Оптическая система для расширения, коллимации и выравнивания интенсивности лазерного гауссова пучка

 

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в различных устройствах когерентно-оптической обработки для преобразования пучка одномодового лазера в однородную плоскую волну с высокой эффективностью преобразования световой энергии. Оптическая система для преобразования пучка лазера 1 включает расширитель-коллиматор, выполненный в виде телескопической системы из последовательно установленных по ходу пучка микрообъектива 2, диафрагмы 3 и коллимирующей линзы 4, а также две фазовые корректирующие пластинки 5,6, установленные между диафрагмой 3 и линзой 4. При этом вторая фазовая пластинка 6 расположена вплотную к линзе 4. Приведены выражения для определения фазовых функций пластинок 5,6 в зависимости от S - расстояния между диафрагмой 3 и пластинкой 5, L - расстояние между пластинками 5,6, 2ρ<SB POS="POST">о</SB> - заданного диаметра создаваемого однородного пучка, 2R<SB POS="POST">о</SB> - диаметра рабочей области пластинки 5 и коэффициента диафрагмирования лазерного гауссова пучка. Пластинки 5,6 могут быть выполнены в виде плоских оптических элементов. Фазовая функция пластинки 5 обеспечивает создание в плоскости пластинки 6 однородного распределения интенсивности, а фазовая функция пластинки 6 дает возможность восстановить сферическую форму фронта на входе линзы 4. Благодаря размещению пластинок 5,6 внутри расширителя-коллиматора система имеет малые габариты. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУВЛИК (!9) (И) . ц ) С 02 В 27/48, 27/00

СПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTGPCHQMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ П4НТ СССР (21) 4483214/24-10 (22) 06.06.88 (46) 30.04,90, Бюл, Р 16 (71) Куйбышевский авиационный институт им. акад. С.П.. Королева (72) М.А. Голуб, С.В. Карпеев, И.Н. Сисакян и В,A. Сойфер (53) 535.8 (088,8) (56) Островский 1О.И. Голография и ее применение. -Л.: Наука, 1973, с. 53.

Патент США P.- 33447766446633, кл.350-189. опублик. 1969. (54) ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ РАСШИРЕНИЯ, КОЛЛИМАЦИИ И ВБ!РАВНИВАНИЯ ИН. ТЕНСИВНОСТИ ЛАЗЕРНОГО ГАУССОВА ПУЧКА (57) Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в различных устройствах когерентно-оптической обработки для преобразования пучка одномодового лазера в однородную плоскую волну с высокой эффективностью преобразования световой энергии. Оптическая система для преобразования пучка лазера 1 включает расширительколлиматор, выполненный в виде телескопической системы из последовательно установленных по ходу пучка микро2 объектива 2, диафрагмы 3 и коллимирующей линзы 4, а также две фазовые корректирующие пластинки 5 6 установленные между диафрагмой 3 и линзой

4. При этом вторая фазовая пластинка

6 расположена вплотную к линзе 4.

Приведены выражения для определения фазовых функций пластинок 5,6 в зависимости от S — - расстояния между диафрагмой 3 и пластинкой 5, Ь - расстояния между пластинками 5,6, 2 заданного диаметра создаваемого однородного пучка, 2г — диаметра рабочей области пластинки 5 и коэффициента диафрагмирования лазерного гауссова пучка. Пластинки 5,6 могут быть выполнены в виде плоских оптических элементов. Фазовая функция пластинки 5 обеспечивает создание в плоскости пластинки 6 однородного распределения интенсивности, а фазовая функция пластинки 6 дает возможность восстановить сферическую форму фронта на входе линзы 4. Благодаря размещению пластинок 5,6 внутри расширителя-коллиматора система имеет

Iмалые габариты, 1 з.п.ф-лы, 1 ил.! 561062

Ро го (2) 30

Po ro

1 +

1 Яп (1(к1

35 р 1 (211

h(r) = — — modÄ (— q (r) и-1 2 ii

О 2

Изобретение относится к оптичес Кому приборостроению и может быть использовано в разли11ных устройствах огерентно-оптической обработки для

1треоб азования пучка одномодового

5 лазера в одНородную плоскую волну с высокой эффективностью преобразоваНия световой энергии.

Цель изобретения — уменьшение га10 баритов системы.

На чертеже представлена оптическая схема устройства.

Оптическая система для преобразо.вания пучка лазера 1 включает расширитель-коллиматор, выполненный в виде телескопической системы из последовательно установленных.по ходу пучка йикрообъектива 2, диафрагмы 3 и кол1 тимирующей линзы 4, а также две фазо- 20 вые корректирующие пластинки 5 и 6, установленные между диафрагмой 3 и линзой 4, При этом вторая фазовая пластинка 6 расположена вплотную к линзе 4, Фазовая функция q,(r) пер,вой пластинки 5,и 6 полярной системе координат определяется выражением! — Расстояние от произвольной точки фазовой пластинки 6 до оптической оси, < — константа, определяющая фазу в центре пластинки 6 . (может быть положена равной О).

Фазовые корректирующие пластинки

5 и 6 могут быть выполнены в виде плоских оптических элементов, синтезируемых при помощи ЭВМ. При этом фазовая Функция рассчитывается на

ЭВМ по формулам (1) и (2) и приводится к интервалу (0,2 к ), в результате чего корректирующая пластинка разби.вается на эоны, Затем пластинка изготавливается из прозрачного материала с показателем преломления п, причем высота фазового рельефа h(r) в каждой зоне меняется от О до

111 где — длина волны излучеи-1 ния лазера 1, и описывается формулой где

Sгп,— гг о а фазовая вой пласти координат расстояние от произвольной точки фазовой пластинки 5 40 до оптической оси, константа, определяющая фазу в центре пластинки 5 (может быть положена равной О), 45 расстояние от диафрагмы 3 до пластинки 5, расстояние между пластинками 5 и 6, заданный диаметр создаваемого однородного пучка; диаметр рабочей области первой фазовой пластинки 5, коэффициент диафрагмирования лазерного гауссового

55 пучка; функция п7 (()) второй фазонки 6 в полярной системе определяется выражением где mod< (t) = t — j2»m при

j 2iim

При расчеТе системы расстояния от лазера 1 до микрообъектива 2 (d ), а также фокусное расстояние микрообъектива (f) и коэффициент диафрагмирования гауссова пучка (К) выбирают исходя из необходимых габаритных размеров, а также характеристик точности изготовления фазовых корректирующих пластинок 5 и 6, Минимальный коэффициент диафрагмирования определяется диафрагмированием гауссова пучка выходным зеркалом лазера 1.

Световая энергия лазера при этом используется полностью. Остальные параметры системы рассчитывают исходя из данных лазера. расходимости пучка Р на уровне q интенсивности

5 156 и диаиетра пучка на выходном зеркале

D> на уровне q no интенсивности. .Для этого определяют величины:

1. Оптическая система для расширения, коллимации и выравнивания интенсивности лазерного гауссова пучка, включающая расширитель-коллиматор и две фазовые корректирующие пластинки, отличающаяся тем, что, с целью уменьшения габаритов, расширитель-коллиматор выполнен в виде телескопической системы из последовательно установленных по ходу пучка микрообъектива, диафрагмы и коллимирующей линзы, а фазовые пластинки установлены между диафрагмой

20 и коллимирующей линзой, причем фаэовая функция ф(г) первой пластинки определяется выражением

1 1

q(r) =q — — (— + — ) +

2 S L

Ро го

+

20 ()

Qo

Ь ln (1/K)

1-k затем

r =SQ иЬ=FS

О I!

Устройство работает следующим образом.

Пучок с гауссовским распределением интенсивности от лазера 1 падает на микрообъектив 2, который преобразует пучок, увеличивая его расходимость. Диафрагма 3, расположенная в фокусе микрообъектива 2, служит для фильтрации флуктуации в распределении интенсивности после микрообъектива 2. Расходящийся сферический волновой фронт с гауссовским распределением интенсивности падает на первую фазовую корректирующую пластинку 5, Функция ее фазового пропускания рассчитывается по формуле (1) таким образом что в плоскости непосредственно перед второй корректирующей фазовой пластинкой 6 распределение интенсивности в круге радиусом Р близко к равномерному, а вне его интенсив-. ность близка к нулю. Это достигается тем, что фазовая пластинка в центральной части гауссова пучка, где интенсивность больше, отклоняет лучи на большие углы, чем в периферийной части пучка, в результате чего достигается выравнивание интенсивности. .Фаза света непосредственно перед второй фазовой пластинкой 6 отличается от фазы сферической волны на величи: ну (2) со знаком минус. Вторая фазовая. пластинка 6, компенсируя фазовые набеги дает сферическую волну, Коллимирующая линза 4 преобразует1 получен

- „, Pn(I)i) х 1 — exp (- t2) dt, о

30 где r - расстояние от произвольной точки первой фазовой . пластинки до оптической оси, ф — константа1

S — расстояние от диафрагмы

35 до первой фазовой пластинки;

L — расстояние от первой фазовой пластинки до второй фазовой пластинки;

4О, 2(, — заданный диаметр создаваемого однородного пучка, 2 1о — диаметр рабочей области первой фазовой пластинки, К вЂ” коэффициент диафрагмирова45 ния лазерного гауссова пучка, а фазовая функция q (P) второй фаэовой пластинки, расположенной вплотную к коллимирующей линзе, определя50 ется выражением ч

Z Е ГВ+1,)

Ро Го

-«Я-к р

D = р 1п (1/К), b ln (1/K)

1Ъ тЧ Я 2 ТГт1Т7

Яп К, L0 i Zg-d +

"1 00

Далее находят фокусное расстояние коллимирующей линзы 4! 062 6 ную сферическую волну с равномерным распределением интенсивности в однородную плоскую волну.

5 Формула изобретения

1561062

Составитель В. Кравченко

Редактор Л. Веселовская Техред JJ.0ëèéíûê Корректор С. Черни

Заказ 977 Тираж 458 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям прн ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,101 где f - расстояние от произвольной точки второй фазовой пластинки до оптической оси, (P - константа.

2. Оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что фазовые пластинки выполнены в виде плоских оптических элементов.