Панкратическая фокусирующая система



Панкратическая фокусирующая система
Панкратическая фокусирующая система
Панкратическая фокусирующая система
Панкратическая фокусирующая система
Панкратическая фокусирующая система

 


Владельцы патента RU 2532649:

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (RU)

Изобретение может быть использовано при создании мощных лазерных систем для фокусировки излучения на удаленные мишени. Система включает первый объектив, первый и второй линзовые компоненты которого установлены с возможностью перемещения вдоль оптической оси объектива. Третий линзовый компонент установлен неподвижно. Система включает дополнительный лазер и, по меньшей мере, один дополнительный, идентичный первому, объектив, расположенные таким образом, что оптические оси лазера и всех объективов пересекаются в одной точке. Расстояния от оптической оси лазера до оптических осей объективов одинаковы. Каждый объектив дополнительно включает плоскопараллельную пластину, установленную перед первым компонентом с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной меридиональной плоскости системы. Все оптические компоненты объективов выполнены из кварцевого стекла. Плоскопараллельные пластины, первые и вторые компоненты объективов кинематически синхронизированы друг с другом. Технический результат - повышение точности настройки параметров лазерного излучения на мишени при одновременном увеличении передаваемой мощности излучения, повышение надежности и расширение его технологических возможностей. 3 ил.

 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано при создании мощных лазерных систем для фокусировки лазерного излучения на удаленные мишени.

Одним из важных аспектов разработки технологии дистанционной обработки материалов лазерным излучением, в частности, лазерной резки металлов на расстояниях в несколько десятков метров от источника является создание панкратической фокусирующей системы, способной обеспечить фокусировку лазерного излучения на необходимой дистанции в предельно малое световое пятно, причем не от одного источника, мощность которого может быть недостаточной для эффективного разрушения мишени, а от нескольких источников с точным сведением лазерных пучков. В качестве мощных лазеров, пригодных для указанных технологических применений, выступают лазеры, генерирующие излучение мощностью в несколько киловатт. Технология дистанционной резки металлов незаменима, например, в случаях возникновения аварии и пожара на фонтанирующей газовой скважине. Для ликвидации аварии необходимо, как правило, провести комплекс работ по резке поврежденного оборудования и металлоконструкций. Специфика этих работ заключается в высокой температуре пространства, окружающего область горящего факела. В данных условиях применение обычных аппаратов для резки металла в непосредственной близости от места аварии затруднительно и небезопасно. Поэтому возникает необходимость использования лазерной резки, так как это позволяет проводить работы, находясь на безопасном расстоянии от области с высокой температурой. Оптическая система, предназначенная для доставки излучения от источника(ов) к области обработки, должна быть простой, надежной, обеспечивать пятно фокусировки на мишени с размерами, близкими к дифракционному пределу, и не быть подверженной перепадам температур, возникающим при работе мощных лазерных источников и в результате воздействия факторов окружающей среды.

Известен трехкомпонентный варифокальный объектив (патент США №3937562, G02B 15/00, опубл. 10.02.1976), включающий три установленных по ходу луча оптических компонента. Фронтальный компонент обладает положительной силой и выполнен с возможностью перемещения вдоль оптической оси объектива. Промежуточный компонент обладает отрицательной оптической силой и выполнен с возможностью перемещения вдоль оптической оси объектива. Задний компонент обладает положительной оптической силой и выполнен неподвижным. Задний компонент включает пять линз, из которых все, кроме второй, выполнены в виде синглетов и все, кроме третьей, обладают положительной оптической силой.

Данный объектив непригоден для использования в системах фокусировки мощного лазерного излучения.

Известен объектив с плавным изменением фокусного расстояния (А.С. СССР №720395, G02B 15/14, опубл. 05.03.1980), содержащий компонент с постоянным фокусным расстоянием, два коллектива и оборачивающую систему, расположенную между коллективами с возможностью перемещения вдоль оптической оси. В данном объективе коллективы расположены во внефокальных областях и установлены с возможностью перемещения вдоль оптической оси в направлении, противоположном направлению перемещения оборачивающей системы с одинаковой скоростью, в 6-10 раз меньшей скорости перемещения оборачивающей системы.

Известна формирующая система для лазерного излучения (А.С. СССР №1755242, G02B 15/163, опубл.15.08.1992), включающая три компонента, причем первый компонент выполнен в виде двояковогнутой линзы и установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Второй компонент содержит две положительные и расположенную между ними отрицательную линзы, обладает положительной оптической силой и установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Третий компонент состоит из двух линз, первая из которых положительная, а вторая выполнена в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к предмету. Фокусное расстояние первого компонента F1 составляет -(0.09-0.15)F3, а второго компонента F2 - (0.9-1.1)F3, где F3 - фокусное расстояние третьего компонента. Во втором компоненте радиусы кривизны смежных поверхностей первой положительной и отрицательной линз составляют 0.25-0.35 фокусного расстояния F2, а их отношение не превышает 1.2, причем отрицательная и вторая положительная линзы изготовлены из материалов с разностью показателей преломления не более 0.04-0.07 и разностью коэффициентов дисперсий не менее 22-27.

Известна формирующая оптическая система для лазерного излучения (патент РФ №67296, G02B 15/173, опубл. 10.10.2007), включающая три компонента, первый и второй из которых по ходу луча выполнены с оптическими силами противоположного знака и установлены с возможностью перемещения вдоль оптической оси, а третий компонент выполнен фокусирующим с положительной оптической силой. Третий фокусирующий компонент выполнен в виде одиночной линзы, первый компонент выполнен с положительной оптической силой и состоит по меньшей мере из одной собирающей - выпуклой линзы, а второй компонент выполнен с отрицательной оптической силой и состоит по меньшей мере из одной рассеивающей - вогнутой линзы.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению и принятым за прототип является устройство для фокусировки излучения лазера (патент РФ №2398665, В23К 26/073, опубл. 10.09.2010), включающий три компонента, первый и второй из которых по ходу луча установлены с возможностью перемещения вдоль оптической оси, первый и третий по ходу луча выполнены с положительной оптической силой, а второй выполнен с отрицательной оптической силой.

Недостатком прототипа является ограниченная функциональная пригодность, обусловленная отсутствием возможности его использования для фокусировки излучения многоканального лазера, и низкая долговременная стабильность термооптических характеристик.

Технический результат заявляемого изобретения состоит в повышении точности настройки параметров лазерного излучения на мишени при одновременном увеличении передаваемой мощности излучения, а также в повышении надежности устройства для фокусировки излучения многоканального лазера и расширении его технологических возможностей.

Сущность изобретения состоит в том, что панкратическая фокусирующая система включает лазер наведения и по меньшей мере два одинаковых объектива, расположенных таким образом, что их оптические оси пересекают оптическую ось лазера наведения в одной точке, а расстояния от оптической оси лазера наведения до оптических осей объективов одинаковы, причем каждый объектив состоит из последовательно расположенных по ходу луча плоскопараллельной пластины, установленной с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной меридиональной плоскости панкратической фокусирующей системы, и трех линзовых компонентов, первый из которых содержит последовательно расположенные отрицательную и положительную линзы и установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси объектива, второй - выполнен в виде отрицательной линзы и установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси объектива, а третий - выполнен в виде положительной линзы и установлен неподвижно. Плоскопараллельные пластины, первые и вторые линзовые компоненты объективов кинематически синхронизированы друг с другом. Вход каждого объектива оптически сопряжен с выходной плоскостью каждого из каналов лазера. При этом все оптические компоненты объективов выполнены из кварцевого стекла.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показана оптическая схема заявляемой системы, на фиг.2 - элементы ее кинематической схемы, а на фиг.3 - зависимость отклонения центра лазерного пятна на мишени от оси лазера наведения в зависимости от дистанции фокусировки, выраженная в абсолютных единицах (фиг.3а) и в процентном отношении к размеру пятна (фиг.3б).

На фиг.1 показаны: 1 - плоскость выходного окна многоканального лазера, 2 - плоскопараллельная пластина, 3, 4 - отрицательная и положительная линзы первого линзового компонента объектива, 5 - второй линзовый компонент объектива, 6 - третий линзовый компонент объектива, 7 - лазер наведения.

На фиг.2. дополнительно показаны 8 - привод синхронного поворота плоскопараллельных пластин во всех объективах, входящих в заявляемую систему, и 9 - привод синхронного перемещения первых и вторых линзовых компонентов объективов.

Пример наилучшей технической реализации заявляемой панкратической фокусирующей системы имеет следующие параметры: длина волны излучения λ=1.071 мкм, дистанции фокусировки L=29.5-75 м, количество объективов N=3. Объективы расположены на окружности радиусом R=127.2 мм с разворотом в меридиональной плоскости на 10.5 угловых минуты к оси лазера наведения. Оси объективов сведены в точку, отстоящую от выходных окон объективов на расстояние 41.72 м. Фокусные расстояния линзовых компонентов объектива, рассчитанных для кварцевого стекла, равны FI=103.1 мм, FII=-121.8MM и FIII=953.4 мм соответственно. В качестве лазера наведения предлагается использовать лазер, генерирующий излучение в видимом диапазоне спектра.

В таблице 1 приведены расчетные значения дистанций фокусировки и соответствующие конструктивные параметры объективов, а именно: расстояние D5 от опорной плоскости объектива до его первого линзового компонента, расстояние D9 между первым и вторым линзовыми компонентами, расстояние D11 между вторым и третьим линзовыми компонентами объектива.

Все компоненты объективов выполнены из материала с высокими термооптическими характеристиками (кварцевого стекла) при сохранении минимального количества самих компонентов.

Заявляемое изобретение работает следующим образом.

Перед началом работы оптический вход каждого объектива фокусирующей системы оптически сопрягают с выходом каждого из каналов многоканального лазера. Включают лазер наведения 7 и по его лучу ориентируют объективы в пространстве таким образом, чтобы излучение многоканального лазера после их прохождения было направлено в сторону облучаемой мишени. При перефокусировке с меньшей на большую дистанцию первый линзовый компонент каждого объектива синхронно с первыми линзовыми компонентами остальных объективов движется к лазеру, второй - в противоположную сторону с той же скоростью, что и первый, а третий остается на месте. Сведение и фокусировка пучков излучения многоканального лазера в одну точку, расположенную на оси лазера наведения 7, достигаются синхронным поворотом плоскопараллельных кварцевых пластин 2. Все переменные параметры объективов определяются независимой переменной t:

φ=-9+18t (угл. град),

D5=21.6-8t (мм),

D9=10+16t (мм),

D11=795-8t (мм),

Поворот плоскопараллельных пластин 2 определен для рабочего интервала дистанций и соответствует значениям переменной t=0, …, 1.0, при этом дистанция фокусировки принимает значения от 29.5 м до 75 м. Вне рабочего интервала угол поворота равен 0. При значении t=1.585 объективы фокусируются на бесконечность. Численные величины заднего отрезка объективов получены для значений параметра t=-0.5, …, 1.6. В этом же интервале значений определены величины воздушных промежутков между компонентами.

Качество изображения объективов в диапазоне изменения t [-0.5; 1.6] при угле поворота плоскопараллельной пластины φ=0 дифракционное, а RMS волнового фронта составляет менее 0.07 λ.

Таким образом, совокупность признаков, указанных в формуле изобретения, обеспечивает в заявляемом изобретении достижение технического результата, а именно повышение точности настройки параметров лазерного излучения на мишени при одновременном увеличении передаваемой мощности излучения, а также повышение надежности устройства для фокусировки излучения многоканального лазера и расширение его технологических возможностей. Расчетным путем доказано, что предложенная система способна обеспечить высокую эффективность лазерной резки на расстояниях в несколько десятков метров от многоканального лазера.

Панкратическая фокусирующая система, включающая первый объектив, состоящий из трех линзовых компонентов, установленных последовательно вдоль оптической оси объектива, причем первый линзовый компонент содержит последовательно расположенные отрицательную и положительную линзы и установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси объектива, второй линзовый компонент выполнен в виде отрицательной линзы и установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси объектива, а третий линзовый компонент выполнен в виде положительной линзы и установлен неподвижно, отличающаяся тем, что панкратическая фокусирующая система включает дополнительный лазер и, по меньшей мере, один дополнительный идентичный первому объектив, расположенные таким образом, что оптические оси лазера и всех объективов пересекаются в одной точке, расстояния от оптической оси лазера до оптических осей объективов одинаковы, каждый объектив дополнительно включает плоскопараллельную пластину, установленную перед первым компонентом с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной меридиональной плоскости панкратической фокусирующей системы, причем все оптические компоненты объективов выполнены из кварцевого стекла, а плоскопараллельные пластины, первые и вторые компоненты объективов кинематически синхронизированы друг с другом.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к космической и военной технике, а именно к лазерному вооружению. Лазерная система поражения цели включает рабочий лазер-усилитель и лазер наведения.

Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано в оптических системах. .

Усилитель // 2176121

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для создания пучков когерентного излучения с высокой плотностью мощности. .

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в геодезии, машиностроении, приборостроении, медицине, спорте и других областях науки и техники, где возникает необходимость создания квазипараллельных пучков, которые на определенных длинах измеряемых трасс и рабочих зон осуществляют взаимодействие лазерного излучения с различными средами.

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано при доставке сфокусированного лазерного пучка на объект (например, при создании лазерных технологических комплексов).

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть применено в средствах, улучшающих экологию взаимодействия пользователя со средствами передачи видеоизображения.

Изобретение относится к оптико-механической промышленности и может быть использовано в фото-, кино- и видеотехнике, а более конкретно в системах с автоматической фокусировкой объектива.

Изобретение относится к фотокинотехнике и может быть использовано в кино-теле-фотосъемке для автоматического измерения расстояния между двумя объектами с выделением одного из них среди группы аналогичных.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в технологических установках при лучевой сварке в офтальмологии, точном машиностроении, метрологии.

Изобретение относится к технике измерения потоков оптического излучения и может быть использовано, например, в метрологии при градуировке и поверке приемников теплового излучения.

Изобретение относится к способу многолучевой лазерной сварки конструкционных сталей и может найти применение в различных отраслях машиностроения. .

Изобретение относится к области лазерной обработки материалов, в частности к устройству многопозиционной лазерной обработки, и может быть использовано при изготовлении большого количества изделий на одном лазерном комплексе, в том числе при лазерной резке, сварке, наплавке и селективном спекании.

Изобретение относится к технологическому лазерному оборудованию и может быть использовано для прецизионной обработки изделий. .
Наверх