Устройство для фокусировки свч-излучения в прямоугольник

 

Изобретение относится к квазиоптическим системам и может быть использовано в установках для обработки материалов сфокусированным излучением. Цель изобретения - обеспечение равномерности распределения интенсивности в прямоугольном сечении пучка в фокальной плоскости - достигается фокусировкой гауссового пучка от источника излучения с помощью зеркала, форма которого определяется из системы уравнений. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4757829/09 (22) 09.11.89 (46) 15.05.92. Бюл. ¹ 18 (71) Институт электросварки им. Е,О.Патона (72) Б,Е.Патон, А.В.Детков, В.Е.Скляревич, П.А.Сыровец и Т.Д.Деткова (53) 621.396. 67(088. 8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1314291, кл. G 02 B 5/10, 1987. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОКУСИРОВКИ

СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ В ПРЯМОУГОЛЬНИК

Изобретение относится к созданию элементов квазиоптических систем, служащих для преобразования волновых фронтов

СВЧ-излучения и может быть использовано, в частности в установках, используемых для обработки материалов пучком эффективно сфокусированного излучения.

Цель изобретения — фокусировка СВЧизлучения в прямоугольник с равномерным распределением интенсивности в прямоугольном сечении пучка в фокальной плоскости.

Для этого в устройстве для фокусировки, выполненном в виде отражающего элемента, отражающий элемент выполнен в виде зеркала, форма поверхности которого определяется системой двух уравнений а=а(у), Р =ф(х, у), где х, у — координаты точки в прямоугольной системе координат с началом в центре зеркала, осью ОХ параллельной фокальной плоскости, и осью OY перпендикулярной падающему на зеркало пучку; а (у) — угол

»5U 1734064 А1 (Я)5 G 02 В 5/10, Н 01 Q 15/16 (57) Изобретение относится к квазиоптическим системам и может быть использовано в установках для обработки материалов сфокусированным излучением, Цель изобретения — обеспечение равномерности распределения интенсивности в .прямоугольном сечении пучка в фокальной плоскости — достигается фокусировкой гауссового пучка от источника излучения с помощью зеркала, форма которого определяется из системы уравнений. 3 ил. наклона касательной и кривой, образованной сечением плоскостью, перпендикулярной оси ОХ зеркала в точке с координатой у определяемой из соотношения ссс (z<-2с(1) с1(1)) с 1(11 ьс. („1= (,(М(ф " +

2 (в+ g) C(11(2- к(11 ю(111) zv)1), <(oI

rp(y) — угол падения пучка на зеркало в плоскости OXZ, (р(у) = arctg ();

Y г — координата по оси 02, совпадающей с направлением пучка; R (z) — радиус кривизны волнового фронта волны, К (.) = z (1 ° () :

W (z) = Wo

Х вЂ” длина волны излучателя;

S — расстояние от начала координат до фокальной плоскости;

1734064

I (у) =! (О, у, d), 1 (х, у, z) — функция интенсивности гауссового пучка, определяемая выражением х2+у2 ! (х, у, z) = 1 ехр (— ), 1o = const;

W (z)

d — расстояние от источника излучения до начала координат. (лП z}

2а

2а, 2Ь вЂ” размеры прямоугольного сечения пучка в фокальной плоскости;

Р (х, у) — угол наклона касательной к кривой, образованной сечением поверхности зеркала плоскостью, перпендикулярной оси ОУ, определяемый из соотношения

j3(x, у) = — arctg L + х

1 г 1 s+у

"Х (1 с )de+2Ó(х)

p(х) — угол падения пучка на зеркало в плоскости OXZ, ! (6=1(в О, d), )лЯ(z}

2= 2b

На фиг.1 схематически изображено предлагаемое устройство, работающее на отражение.

Зеркало 1 находится на расстоянии d от источника 2 и формирует в фокальной плоскости, расположенной на расстоянии S от центра зеркала и перпендикулярной направлению распространения отраженного излучения, участок 3 равномерного распределения интенсивности в виде прямоугольника со сторонами 2а и 2b.

Для гауссова пучка волновая функция на произвольном расстоянии может быть записана в виде (3) И, л„,2 () (х, LL,z) = Q (- xp -i Kz — о Q(z) qg(z) -archy ехр -, р

Г 2 где г = х + у — расстояние от центра пучка до точки (х, у);

К вЂ” проекция волнового вектора на ось

Oz; фо = ф(О, О, О) = const.

Так как в формуле (1) первый экспоненциальный множитель характеризует фазу плоской волны и кривизну волнового фронта, второй — распределение интенсивности в поперечном сечении пучка, то функция интенсивности гауссового пучка в любой плоскости, перпендикулярной направлению распространения, может быть представлена в виде

2+ 2

I (х, у, z) = lo ехр (— ), (2)

W (z)

5 где

l0 = const.

Рассмотрим отражение в плоскости Х = О.

Для получения равной интенсивности отра10 женного пучка достаточным является условие —, = С1= const, (3)

d jj (Ae1(у) =! (о у, d), dU —. ширина волнового фронта, в фокальной плоскости, отраженного от участка поверхности зеркала, проекция которого на ось OY равна dy.

Чтобы вся мощность равномерно фокусировалась в пределах геометрических размеров одной из сторон прямоугольника, равной 2а, необходимо, чтобы

E xW и (4)

25 а о gP(z) 2a

Значение б0/dy в формуле(3) определяется из геометрических соображений (cM.фиг.2) как

dU d б у

= tg а (у) + ((Я + у) х б у х tg Р 2 а (у) + у ) (у))). (5)

d U

Подставляя выражение (5) для в усс} у

35 ловие (1), получим

Нф Я вЂ” = 1 (1 1(О1 —, - Я () ((1 с (ф (д (фI ;+ "4 сов (— Ы(()г q(q)

Или для Ыу! сов (— -2 сс(с) с((с)}

45 (()= g ((g (oL(g)с, 3("(1) (,)}),V (Ы.

Это обыкновенное дифференциальное

50 уравнение решается методом Эйлера с начальным условием а(о) =—

4 (7)

Теперь рассмотрим отображение в пло55 скости Y = О, Аналогично рассуждая можно записать

= 1 — (S+ у) tg (2P (x, у) — p(x))„(8) где dV — ширина волнового фронта, в фокальной плоскости, отраженного от участка

1734064 элемента, проекция которого на ось ОХ равна dx.

Учитывая это условие, а также условие равной интенсивности по координате х, аналогичное условию (3), получим

I x

1 — (s +y) tg (2P(x, y) — p(x)

= С2. (9)

Очевидно также, что (10)

Из соотношения (9) находим выражение для определения P (x, у)

P(x, у) = — arctg L + х

1 г 1 s+у

x f . (1 — — ) d 5 + — р (x ), (11)

Параметры Р (х, у) и а (у) полностью определяют кривизну поверхности отражающего элемента, На фиг.1 — изображено предлагаемое устройство, работающее на отражение; на фиг.2 — схема преобразования пучка поверхностью зеркала; на фиг.3 — схематическое представление предложенного устройства.

Предложенное устройство представляет собой отражающий элемент, выполненный в виде зеркала 1, расположенного.на расстоянии (S) до фокальной плоскости (поверхности объекта), перпендикулярной к направлению распространения отраженного излучения, с прямоугольником 3, на который производится фокусировка.

Отражающий элемент предлагаемой формы, решающий задачу фокусировки

СВЧ-излучения в прямоугольник, может быть изготовлен различными существующими в настоящее время технологическими методами (например, механическими, ионного травления, методами создания намивного рел =фа). При изготовлении этих отражающих элементов необходимо обеспечить достаточно высокую точность, что требует применения современной техники, особенно при механическом изготовлении.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Отражающий элемент преобразует пучок падающего на него излучения в отраженный, обеспечивающий требуемый процесс фокусировки в фокальной плоскости.

В качестве примера устройства для фокусировки СВЧ-излучения в прямоугольник была рассчитана форма поверхности зеркала для обработки поверхности защитных пленок гиротронным излучением миллиметрового диапазона.

Формула изобретения

Устройство для фокусировки СВЧ-излу5 чения в прямоугольник, содержащее отражающий элемент и источник излучения, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью обеспечения равномерности распределения интенсивности в прямоугольном сечении

10 пучка в фокальной плоскости, отражающий элемент выполнен в виде зеркала с формой поверхности определяемой системой уравнений (а =а(у), 15 УЗ =P(x, y), где х, у — координаты точки в прямоугольной системе координат с началом в центре зеркала, осью ОХ параллельной фокальной плоскости, и осью OY перпендикулярной

20 падающему на зеркало пучку, а (у) — угол наклона касательной к кривой, образованной сечением плоскостью перпендикулярной оси ОХ зеркала в точке с координатой у, определяемой из соотношения

3(p(ó) — угол падения пучка на зеркало в плоскости OYZ, 35 Y р (у) = arctg ());

z- координата по оси OZ, совпадающей с направлением пучка, R (zj — радиус кривизны фронта волны, W (z) = W<> /1 +(),W = W(o);

5 "(4o

il. — длина волны, излучения, S — рассто45 яние от начала координат до фокальной плоСКОСТИ, (у)=!(О у d) где I (х, у, z) — функция интенсивности гауссова пучка, определяемая выражением

2+ 2

I (х, у, 2) = )51 exp (), (о=сопзт; х +у

W (z)

d — расстояние от источника излучения до начала координат;

2а

2а, 2Ь вЂ” размеры прямоугольного сечения пучка в фокальной плоскости;

j3 (х, у) — угол наклона касательной к кривой, образованной сечением поверхно1734064

45

55 сти зеркала плоскостью перпендикулярной оси ОУ, определяемой из соотношения

P(x, у)= — arctg + х

1 г 1 s+V х f (a +)оф) - — р(х);

p(х) — угол падения пучка на зеркало а плоскости OXZ

Фиг.1

1734064

Составитель В.Деткова

Редактор M.Âàñèëüåâà Техред М.Моргентал Корректор Э.Лончакова

Заказ 1669 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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