Фокусирующее устройство для мощного лазерного излучения
Использование: изобретение относится к силовой лазерной оптике и может быть применено в устройствах фокусировки лазерного излучения. Сущность: для уменьшения аберраций в зеркальном фокусирующем объективе отражающее зеркало изготавливается из прозрачного на длине волны лазерного излучения материала с высоким показателем преломления, причем отражающее покрытие наносится на заднюю, охлаждаемую поверхность зеркала, а передняя поверхность зеркала просветляется. При косом падении на зеркало так, что угол между падающим и отраженным лучом равен . Зеркало выполняется в виде клина между передней плоской и задней сферической поверхностью с углом
=
/2n. При нормальном падении излучения на зеркало клин принимается за 0, а радиусы кривизны передней и задней поверхностей зеркал относятся как R1/R2 = n. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области силовой лазерной оптики и может быть применимо в устройствах фокусировки мощного лазерного излучения. Для процессов лазерной обработки материалов, как правило сфокусированное лазерное излучение. При мощности лазерного излучения, меньшей чем 3 кВт, обычно используют линзы. Однако с повышением мощности лазерного излучения увеличивается поглощенная линзой мощность, что в совокупности с плохим теплоотводом, только по периферии линзы, приводит к росту термонапряжений и разрушению линзы, поэтому для фокусировки мощного лазерного излучения используют зеркальные фокусирующие устройства.
Зеркальное фокусирующее устройство [1] включает охлаждаемые зеркала, имеющие переднюю и заднюю поверхность, причем передняя поверхность может быть сферической, а задняя поверхность имеет тепловой контакт с охладителем. На переднюю поверхность зеркала нанесено отражающее покрытие. Такие зеркала обладают малыми термодеформациями и термонапряжениями, поскольку отвод поглощенного на передней отражающей поверхности тепла происходит на задней поверхности зеркала, т.е. в непосредственной близости от места поглощения тепла, а не на боковой поверхности зеркала, что позволяет использовать их вплоть до очень больших мощностей лазерного излучения. Недостатком устройства-аналога является то, что оно имеет значительные аберрации, особенно для пучков излучения, падающих под углом к отражающей поверхности зеркала. Фокусирующее устройство, которое наиболее близко к изобретению и является его прототипом, включает охлаждаемое зеркало, имеющую переднюю охлаждающую поверхность внеосевого параболоида [2]. В таком фокусирующем устройстве существенно уменьшены аберрации, но оно является весьма трудоемким в изготовлении и дорогостоящим вследствие необходимости точно изготавливать асферическую переднюю отражающую поверхность. Задачей изобретения является упрощение конструкции, упрощение изготовления и снижение стоимости зеркального фокусирующего устройства для мощного лазерного излучения при сохранении низких аберраций сфокусированного излучения. Фокусирующее устройство для мощного лазерного излучения (фиг. 1, 2) включает, согласно изобретению, поворотное зеркало, а также фокусирующее охлаждаемое зеркало, которое состоит из подложки 3, состоящей из материала, прозрачного на необходимой длине волны, имеющей переднюю 1 и заднюю 2 поверхность, по крайней мере одна из которых является выпуклой или вогнутой, причем на переднюю поверхность нанесено просветляющее покрытие 6 на необходимой длине волны, а на заднюю поверхность 5, находящуюся в тепловом контакте с охладителем 4, нанесено отражающее покрытие 7. Устройство работает следующим образом. Лазерное излучение 8, отразившись от поворотного зеркала, два раза проходя последовательно линзу, образованную подложкой 3, ограниченной передней 1 и задней 2 поверхностями, и отражаясь от задней вогнутой зеркальной поверхности, испытывает фокусирующее действие, существенно более сильное, чем при отражении от единичной зеркальной поверхности с тем же радиусом кривизны. Следовательно, предлагаемое зеркало имеет при той же оптической силе в несколько раз большие радиусы кривизны оптических поверхностей, а значит, существенно меньшие аберрации третьего и высших порядков. Отвод, поглощенной доли мощности в материале подложки 3 и на покрытиях 6 и 7 происходит в охладитель за счет теплового контакта, осуществляемого через теплопроводящую прослойку или теплопроводящую пасту. Возможен также вариант непосредственного охлаждения отражающей поверхности жидким теплоносителем, например водой. В качестве примера рассмотрим самый простой случай, когда передняя поверхность зеркала плоская, а задняя выпуклая с радиусом R. Оптическая сила такого зеркала D = 1/F=2/R+2(n-1)/R=2n/R, где n - показатель преломления подложки; F - фокусное расстояние зеркала. Из формулы видно, что оптическая сила в n раз больше, чем оптическая сила вогнутого зеркала с тем же радиусом кривизны. И, наоборот, для заданного фокусного расстояния необходимый радиус кривизны будет в n раз больше. В диапазоне длин волн наиболее используемого на практике CO2-лазера 9-11 мкм удобным материалом являются селенид цинка, арсенид галлия и германий с показателями преломления n соответственно равными 2,4; 3,5 и 4,0. При падении на такое зеркало пучка излучения под углом





Формула изобретения
1. Фокусирующее устройство для мощного лазерного излучения, включающее поворотное зеркало, а также фокусирующее охлаждаемое зеркало, состоящее из подложки, имеющей переднюю и заднюю поверхности, по крайней мере одна из которых является выпуклой или вогнутой, и охладитель, имеющий тепловой контакт с задней поверхностью зеркала, отличающееся тем, что на переднюю поверхность фокусирующего охлаждаемого зеркала нанесено просветляющее покрытие на длине волны лазерного излучения, материал подложки является прозрачным для лазерного излучения на упомянутой длине волны и имеет высокий коэффициент преломления, а отражающее покрытие нанесено на заднюю отражающую поверхность зеркала, имеющую тепловой контакт с охладителем. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что передняя и задняя поверхности фокусирующего охлаждаемого зеркала развернуты относительно друг друга на угол, равный

РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2