Оптическая система для коррекции формы прямоугольного лазерного пучка

 

Оптическая система содержит последовательно расположенные по ходу лучей две положительные сферические линзы. Линзы установлены с наклоном в противоположные стороны относительно оси пучка лазера в плоскости наибольшей угловой расходимости пучка. Расстояние s от выходного окна лазера до первой линзы, фокусное расстояние f линз и угол наклона осей линз относительно оси пучка лазера определяются из приведенных соотношений. Обеспечивается уменьшение аберрационных искажений лазерного пучка. 4 ил.

Изобретение относится к оптическим системам для коррекции формы прямоугольного лазерного пучка и может быть использовано для коррекции формы пучка щелевого CO₂ или CO лазера.

Известны оптические системы для коррекции формы лазерного пучка, содержащие призмы и цилиндрические линзы [1, 2]. Недостатком этих систем является высокая стоимость изготовления призм и цилиндрических линз.

Известна оптическая система для коррекции формы прямоугольного лазерного пучка, содержащая сферические зеркала [3]. Недостатком этой системы является сложность конструкции из-за поворотов оси лазерного пучка в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является оптическая система, содержащая децентрированную сферическую линзу [4]. Недостатком этой системы является низкое качество скорректированного лазерного пучка из-за аберрационных искажений.

Целью настоящего изобретения является уменьшение аберрационных искажений скорректированного лазерного пучка.

Поставленная цель достигается тем, что в оптической системе для коррекции формы прямоугольного лазерного пучка, содержащей последовательно расположенные по ходу лучей две положительные сферические линзы, линзы устанавливаются с наклоном в противоположные стороны относительно оси лазерного пучка в плоскости наибольшей угловой расходимости лазерного пучка, при этом расстояние s от выходного окна до первой линзы, фокусное расстояние линз f и угол наклона осей линз относительно оси пучка лазера определяются из следующих соотношений: где z_x, z_y - конфокальные параметры пучка лазера в плоскостях наименьшей и наибольшей угловой расходимости соответственно; k₁ = (z_x s_y - z_y s_x)/(z_x - z_y; k₂ = (z_x s_y² - z_y s_x²)/(z_x - z_y); k₃ = (s_x + s)/(z_x - z_y); f_y = z_y²/(s_y + s) + s_y + s;
s_x, s_y - расстояния от выходного окна лазера до перетяжек пучка лазера в плоскостях наименьшей и наибольшей угловой расходимости, соответственно;
n - показатель преломления материала линз.

На фиг. 1 представлена оптическая система для коррекции формы астигматического пучка лазера, разрез в плоскости X наименьшей угловой расходимости пучка; на фиг. 2 - то же в плоскости Y наибольшей угловой расходимости пучка; на фиг. 3 и 4 - вариант оптической системы для коррекции формы астигматического пучка лазера с уменьшенными габаритами, разрезы в плоскости X и Y соответственно.

Оптическая система содержит размещенные на оси пучка волноводного щелевого лазера две одинаковые сферические линзы, установленные с наклоном в противоположные стороны относительно оси пучка лазера в плоскости Y, перпендикулярной плоскости стенок волновода.

Оптическая система работает следующим образом. В плоскости X, параллельной плоскости стенок волновода, пучок щелевого лазера характеризуется малой угловой расходимостью и большим расстоянием от выходного окна лазера до перетяжки пучка. В плоскости Y, перпендикулярной плоскости стенок волновода, наоборот, пучок характеризуется большой угловой расходимостью и малым расстоянием от выходного окна лазера до перетяжки пучка [5, 6]. Соответственно, конфокальный параметр пучка в плоскости X больше конфокального параметра в плоскости Y.

Оптическая система преобразует пучок лазера так, что в выходном пучке конфокальные параметры и положения перетяжек одинаковы как в плоскости X, так и в плоскости Y. Общий конфокальный параметр выходного пучка равен конфокальному параметру пучка лазера в плоскости Y, а общее расстояние от второй линзы до перетяжки выходного пучка равно расстоянию от первой линзы до перетяжки пучка лазера в плоскости Y. При этих условиях в плоскости Y действие первой линзы на пучок лазера противоположно действию второй линзы, поэтому аберрационные искажения, вызванные децентрировкой линз, взаимно компенсируются. В плоскости X такие аберрационные искажения отсутствуют.

Таким образом астигматический пучок щелевого лазера преобразуется оптической системой в симметричный пучок, свободный от аберрационных искажений. Преобразованный пучок можно сфокусировать сферической линзой и использовать для различных применений.

На фиг. 1 и 2 показаны:
O - центр выходного окна лазера;
О_x, О_y - центры перетяжек пучка лазера в плоскостях X и Y соответственно;
О₃ - центр перетяжки скоррегированного пучка;
О₁, O₂ - центры первой и второй линз соответственно;
A_xA₁A₂A₃B_xB₁B₂B₃C_xC₁C₂C₃D_xD₁D₂D₃ - крайние точки пучка в плоскостях X и Y соответственно.

Введем обозначения:
O_xO = s_x; O_yO = s_y; OO₁ = s; A₁B₁ = a₁, A₂B₂ = а₂;
z_x, z_y - конфокальные параметры пучка лазера в плоскостях X и Y соответственно;
Z_x, Z_y - конфокальные параметры скорригированного пучка в плоскостях X и Y соответственно.

Будем полагать, что толщины линз и расстояние между линзами много меньше расстояния от линз до перетяжки пучка лазера. Тогда указанные выше условия отсутствия аберрационных искажений можно задать следующими соотношениями:
a₁=a₂; Z_x=z_y; Z_y=z_y. (1)
Рассматривая прохождение пучка лазера через линзы в параксиальном приближении [7], соотношения (1) можно представить в следующем виде:
z_x + (s_x + s)²/z_x = z_y + (s_y + s)/z_y; (2)
f_x² = z_x² + (s_x + s - f_x)² z_y/z_x; (3)
f_y² = z_y² + (s_y + s - f_y)²; (4)
где f_x и f_y - эквивалентные фокусные расстояния оптической системы в плоскостях X и Y соответственно.

Эквивалентные фокусные расстояния оптической системы можно найти с помощью формул для меридионального и сагитального инвариантов сферической поверхности [4]:

где - угол наклона осей линз относительно оси пучка лазера;
f - фокусное расстояние линз;
n - показатель преломления материала линз.

Из (4) - (7) после преобразований получим следующие соотношения:



k₁ = (z_x s_y - z_y s_x)/(z_x - z_y); (9)
k₂ = (z_x s_y²- z_y s_x²/(z_x - z_y); (10)
k₃ = (s_x + s)/(z_x - z_y); (11)

f_y = z_y²/(s_y + s) + s_y + s. (13)
Для щелевого лазера характерные значения конфокальных параметров z_x, z_y и расстояний s_x, s_y от выходного окна лазера до перетяжек пучка в плоскостях X и Y лежат в пределах z_x = 2000 - 8000 мм, z_y = 200-800 мм, s_x = 400 - 1200 мм, s_y = 15 - 60 мм. Из соотношений (8) - (13) можно получить, что соответствующие значения расстояние s от выходного окна лазера до первой линзы, фокусного расстояния f линз и угла наклона осей линз относительно оси лазерного пучка лежат в пределах: s = 600 - 1500 мм; f = 2000 - 5000 мм; = 35 - 45^o.

Например, прямыми измерениями параметров пучка разработанного щелевого CO₂ лазера получены следующие значения: s_x = 800 мм, s_y = 20 мм, z_x = 3700 мм, z_y = 270 мм. В качестве материала для изготовления линз использован селенид цинк с показателем преломления n = 2.4. Из соотношений (8) - (13) определяются конструктивные параметры оптической системы для коррекции формы пучка лазера: s = 1040 мм; f = 3140 мм; = 41^o30'.

При большой ширине лазерного пучка соотношения (8)-(13) приводят к большому значению расстояния от выходного окна лазера до первой линзы и, следовательно, к большому продольному габариту оптической системы. Продольный габарит можно значительно уменьшить, если непосредственно за выходным окном лазера перед оптической системой для коррекции формы пучка установить телескопическую систему из двух сферических линз. Телескопическая система пропорционально уменьшает размеры поперечного сечения и увеличивает угловую расходимость пучка лазера, то есть действие телескопической системы эквивалентно уменьшению масштаба вдоль оси пучка лазера. В соответствии с этим уменьшается продольный габарит оптической системы для коррекции формы пучка лазера.

На фиг. 3 и 4 дополнительно показаны:
О'_x, О'_y - центры перетяжек пучка после телескопической системы в плоскостях X и Y соответственно;
P₁, P₂ - центры первой и второй линз телескопической системы соответственно.

Введем дополнительные обозначения:
OP₁ = p; O'_x = s'_x; О'_yО = s'_y;
f₁, f₂ - фокусные расстояния первой и второй линз телескопической системы соответственно;
z'_x, z'_y - конфокальные параметры пучка после телескопической системы в плоскостях X и Y соответственно.

Рассматривая прохождение пучка лазера через телескопическую систему в параксиальном приближении [7], можно получить:
z'_x = (f₂/f₁)² z_x; (14)
z'_y = (f₂/f₁)² z_y; (15)
s'_x = (f₂/f₁)² (s_x + p - f₁) + 2 f₂ + p; (16)
s'_y = (f₂/f₁)² (s_y + p - f₁) + 2 f₂ + p. (17)
Конструктивные параметры оптической системы для коррекции формы пучка, прошедшего через телескопическую систему, определяются соотношениями (8) - (13), если в них сделать замену z_x, z_y, s_x, s_y на z'_x, z'_y, s'_x, s'_y соответственно.

Например, пучок лазера имеет указанные выше параметры, а расстояние от выходного окна лазера до первой линзы телескопической системы и фокусные расстояния первой и второй линз телескопической системы равны соответственно p = 10 мм; f₁ = 100 мм; f₂ = - 50 мм. В качестве материала для изготовления линз также использован селенид цинка. Из соотношений (6)-(17) определяются конструктивные параметры оптической системы для коррекции формы пучка: s = 285 мм; f = 810 мм; = 41^o5'.

Таким образом астигматический пучок щелевого лазера преобразуется оптической системой в симметричный пучок, свободный от аберрационных искажений. Преобразованный пучок можно сфокусировать сферической линзой и использовать для различных применений.

Список использованных источников
1. А. с. СССР N 1624392, МКИ⁵ G 02 В 27/30, опубл. 30.01.91, бюл. N 4.

2. Патент ЕР N 0100242, МКИ⁵ G 02 B 13/00, H 01 S 3/00, опубл. 29.01.89.

3. Патент США N 5206763, МКИ⁵ G 02 В 5/10, G 01 В 17/06, опубл. 27.04.93.

4. Вычислительная оптика. Справочник под общ. ред. проф. М.М.Русинова. Л., "Машиностроение", 1984, стр. 304.

5. Патент США N 5283797, МКИ⁵ H 01 S 5/04, опубл. 01.02.94.

6. A. D. Colley, F.Villfreal, H.J.Baker, D.R.Hall. Hgh brightness slab waveguide carbon monooxide laser. Appl. Phys. Lett. 64 (22), May 1994.

7. И.И.Пахомов, А.Б.Цибуля. Расчет оптических систем лазерных приборов. М., "Радио и связь", 1986.

Формула изобретения

Оптическая система для коррекции формы астигматического пучка лазера, содержащая последовательно расположенные по ходу лучей две положительные сферические линзы, отличающаяся тем, что линзы устанавливаются с наклоном в противоположные стороны относительно оси пучка лазера в плоскости наибольшей угловой расходимости пучка, при этом расстояние s от выходного окна лазера до первой линзы, фокусное расстояние f линз и угол наклона осей линз относительно оси пучка лазера определяются из следующих соотношений:



где z_x, z_y - конфокальные параметры пучка лазера в плоскостях наименьшей и наибольшей угловой расходимости соответственно;
k₁ = (z_x s_y - z_y s_x)/(z_x - z_y);
k₂ = (z_x s_y² - z_y s_x²)/(z_x - z_y);
k₃ = (s_x + s)/(z_x - z_y);

f_y = z_y²/(s_y + s) + s_y + s;
s_x, s_y - расстояние от выходного окна лазера до перетяжек пучка лазера в плоскостях наименьшей и наибольшей угловой расходимости соответственно;
n - показатель преломления материала линз.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4