Фокусирующая линза

 

Изобретение относится к оптике и может быть использовано в мощных лазерных установках для светосильной концентрации излучения на различные объекты, а также для создания оптических ретрансляторов, пространственных фильтров и т. д Цель , ч изобретения - упрощение конструкции при сокращении эффективности концентрации мощного лазерного излучения. Фокусирующая линза выполнена в виде светопреломляющего тела 1, ограниченного двумя осесимметричными поверхностями, одна из которых - 2 имеет ступенчатый неасферический рельеф, а другая - 3 выполнена неасферической . Приведен закон, а соответствии с которым выполнен ступенчатый рельеф, обеспечивающий высокую эффективность концентрации мощного лазерного излучения при относительно простой конструкции линзы . Возможно выполнение линзы с поверхностями ступенчато-сферической и сферической, ступенчато-сферической и плоской , а также ступенчато-плоской и сферической . 3 з.п. ф-лы, 5 ил. СО

союз соВетских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)ю 602 В 3/08

ГОСУДАРСТВЕ ННЫ И КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ г л

° >

9 (21) 4625324/10 (22) 26.12.88 (46) 23.04.91. Бюл. hL 15 (71) Физический институт им. П. Н. Лебедева . (72) М. B. Пятахин и А. Ф. Сучков (53) 535.8(088.8) (56) Патент США N 3523721, кл. 350/211, опублик, 1970.

Слюсарев Г.Г. Расчет оптических систем. — Л.: Машиностроение, 1975, с. 563. (54) ФОКУСИРУЮЩАЯ ЛИНЗА (57) Изобретение относится к оптике и может быть использовано в мощных лазерных установках для светосильной концентрации излучения на различные объекты, а также для создания оптических ретрансляторов, пространственных фильтров и т. д. Цель

„, Я2„„1644063 Al

: 1--;" -- - "-: -у

2 изобретения — упрощение конструкции при сокращении эффективности концентрации мощного лазерного излучения. Фокусирующая линза выполнена в виде светопреломляющего тела 1, ограниченного двумя осесимметричными поверхностями, одна из которых — 2 имеет ступенчатый неасферический рельеф, а другая — 3 выполнена неасферической. Приведен закон, в соответствии с которым выполнен ступенчатый рельеф, обеспечивающий высокую эффективность концентрации мощного лазерного излучения при относительно простой конструкции линзы. Возможно выполнение линзы с поверхностями ступенчато -сферической и сферической, ступенчато-сферической и плоской, а также ступенчато-плоской и сферической. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1644063

Изобретение относится к оптике и может быть использовано в мощных лазерных установках для светосил ьной концентрации излучения на различные объекты, а также для создания оптических ретрансляторов, пространственных фильтров и т. д.

Цель изобретения — упрощение конструкции при сохранении эффективности концентрации мощного лазерного излучения, На фиг. 1 показана линза с высотой ступеней и ход оптических лучей в ней; на фиг.

2 — зависимость функции сферических аберраций для линзы с нулевой высотой ступеней Ф (p) в нижней полуплоскости, а также

Ф(p) — л Illt (Ф (р)ЛЛ) в верхней полуплоскости от радиуса в выходной плоскости линзы; на фиг. 3 — зависимость высоты рельефа на поверхности линзы (в верхней полуплоскости) при коэффициенте преломления материала линзы и= 1,5 и p =p,, а также функция сферических аберраций (в нижней полуплоскости) такой линзы; на фиг. 4 — распределение амплитуды поля в фокальной плоскости (в отн. ед,) для идеальной (I). предлагаемой (II) линз и линзы с нескомпенсированной сферической аберрацией (1!!); на фиг. 5 — для линз I — III амплитуда поля (в отн. ед.) на оптической оси в фокальной области.

Фокусирующая линза выполнена в виде светопреломляющего тела 1, ограниченного двумя осесимметричными поверхностями, одна из которых (поверхность 2) имеет ступенчатый неасферический рельеф, а вторая (поверхность 3) выполнена неасферической, При этом ступенчатый рельеф выполнен в соответствии с законом

1 .„,,ФфрД) Цп /Ф (рД}/Я, где h — высота ступеней, отсчитываемая в сторону, противоположную поверхности 3 линзы без рельефа;

n — показатель преломления материала линзы, Л- длина волны фокусируемого излучения;

m> 1 — положительное целое число;

int — целая часть;

Ф )) — функция сферических аберраций для линзы с нулевой высотой ступе-ней в плоскости 4, перпендикулярной оптической оси 5 и касательной выходной поверхности линзы;

p Q) — расстояние до оптической оси в этой плоскости; р — расстояние, соответствующее р +), до оптической оси на поверхности со ступенчатым рельефом.

Функция р =р (р,) определяет геометрооптическую связь р с рп, Возможно выполнение линзы с поверхностями ступенчато-сферической и сфери5 ческой, ступенчато-сферической и плоской, а также ступенчато-плоской и сферической, Фокусирующая линза работает следующим образом, Падающее излучение 6 преломляется

10 входной поверхностью 3 линзы, распространяется в светопреломляющем теле 1 и преломляется на выходной поверхности 2 линзы. При этом наличие ступенчатого рельефа на поверхности линзы приводит к фазо15 вой модуляции сходящегося волнового фронта прошедшего излучения. Это позволяет компенсировать сферическую аберрацию и получить распределение амплитуды и фазы поля в фокусе, близкое к соответству20 ющему для идеальной линзы, При отсутствии у линзы ступенчатого рельефа (нулевой высоте ступеней) функция сферической аберрации в плоскости 4, перпендикулярной оптической оси и касательной выходной

25 поверхности линзы, в общем случае имеет вид Ф (p) = a p" + а2 p + аз р а4 p + ...

Пример Ф(р) показан на фиг. 2 (нижняя полуплоскость). В зависимости от коэффи30

3 циентов à), а . аз,... l> (р) может быть положительной, отрицательной и знакопеременной, Функция Ф p) — Л in (Ф ф)/Л) (фиг. 2, верхняя полуплоскость) всегда положительная и позволяет из условия (1) найти высоту ступе35 ней поверхности 2 со ступенчатым рельефом.

Для взятой Ф (p(p)) приводится высота ступеней рельефа в случае р =р„и m = 4 (фиг. 3, верхняя полуплоскость).

Фазовая модуляция вследствие ступенчатого рельефа приводит к тому, что функция сферической аберрации на выходе линзы имеет кусочно-скомпенсированный вид(фиг. 3, нижняя полуплоскость).

Пример. Берут линзу диаметром d=16 см с фокусным расстоянием f=40 см со ступенчатым рельефом на одной из поверхно1о4 стей и функцией аберраций Ф(р) =- — ——

8р

50 1 б 5 — — с — — — —о, n-- 1,5. Радиусы границ сту16 5 128 пеней определяют. считая выходную поверхность линзы ступенчато-плоской, В этом

rr случае геометрооптическая связь р ир, имеет наиболее простой вид р, =р, Находят р, обратив ряд Ф = Фф) и испольл зуя — р — = l (p) . где р= 1,2, 3..., Получают

m радиус границ ступени

1644063

Для подтверждения достигаемого эффекта проводят расчеты структуры поля в фокусе в дифракционном приближении

Гюйгенса-Френеля. Длина волны излучения выбирается равной 1 мкм Параметр m варьируется. С увеличением m (фиг, 3, нижняя полуплоскость) компенсация сферической аберрации увеличивается, но одновременно возрастает число ступеней рельефа, т. е. трудоемкость изготовления. Расчеты показывают, что при m=4 (фиг. 4 и 5) достигается высокая эффективность фокусировки излучения с помощью предлагаемой линзы (кривая!1), приближающаяся к распределению для идеальной линзы без аберраций (кривая

1), в то время как для случая линзы с аберрациями эффективность фокусировки неудовлетворительна (кривая ill). Таким образом, уже при m=4 предлагаемая линза оказывается скорректированной по Марешалю, поскольку максимальная интенсивность в фокусе больше или равна 0,8 максимальной интенсивности в фокусе идеальной линзы.

Для предлагаемой линзы радиус пятна фокусировки (радиус первого минимума амплитудного распределения поля в фокальной плоскости) совпадает со случаем идеальной линзы. Для нескорректированной линзы интенсивность в фокусе меньше в 324 раз по сравнению с идеальной; пятно фокусировки расплывается. Параметры рельефа предлагаемой линзы в рассмотренном примере: общее число ступенек 327, радиус ступеньки на оси линзы 1,9 см, ширина ступенек на кромке линзы 60 мкм, высота ступенек О, 0,5; 1 и 1,5 мкм при n=1,5. Ступенчатый рельеф на поверхности 2 может быть изготовлен различными методами. но наиболее приемлемым является фотолитографический способ с использовнием ионного травления, который позволяет изготавливать ступени шириной ) 1 мкм, что является заведомо достаточным для предлагаемой линзы, Формула изобретения

1. Фокусирующая линза. ограниченная двумя осесимметричными поверхностями, одна из которых имеет ступенчатый рельеф, 5 а вторая выполнена неасферической, о тл ич а ю щ а я с я тем, что. с целью упрощения конструкции при сохранении, эффективности концентрации мощного лазерного излучения. ступенчатый рельеф выполнен

10 неасферическим в соответствии с закойом

-Л in

15 где h — высота ступеней, отсчитываемая в сторону. противоположную поверхности линзы без рельефа;

n — показатель преломления материала линзы;

20 1 — длина волны фокусируемого излучения:

m> 1 — положительное целое число:

in(— целая часть;

Ф (р(з,)) — функция сферических абер25 раций для линзы с нулевой высотой ступеней в плоскости. перпендикулярной оптической оси и касательной выходной поверхности линзы; р (0,) — расстояние до оптической оси в

30 этой плоскости; р — расстояние, соответствующее

p (p.) до оптической оси на поверхности со ступенчатым рельефом.

2. Линза по и. 1, отличающаяся тем, что одна из поверхностей линзы выполнена ступенчато-сферической, а другая— сферической.

3. Линза по п. 1, отличающаяся

40 тем, что одна из поверхностей линзы выполнена ступенчато-сферической, а другая— плоской.

4, Линза по и. 1, отличающаяся тем, что одна из поверхностей линзы выпол45 нена ступенчато-плоской, а другая — сферической.

1644063

1644063

Фие.4

Я ЛО

- 700 -gg — ЕО -40 20 О 20 ФО инк

Фиа 5

Редактор Н.Бобкова

Заказ 1238 Тираж 331 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 30

Ъ)

< zo

Составитель В.Кравченко

Техред М.Моргентал Корректор Л.Бескид