Угловой селектор
Авторы патента:
Использование: в лазерной технике. Сущность изобретения: угловой селектор включает фокусирующую и коллимирующую системы, которые состоят из вогнутых торических зеркал, селективную диафрагму, а между фокусирующей системой и селективной диафрагмой расположены отражающие системы из зеркал. Угловой селектор уменьшает чувствительность к разъюстировке и увеличивает мощность лазерного излучения. 3 ил.
Изобретение относится к лазерной технике, в частности к угловым селекторам лазерного излучения.
Известен резонатор с угловым селектором, который является пространственным фильтром, содержащим фокусирующую и коллимирующую системы в виде двух софокусно расположенных линз, в фокусе которых расположена селектирующая диафрагма с малым отверстием [1]. Недостатком этого углового селектора является малая рабочая мощность лазерного излучения, которая ограничена порогом электрического (лазерного) пробоя среды вблизи фокуса и порогом разрушения селектирующей диафрагмы, а также большие габариты пространственного фильтра вдоль оптической оси резонатора и использование проходных оптических элементов типа линз, которые обладают малым ресурсом работы. Известен лазер с плоским резонатором и угловым селектором [2]. Угловой селектор содержит софокусно расположенные фокусирующую и коллимирующую системы, в виде линз, а также селектирующую диафрагму, расположенную между ними вблизи фокуса. Отверстие селектирующей диафрагмы производит селекцию поперечных мод лазерного излучения. Недостатком углового селектора является большой габарит в направлении селектируемого лазерного пучка, а также малая рабочая мощность лазерного излучения, ограниченная порогом электрического пробоя в фокусе, в котором малое фокусное расстояние линз не позволяет получить большую площадь фокального пятна. Фокусное расстояние линз ограничено длиной резонатора в направлении длины активной среды. Сущность изобретения заключается в том, что угловой селектор, содержащий софокусно расположенные фокусирующую и коллимирующую системы и селектирующую диафрагму, расположенную между ними, выполнен так, что фокусирующая и коллимирующая системы состоят из вогнутых торических зеркал, при этом торическое зеркало фокусирующей системы и торическое зеркало коллимирующей системы наклонены в одной плоскости к прямой, проходящей через их центры, ориентированы отражающими поверхностями в противоположные стороны, между фокусирующей системой и селектирующей диафрагмой, а также между селектирующей диафрагмой и коллимирующей системой по оптической оси расположены отражающие системы, содержащие по крайней мере по одному зеркалу, расположенному напротив торического зеркала фокусирующей системы и торического зеркала коллимирующей системы. Вогнутые торические зеркала фокусирующей и коллимирующей систем выполнены в виде двух последовательно расположенных сферических зеркал, наклоненных во взаимно перпендикулярных плоскостях, одно из которых или оба вогнутые, при этом первое зеркало фокусирующей системы и второе зеркало коллимирующей системы наклонены в одной плоскости к прямой, проходящей через их центры, второе зеркало фокусирующей системы и первое зеркало коллимирующей системы ориентированы отражающей поверхностью в противоположные стороны и к первому и второму зеркалам своих систем, при этом они наклонены под углом 45о к прямым, проходящим через центры первого и второго зеркал своих систем. Отражающая система выполнена в виде или выпуклого зеркала, или в виде двух двугранных уголковых отражателей с перпендикулярно ориентированными ребрами, один из которых находится напротив одной из граней второго уголкового отражателя и расположен ближе к фокусирующей и коллимирующей системам и селектирующей диафрагме, чем второй уголковый отражатель, при этом другая грань второго уголкового отражателя находится напротив селектирующей диафрагмы и фокусирующей или коллимирующей систем. Селектирующая диафрагма состоит из одной или двух частей, выполненных в виде щелей, расположенных в меридиональном и сагиттальном фокусах фокусирующей системы, длина которых расположена в сагиттальной меридиональной плоскостях соответственно, при этом каждая щель выполнена из двух дисков, оси которых перпендикулярны оптической оси, соединенных с приводами вращения вокруг их осей. Боковая поверхность дисков выполнена в виде поверхности вращения эллиптической образующей вокруг их осей, причем центр эллипса эллиптической образующей, в плоскости проходящей через оси дисков, находится между дисками на оптической оси. Фокусирующая и коллимирующая системы расположены софокусно, т.е. если фокусирующая и коллимирующая системы безаберрационны, то их точечные фокусы совпадают и если фокусирующая и коллимирующая системы астигматичны, то их фокусы в меридиональной и сагиттальной плоскостях совпадают. Селектирующая диафрагма расположена между фокусирующей и коллимирующей системами, при этом если она расположена не точно в фокусе, а вблизи фокуса, то угловой селектор может использоваться внутри резонатора для селекции поперечных мод, а если она расположена точно в фокусе, то угловой селектор может использоваться для пространственной фильтрации излучения как внутри, так и вне резонатора. Фокусирующая и коллимирующая системы состоят из вогнутого торического зеркала. Торические зеркала имеют различную кривизну поверхности во взаимно перпендикулярных направлениях, т.е. обладают заданной астигматичностью. Торические зеркала фокусирующей и коллимирующей систем наклонены в одной плоскости, например, под равными углами к прямой, проходящей через их центры. Наклон торических зеркал позволяет отразить лазерный пучок в другом направлении и расположить их рядом друг с другом, т.е. позволяет уменьшить габариты устройства в направлении лазерного пучка, а также сохранить первоначальное направление лазерного пучка. Наклон торических зеркал в одной плоскости позволяет уменьшить габариты устройства еще в одном направлении, перпендикулярном плоскости падения лазерного пучка. Наклон торических зеркал под равными углами позволяет использовать торические зеркала с равными фокальными расстояниями, т. е. обеспечить увеличение телескопа, близкое к единице, и сохранить размеры лазерного пучка. Торические зеркала ориентированы отражающими поверхностями в противоположные стороны. Это позволяет избежать расположения отражающей системы вблизи фокуса лазерного пучка, позволяет при фиксированном расстоянии до отражающей системы увеличить фокусное расстояние фокусирующей и коллимирующей систем и выполнить устройство полностью симметричным относительно селектирующей диафрагмы. Отражающие системы, расположенные между фокусирующей системой и селектирующей диафрагмой, а также между селектирующей диафрагмой и коллимирующей системой, позволяют сохранить после углового селектора первоначальное направление лазерного пучка, сократить габариты углового селектора в направлении отражаемого торическими зеркалами пучка и избежать расположения отражающей системы вблизи фокуса по сравнению со случаем, когда торические зеркала ориентированы в одну сторону и вблизи их фокуса расположена одна отражающая система. Вогнутые торические зеркала фокусирующей и коллимирующей систем выполнены в виде двух последовательно расположенных сферических зеркал, наклоненных во взаимно перпендикулярных плоскостях, одно из которых или оба вогнутые. Наклон вогнутого зеркала позволяет получить сходящийся астигматичный пучок. Наклон зеркал в перпендикулярных плоскостях позволяет последовательность зеркал в фокусирующей и коллимирующей системах составить так, чтобы соответствующие вогнутые зеркала обеих систем были наклонены друг к другу во взаимно перпендикулярных плоскостях. При этом астигматизм фокусирующей системы компенсируется коллимирующей системой. Когда в фокусирующей и коллимирующей системе одно зеркало вогнутое, а другое плоское, то последовательность расположения зеркал может быть такая. Если первое зеркало фокусирующей системы вогнутое, а второе плоское, то и в коллимирующей системе первое зеркало должно быть также вогнутое, а второе плоское. При этом вогнутые зеркала оказываются наклоненными во взаимно перпендикулярных плоскостях, что позволяет компенсировать астигматизм, например, при одинаковых радиусах кривизны установкой нужного расстояния между фокусирующей и отражающей системами или между коллимирующей и отражающей системами. Когда оба зеркала фокусирующей и коллимирующей систем вогнутые, путем выбора наклонов и радиусов зеркал можно подобрать требуемую величину астигматизма, т.е. заданное расстояние между меридиональной и сагиттальной фокалью. В астигматических фокусных линиях из-за их вытянутости плотность мощности лазерного излучения меньше, чем в точечном фокусе безаберрационных зеркал и линз. Это позволяет увеличить мощность селектируемого лазерного излучения. Первое зеркало фокусирующей системы и второе зеркало коллимирующей системы наклонены в одной плоскости, например, под углом 45о к прямой, проходящей через их центры. Одинаковый угол наклона зеркал, равный 45о, обеспечивает отражение лазерного пучка в перпендикулярном направлении, что позволяет получить минимальные габариты углового селектора вдоль падающего на него лазерного пучка. Наклон зеркал в одной плоскости позволяет получить минимальные габариты углового селектора в проекции на эту плоскость в том случае, когда угол наклона второго зеркала фокусирующей системы к прямой, проходящей через центр первого и второго зеркал фокусирующей системы, равен 45о и угол наклона первого зеркала коллимирующей системы к прямой, проходящей через центр первого и второго зеркал коллимирующей системы, равен 45о. Второе зеркало фокусирующей системы и первое зеркало коллимирующей системы ориентированы отражающей поверхностью в противоположные стороны. Это обеспечивает симметричность расположения отражающих систем относительно селектирующей диафрагмы и позволяет избежать расположения отражающей системы вблизи фокусов фокусирующей и коллимирующей систем. Сумма углов наклона второго зеркала фокусирующей системы к прямой, проходящей через центры второго и первого зеркал фокусирующей системы и первого зеркала коллимирующей системы к прямой, проходящей через центры первого и второго зеркал коллимирующей системы, равна 90о. При этом отраженные от них пучки, падающие от другого зеркала соответствующих систем, параллельны друг другу и могут быть расположены в одной плоскости. Когда оба этих угла равны 45о, угловой селектор имеет минимальные габариты в направлении прямой, соединяющей центры первого и второго зеркал фокусирующей или коллимирующей системы. Отражающая система может быть выполнена в виде выпуклого зеркала. Это позволяет увеличить эквивалентное фокусное расстояние фокусирующей и коллимирующей систем, т.е., увеличить ширину фокальных линий лазерного пучка и мощность лазерного излучения до мощности, при которой происходит электрический пробой в фокусе. Отражающая система может быть выполнена в виде двух двугранных уголковых отражателей с перпендикулярно ориентированными ребрами. Это также позволяет увеличить фокусное расстояние фокусирующей и коллимирующей систем за счет увеличения оптического пути при отражениях между уголковыми отражателями. При этом такая система уголковых отражателей обладает низкой чувствительностью к их взаимным разъюстировкам благодаря свойствам двугранных уголковых отражателей в плоскости, перпендикулярной к их ребру, отражать падающий пучок в том же направлении, в котором он пришел. Один из уголковых отражателей находится напротив одной из граней второго уголкового отражателя и расположен ближе к фокусирующей и коллимирующей системам и селектирующей диафрагме, чем второй уголковый отражатель, при этом другая грань второго уголкового отражателя находится напротив селектирующей диафрагмы и фокусирующей или коллимирующей систем. Это обеспечивает четырехкратное прохождение пучка между уголковыми отражателями, т.е. двукратное увеличение фокусного расстояния фокусирующей и коллимирующей систем, чем в случае, когда отражающая система выполнена из одного плоского зеркала. При этом отражающая система и все устройство не чувствительно к разъюстировкам дальнего уголкового отражателя. Селектирующая диафрагма состоит из одной или двух частей, выполненных в виде щелей, расположенных в меридиональном и сагиттальном фокусах фокусирующей системы, длина которых расположена в сагиттальной и меридиональной плоскостях соответственно. Это позволяет производить угловую селекцию лазерного излучения в двух взаимно перпендикулярных направлениях, т.е. позволяет производить селекцию поперечных мод внутри резонатора или вне резонатора формировать в дальней зоне распределение излучения, близкое к равномерному прямоугольному, что важно для качества обработки материалов. Каждая щель выполнена из двух дисков, оси которых перпендикулярны оптической оси, соединенных с приводами вращения вокруг их осей. Вращение дисков вокруг их соей позволяет снизить удельную лучевую нагрузку на края щели, т.е. повысить порог разрушения щели и увеличить за счет этого мощность селектируемого лазерного излучения. Расположение осей дисков перпендикулярно оптической оси позволяет двумя дисками образовать нужную форму щели. Боковая поверхность дисков выполнена в виде поверхности вращения эллиптической образующей вокруг их осей, причем центр эллипсов эллиптической образующей в плоскости, проходящей через оси дисков, находится между дисками на оптической оси. Это позволяет придать щели эллиптическую форму, совпадающую с формой изолиний уровней расходимости в фокальной линии лазерного пучка и расположить ее симметрично относительно фокальной линии. Размер щели определяется из заданного угла селекции и геометрической длины фокальной линии. На фиг. 1 изображен угловой селектор, где в качестве отражающей системы используют выпуклое зеркало; на фиг.2 - угловой селектор, где в качестве отражающей системы используют два уголковых отражателя с перпендикулярно ориентированными ребрами; на фиг.3 - щель селектирующей диафрагмы. Угловой селектор содержит фокусирующую систему, состоящую из вогнутого торического зеркала 1 и коллимирующую систему, состоящую из вогнутого торического зеркала 2. Между фокусирующей и коллимирующей системами расположена селектирующая диафрагма, состоящая из двух частей 3 и 4, выполненных в виде щелей и расположенных в меридиональном и сагиттальном фокусах фокусирующей системы 1 параллельно направлению наибольшего размера сечения лазерного пучка в данных фокусах. Торическое зеркало фокусирующей системы 1 и торическое зеркало коллимирующей системы 2 наклонены в одной плоскости под углом 45о к прямой ОО', проходящей через из центры, и ориентированы отражающими поверхностями в противоположные стороны. Между фокусирующей системой 1 и селектирующей диафрагмой расположена отражающая система, содержащая выпуклое зеркало 5, расположенное напротив торического зеркала 1 фокусирующей системы. Между селектирующей диафрагмой и коллимирующей системой 2 расположена отражающая система, содержащая выпуклое зеркало 6, расположенное напротив торического зеркала 2. Торические зеркала выполнены так, что фокусы систем торического 1 и выпуклого 5 зеркал, а также выпуклого 6 и торического 2 зеркал, совпадают в меридиональной и сагиттальной плоскостях. Угловой селектор (см.фиг.2) содержит вогнутое торическое зеркало фокусирующей системы в виде двух последовательно расположенных вогнутых сферических зеркал 7, 8, наклоненных во взаимно перпендикулярных плоскостях, а также вогнутое торическое зеркало коллимирующей системы в виде двух последовательно расположенных вогнутых зеркал 9, 10, наклоненных во взаимно перпендикулярных плоскостях. При условии равенства фокальных расстояний фокусирующей системы в меридиональной плоскости и коллимирующей системы в сагиттальной плоскости, а также коллимирующей системы в меридиональной плоскости и фокусирующей системы в сагиттальной плоскости, при равенстве углов наклона зеркал к оптической оси, радиусы зеркал коллимирующей системы определяются из соотношений:














fs - сагиттальное фокусное расстояние фокусирующей и отражающей системы;
fm - меридиональное фокусное расстояние фокусирующей и отражающей системы;
f - фокусное расстояние фокусирующей и отражающей системы для данной фокали (меридиональной или сагиттальной);
D - размер лазерного пучка на входе в фокусирующую систему в направлении длины данной фокали.

Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3
Похожие патенты:
Изобретение относится к оптотехнике и может быть использовано для модуляции световых потоков, в частности для модуляции добротности резонатора лазера
Изобретение относится к квантовой радиофизике, включая нелинейную оптику, и касается вопросов получения генерации лазерного излучения с высокой направленностью излучения
Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к лазерам с движущейся активной средой и непрерывным или квазинепрерывным возбуждением, и может быть использовано для получения мощного импульсно-периодического излучения для технологических применений, систем оптической локации и физических исследований, а также для расширения возможностей и повышения эффективности технологических лазерных установок
Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к лазерам с движущейся активной средой и непрерывным или квазинепрерывным возбуждением, и может быть использовано для получения мощного импульсно-периодического излучения для технологических применений, систем оптической локации и физических исследований, а также для расширениия возможностей и повышения эффективности технологических лазерных установок
Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в различных областях науки и техники, требующих перестраиваемого по частоте спектрально чистого лазерного излучения, в том числе в спектральных приборах
Изобретение относится к технической физике и может быть использовано в спектральной аппаратуре
Изобретение относится к нелинейной оптике и может быть использовано для обнаружения источников когерентного излучения при лидарных измерениях и в оптической локации
Сканирующий лазер // 2004010
Изобретение относится к импульсным твердотельным лазерам, работающим в режиме с электрооптической модуляцией добротности, и может быть использовано для получения мощных импульсов лазерного излучения в наносекундном диапазоне длительностей импульса с частотами повторения импульсов до 100 Гц в видимом и ближнем инфракрасном, в том числе безопасном для человеческого зрения, спектральных диапазонах для целей нелинейной оптики, лазерной дальнометрии, оптической локации и экологического мониторинга окружающей среды
Твердотельный двухчастотный импульсный лазер // 2101818
Изобретение относится к лазерной технике, а более конкретно к неодимовым лазерам, генерирующим в области 1,060,1 и 1,320,1 мкм
Сканирующий лазер // 2107367
Изобретение относится к лазерной технике и может использоваться в системах лазерной локации, связи, обработки, передачи и хранения информации, а также при создании лазерных технологических установок для высокоточной обработки материалов
Изобретение относится к лазерной технике и может использоваться в системах лазерной локации, связи, обработки, передачи и хранения информации, а также при создании лазерных технологических установок для высокоточной обработки материалов и медицинской техники
Лазер с преобразованием частоты // 2107369
Изобретение относится к лазерной технике
Способ управления параметрами излучения лазера и система управления для его осуществления // 2115203
Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в технологических, медицинских, метрологических, других лазерных установках и установках для научных исследований
Лазерно-интерферометрический детектор гравитационно- индуцированного сдвига частоты генерации // 2116659
Изобретение относится к лазерно-интерферометрическим детекторам гравитационно-индуцированного сдвига частоты генерации и может быть использовано для измерения первой производной потенциала гравитационного поля Земли, например напряженности гравитационного поля, или, что то же, ускорения свободного падения