатель вообще не работа ражение. Нетрудно показать, что быть числа р 1. 2, 3, ...(q - 1)/2 целая часть s.

1

О

Мб

1-1/f 1J

прохождение света через тонкую линзу с фокусным расстоянием f.

Для удобства преобразований введем безразмерные переменные xi Li/f 0; Х2 25 La/f 0; X (1 - xi) (1 - ха). Выполнив умножения, после преобразований получим:

Г2Х-12f(1-X)(1-xi)

.30

1-2(1 - x2)/f 2X - 1J Матрицу Mi Мзт получим возведением в степень с помощью известной формулы Муавра:

fAasinmtf- sin(m - 1)6

Для дальнейшего анализа достаточно использовать такую совокупность чисел р, которая определяет все возможные значения cos(2p jr/q), за исключением случая X cos2(2pjr/q) 1, при котором второй уголковый отражатель вообще не работает на отражение. Нетрудно показать, что это могут быть числа р 1. 2, 3, ...(q - 1)/2, где s - целая часть s.

Для того, чтобы излучение не выходило из линии после меньшего числа проходов, чем q, необходимо удостовериться, что полученные значения f не являются искомыми значениями для меньшего числа проходов; чем q. Это справедливо при отсутствии взаимной простоты чисел р и q, т. е. при отсутствии у них общих множителей, Действительно, наличие общего множителя s у р и q, т. е. р spi, q sqi, где s, pi, qi - натуральные числа, s 1, приводит к тому, что cos(2p лУ/q) cos(2pi я/qi), т. е. f(p, q) rf(pi, qi), и все излучение выйдет из линии

Mi-sln fl

B3Sinm0 J 35 уже через qi q проходов.

1Таким образом, для достижения задерICssinmfl D3sinm0- sln(m - 1)#J; жки излучения на время г, определяемое

числом проходов линии q и оптической длигде 0 arccos(2X - 1), 0 . Для суще- ной линии Li + L.2, необходимо и достаточно ствования арккосинуса необходимо потре- 40 использовать положительную сферическую

бовать . Формально случаи Х- 1, и X 0, 0 - л приводят к sin 0 и, следовательно, к делению на ноль в выражении для Mi. В этих случаях надо воспользоваться предельным переходом при 0&Q и 9-wT.45

Матрицу Ма найдем из Mi умножением справа налево на матрицы, соответствующие проходу луча от входа линии до несовпадающего С ним выхода:

М2 М4 MyMeMsM Mi.50

Для оптической сопряженности входа и выхода линии необходимо выполнение условия BI 0, т. е. Вт 0 при q 2m или Вг yQ при q 2m + 1, Поэтому в матрице Mv достаточно вычислить элемент Вт:55

В - - 2(1 - X)f-sin(q 0/2)cos( 0/2)/sin 0.

Вначале рассмотрим некоторые частные случаи. При xi 1. т. е. f Li, имеем X 0, Вз 0 и, следовательно, все излучение

линзу с фокусным расстоянием f, определяемым формулой (1) с учетом вышеприведен- ных ограничений на параметр р. Использование уголковых отражателей с усеченными вершинами обеспечивает пониженную чувствительность многопроходной оптической линии задержки к раэьюстировке,

С целью снижения потерь излучения, снижения чувствительности к разъюстиров- ке с одновременным упрощением конструкции уголковые отражатели целесообразно выполнить в виде триппель-призм на эффекте полного внутреннего отражения, положительную сферическую линзу - механически закрепленной на одной из триппель-призм. источник излучения - закрепить на усеченной вершине первой триппель-призмы, поверхности положительной сферической

выйдет из линии через ее вход уже после двух проходов. При X 1 получим 1 /U + 1 1 /f, т. е. линза изображает друг в друга две вершины уголковых отражателей за один проход; при этом излучение выйдет из линии уже после первого прохода. В общем случае xi зМ, , Х/1 из условия Bi О получим sin(q 0/2) 0, откуда получим qQ/2 р Л. где р - целое число, в 2р тг/q, Х

cos (# /2) cos (р тг/q), fyO, вЈп.

f 2LiL2/(Li + L (Liz + 2LiL2cos(2p я/qjf + L22)1/2.

Для дальнейшего анализа достаточно использовать такую совокупность чисел р, которая определяет все возможные значения cos(2p jr/q), за исключением случая X cos2(2pjr/q) 1, при котором второй уголковый отражатель вообще не работает на отражение. Нетрудно показать, что это могут быть числа р 1. 2, 3, ...(q - 1)/2, где s - целая часть s.

Для того, чтобы излучение не выходило из линии после меньшего числа проходов, чем q, необходимо удостовериться, что полученные значения f не являются искомыми значениями для меньшего числа проходов; чем q. Это справедливо при отсутствии взаимной простоты чисел р и q, т. е. при отсутствии у них общих множителей, Действительно, наличие общего множителя s у р и q, т. е. р spi, q sqi, где s, pi, qi - натуральные числа, s 1, приводит к тому, что cos(2p лУ/q) cos(2pi я/qi), т. е. f(p, q) rf(pi, qi), и все излучение выйдет из линии

уже через qi q проходов.

линзу с фокусным расстоянием f, определяемым формулой (1) с учетом вышеприведен- ных ограничений на параметр р. Использование уголковых отражателей с усеченными вершинами обеспечивает пониженную чувствительность многопроходной оптической линии задержки к раэьюстировке,

С целью снижения потерь излучения, снижения чувствительности к разъюстиров- ке с одновременным упрощением конструкции уголковые отражатели целесообразно выполнить в виде триппель-призм на эффекте полного внутреннего отражения, положительную сферическую линзу - механически закрепленной на одной из триппель-призм. источник излучения - закрепить на усеченной вершине первой триппель-призмы, поверхности положительной сферической

линзы, фронтальную грань и усеченную вершину каждой триппель-призмы - просветлить, причем фокусное расстояние положительной сферической линзы определяется формулой

f L/sln2(p7T/q),

где L Li + L2 - оптическая длина линии. При этом число р есть число промежуточных изо- источника в многопроходной оптической линии задержки, последнее из которых совпадает с выходным окном.

Применение полного внутреннего отражения позволяет приблизить к единице коэффициент отражения от каждой из трех граней прямого трехгранного угла триппель-призмы, в отличие от случая металлизации этих граней или зеркального покрытия в незаполненном уголковом отражателе, Просветление всех оптических поверхностей, работающих на пропускание, для всего спектра излучения источника позволяет приблизить к единице их коэффициент пропускания. Просветление может быть выполнено, например, нанесением одно- или многослойного диэлектрического покрытия, или травлением поверхности, имеющим своей целью изменение показателя преломления поверхностного слоя линз Справочник конструктора оптико-механических приборов. Под общ. ред. В. А. Панова, - 3-е изд., Л., Машиностроение, Ленингр. отделение, 1980, с. 551.. Использование полного внутреннего отражения и просветления уменьшает потери излучения в линии.

Входное и выходное окна линии образуются сошлифовкой перпендикупярно оси триппель-призм вершин их прямых трехгранных углов. Закрепление источника в вершине первой триппель-призмы снижает чувствительность линии к разъгастировке. Механическое закрепление линзы на одной из триппель-призм снижает число степеней свободы, устраняет возможность ухода линзы с оптической оси линии, что также снижает чувствительность линии к разъюстировке. Оптические элементы оказываются сосредоточенными при этом фактически не в трех, а в двух областях пространства, Это способствует упрощению конструкции. При желании возможно вообще исключить линзу из линии, заменив ее выпуклой сферической обработкой фронтальной грани одной из триппель-призм. Возможно также использовать блок из произвольного числа сферических линз, распо- ложенных на оптической оси линии, обладающий способностью фокусировать

падающий на него плоский волновой фронт излучения. Устойчивость линии к рэзьюсти- ровке благодаря наличию уголковых отражателей сохраняется, однако, по 5 соображениям конструктивной сложности, большого числа оптических поверхностей и увеличения чувствительности к разъюсти- ровкам линз, увеличение числа линз свыше одной нежелательно. При закреплении по10 ложительной сферической линзы на одной из триппель-призм вместо двух параметров Li и U остается один - оптическая длина линии L Li + L2, и фокусное расстояние линзы определяется формулой (2), получае15 мой из формулы (1) упрощением.

Оценим возможный диапазон задержек излучения, достигаемых предлагаемой линией. Типичный интервал изменения оптической длины линии составляет L 0,1 ...20

20 м, числа проходов - q 2 ... 20. Отсюда для возможного времени задержки получим оценку: т 1 ... 103 не.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема многопроходной оптической линии

25 задержки, а та,же показан ход оптических лучей при нечетном числе проходов д.Н§ фиг. 2 - то же самое при четном числе проходов q. На фиг. 3 изображен экспериментальный макет многопроходной оптической линии

30 задержки.

Многопроходная оптическая линия задержки содержит последовательно расположенные по ходу оптического луча источник излучения 1, входное окно 2, пер35 вый уголковый отражатель 3 с усеченной вершиной, находяа1уюся на расстоянии Li от него положительную сферическую линзу 4 с фокусным расстоянием f, находящийся на расстоянии (2 от нее второй уголковый

40 отражатель 5 с усеченной вершиной, выходное окно 6. Входное окно 2 совпадает с усеченной вершиной первого уголкового отражателя 3, а выходное окно б совпадает с усеченной вершиной второго уголкового от45 ражателя 5 при нечетном числе проходов q или со входным окном 2 при четном.

Экспериментальный макет многопроходной оптической линии задержки, созданный и исследованный в лабораторных

50 условиях, содержит последовательно расположенные источник излучения в виде газового лазера 1 и микрообъектива 7. первый уголковый отражатель 3 в виде триппель- призмы с сошлифованной вершиной, меха5 нически закрепленную с помощью оправы 8 на этой призме плоско-выпуклую линзу 4, второй уголковый отражатель 5 в виде триппель-призмы с сошлифованной вершиной, диафрагму 9, закрепленную на этой призме, экран 10.

В качестве газового лазера используется гелий-неоновый лазер Л ГН-126 с длиной волны А 0,63 мкм и расходимостью излучения/И мрад, в качестве микрообъектива - микрообъектив ОМ-23 с фокусным расстоя- нием 4.3 мм; диаметр окружности, вписанной во фронтальную грань триппель-призмы, составляет 26 мм; диаметр окружности, вписанной в треугольную площадку, образованную сошлифовкой вер- шины перпендикулярно оси симметрии триппель-призмы, составляет 2 мм. Размер пятна в фокусе микрообъектива составляет 50 мкм, а расходимость излучения после фокусировки - 30 мрад. Диаметр отвер- стия диафрагмы составляет 200 мкм. Фокусное расстояние плоско-выпуклой линзы составляет 720,75 мм, диаметр 39 мм. Вторая триппель-призмэ перемещается вдоль оптической оси. Все расстояния измеряют- ся с погрешностью 0,5 мм. При исследовании работы экспериментального макета линии для определения положений и числа промежуточных изображений источника в линии в нее помещается тонкая нить. Высо- кая точность измерения координаты второй триппель-призмы обеспечивается минимально возможным отверстием диафрагмы; при увеличении его диапазон допустимых положений второй триппель-призмы возра- стает.

Устройство работает следующим обрэ- ., зом. Излучение газового лазера фокусируется микрообъективом в точке, являющейся изображением вершины в триппель-призме с сошлифованной вершиной, если смотреть со стороны фронтальной грани. Затем излучение, войдя в линию, проходит последова- тельно первую триппель-призму, фокусирующую линзу, отражается от второй триппель-призмы, снова проходит через фокусирующую линзу и т. д. Перед выходом из линии задержки после q проходов (q - нечетное) свет проходит через вторую триппель-призму, фокусируется в отверстии диафрагмы, расположенном в точке, являющейся изображением вершины, и выйдя из оптической линии задержки, попадает на экран, причем многопроходная оптическая линия задержки может работать также и на отражение при четном q, тогда выход и вход линии задержки совпадают.

Измерения были проведены для следующих комбинаций р и q: q - 3, р 1; q 5, р 1, 2;q 7. р 1,2; q 9, р 2; q 11, р 2.3;q«13, p 2.3; q 15, р 2, 4; q 17, р 3, 4. Для сопоставления был проведен расчет по формуле (1), модифицированной для случая толщин триппель-призмы и линзы, сравнимых с L2 и f. Как показали результаты эксперимента и теоретические расчеты, значение средней систематической ошибки определения 2 составляет 3,6 мм и среднеквадратической случайной ошибки - 3,6 мм для всех 14 измерений, и, соответственно, 1,5 и 1,0 мм при отбрасывании 3 наиболее сильно отличающихся пар. Значения полученных ошибок сравнимы с точностью измерения линейных величин в эксперименте.

Для сравнения чувствительности к угловой разъюстировке оптических элементов предлагаемой многопроходной оптической линии задержки и устройства, выполненного по схеме прототипа, оценим максимально возможные углы разъюстировки их отражающих элементов.

Пренебрегая расходимостью излучения, оценим вначале предельно допустимую угловую разъюстировку зеркал устройства- прототипа на примере зеркала относительно двух взаимно перпендикулярных осей, характеризуемую углами, соответственно, Да и Д/3 (ось разворота по углу / полагаем перпендикулярной оптической оси системы и оси разворота по углу а).

При практическом применении устройства-прототипа в качестве многопроходной оптической линии задержки для эффективного использования выходного пучка необходимо точно знать его пространственное положение. Особенностью устройства-прототипа является работа на отражение, т. е. совмещение выходного и входного пучков. Поэтому будем полагать, что для сыостиро- ванного устройства эти пучки пространственно совмещаются. Однако уже при малой угловой разъкэстировке зеркал устройства -возникает пропорциональное ей линейное смещение выходного пучка в поперечном направлении по отношению ко входному. В частности, при максимальном диаметре входного пучка Domax (Di - D2)/2 уже при любой сколь угодно малой разь- юстировке выходной пучок начинает виньетироваться краями лин з. Максимально допустимой разъюстировкой будем считать такую, при которой выходной пучок перестает пересекаться со входным, или при которой со входным лучком начинает пересекаться выходной пучок после другого числа отражений от первого зеркала. Соот- ветственно получим Aomi D0/2mFi; A«m2 (Di + D2 - т00)/2т(т - 1)Fi. При увеличении D0 разъюстировка Aomi возрастает, a ДсЦп2 убывает. Ограничение на m получим из условия попадания всего пуч ка во вторую линзу после первого отражения от первого зеркала: (Di + D2)/m (Di - D2 +

+2D0)/4. Пользуясь этими соотношениями и ограничениями на D0, получим выражения . для оптимального диаметра входного пучка Doopt для различных m и соответствующие им Ьеличины предельных угловых разъюсти- 5 ровок: при m(Di + D2)/(Di - 02) имеем:

AOml AOm2. Doopt DOmax,

(Di - D2)/4mFi, A/9 (Di - D2)/4(2m - 1)Fi - . m Да /(2m - 1), при (Di + D2)/(Di - D2) m 3(Di + D2)/(Di -D2) имеем: Даы AOni2, Ю

Doopt (Di .+ D2)/2m Domax. Да (Di + fD2)/4m2Fi, Д/ (Di + D2) /4m(2m - 1) FI m Aa/(2m - 1).

Рассмотрим практический пример. По- ложим DI 5 см, D2 4 см, FI 10см. При т 2 получим Аа 12,5 мрад 43. А/3 8,3 мрад 29. при т 5 - До 5 мрад 17 Д/Ь2,8 мрад 9,5, при гл 15- До 1 мрад 3,4, А/ 0.5 мрад 1.8.20

25

30

Таким образом, при увеличении числа проходов допустимая угловая разьюстиров- ка уменьшается. Учет расходимости излучения дополнительно снижает допустимую угловую разъюстировку.

В предлагаемой многопроходной оптической линии задержки угловая разьюсти- ровка уголковых отражателей вообще не вызывает линейного смещения выходного луча независимо от числа проходов q.

Экспериментально получаем на макете многопроходной оптической линии задержки максимально допустимая угловая разъ- 5 юстировка триппель-призмы состовляет 310 мрэд 18°. При больших углах нарушается полное внутреннее отражение в трип- пель-призме, изготовленной из оптического стекла К-8 с показателем преломления п 0 1,52. При увеличении показателя преломления п максимально допустимая угловая разъюстировка возрастает по законуде (n2 - 1)1/2) - 31/2), и при п (3 + 31/2)1/2S-2,125 достигается Да 90°. Таким 4$ образом, многопроходная оптическая линия задержки является на несколько порядков менее чувствительной к разъюстировке, чем техническое решение, выбранное в ка50

честве прототипа.

. 5

Ю

0

5

0

5 0 $

0

Формула изобретения 1. Многопроходная оптическая линия задержки, содержащая источник излучения, первый и второй отражающие элементы, обращенные друг к другу зеркальными поверхностями, и установленную на оптической оси линии задержки между первым и вторым отражающими элементами положительную сферическую линзу на расстоянии и La от них соответственно, отличающаяся тем, что, с целью снижения чувствительности к разъюстировке, первый и второй отражающие элементы выполнены в виде уголковых отражателей с увеличенными вершинами прямого трехгранного угла, источник излучения расположен перед первым уголковым отражателем на оптической оси линии задержки, причем фокусное расстояние положительной сферической линзы определяется формулой

f 2 LiL2(Li + L2 ± (Li2 + 2LiL2cos(2pjr /qf + L22)1/2),

где q, p - не имеющие общих множителей натуральные чмсла;

q - натуральное число, большее единицы - число проходов линии задержки, определяющее время задержки т- (Li -i- L2)q/c;

p - натуральное число, не превышающее целую часть числа (q - 1)/2 при q 1 и р 1 при q 2, с - скорость света.

2. Оптическая линия задержки по п. 1, отличающаяся тем, что, с целью снижения потерь излучения, снижения чувствительности к разьюстировке с одновременным упрощением конструкции, уголковые отражатели выполнены в виде триппель-призмы на эффекте полного внутреннего отражения, положительная сферическая линза механически закреплена на одной из триппель-призм, источник излучения закреплен на усеченной вершине первой триппель-призмы, причем поверхности положительной сферической линзы, фронтальные грани и усеченные вершины триппель-призм просветлены, а фокусное расстояние положительной сферической линзы определяется формулой

f L/sin2(), где L LI + I.2.

f

Использование изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к системам с отражающими поверхностями, и может быть использовано при создании открытых оптических линий задержки. Сущность изобретения заключается в том, что многопроходная оптическая линия задержки содержит последовательно расположенные на оптической оси источник излучения, первый отражающий элемент, положительную сферическую линзу и второй отражающий элемент, при этом отражательные элементы выполнены в виде уголковых отражателей с усеченными вершинами прямого трехгранного угла, причем фокусное расстояние лиьзы определяется формулой, приведенной в формуле изобретения. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Редактор Т.Иванова

Составитель А.Бражников

Техред М.МоргенталКорректор И.Муска

Фиг.

ФигЗ