Способ распределения лазерного излучения и многолучевая лазерная система для его осуществления



Способ распределения лазерного излучения и многолучевая лазерная система для его осуществления
Способ распределения лазерного излучения и многолучевая лазерная система для его осуществления
Способ распределения лазерного излучения и многолучевая лазерная система для его осуществления
Способ распределения лазерного излучения и многолучевая лазерная система для его осуществления
Способ распределения лазерного излучения и многолучевая лазерная система для его осуществления
Способ распределения лазерного излучения и многолучевая лазерная система для его осуществления
Способ распределения лазерного излучения и многолучевая лазерная система для его осуществления
Способ распределения лазерного излучения и многолучевая лазерная система для его осуществления
Способ распределения лазерного излучения и многолучевая лазерная система для его осуществления
Способ распределения лазерного излучения и многолучевая лазерная система для его осуществления
Способ распределения лазерного излучения и многолучевая лазерная система для его осуществления

 


Владельцы патента RU 2563908:

Общество с ограниченной ответственностью "НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ "ИРЭ-Полюс" (ООО НТО "ИРЭ-Полюс") (RU)

Изобретение относится к лазерной технике для распределения или переключения произвольно поляризованного излучения от одного лазерного источника по ряду оптических направлений с контролируемой поляризацией и мощностью. Преобразуют исходный пучок лазерного излучения со случайной поляризацией во множество плоско-поляризованных пучков. Деполяризуют исходный лазерный пучок и разделяют его поляризационным делителем на пару плоско-поляризованных пучков равной мощности излучения и по крайней мере один пучок после преобразования его поляризации делят на следующую пару с заданным соотношением мощностей. Пучок из любой пары конвертируют частотным конвертером. Достигают требуемое перераспределение исходной лазерной мощности с преобразованием поляризации и частоты излучения. 4 н. и 15 з.п. ф-лы, 9 ил., 1 табл.

 

Область техники

Изобретение относится к области лазерной техники, а именно к многолучевым лазерным системам, содержащим устройства для распределения или переключения произвольно поляризованного излучения от одного лазерного источника по ряду оптических направлений с контролируемой поляризацией и мощностью.

Предшествующий уровень техники

Мощные лазеры и лазерные системы все шире используют в промышленных установках при обработке материалов. Мощности промышленных лазеров растут и достигают уже 100 кВт в непрерывном режиме (иттербиевые волоконные лазеры группы компаний IPG: НТО «ИРЭ-Полюс» - Россия, IPG Laser - Германия, IPG Potonics - США). Для более рационального использования такой мощности в роботизированных системах при сварках, гравировках, выкраивании, закалках материалов бывает полезно для увеличения производительности перераспределять/переключать лазерную мощность по многим оптическим направлениям, обеспечивая тем самым параллельность технологических процессов. Процесс «гибкого» распределения (коммутации, деления, управления и доставки, и т.п.) лазерной мощности к разным исполнительным устройствам предполагает наличие управляемых многоканальных оптических систем, позволяющих осуществить необходимое контролируемое перераспределение лазерного излучения большой мощности по разным каналам.

Однако существующие немеханические оптические переключатели, сканеры, дефлекторы лазерного излучения имеют ограниченную область применения и рассчитаны на работу с, как правило, стабильным плоско-поляризованным лазерным излучением относительно невысокой мощности, особенно это касается электрооптических устройств.

Мощные (100 Вт и более), в том числе и волоконные, лазеры далеко не всегда характеризуются монохроматическим стабильным во времени плоско-поляризованным или, наоборот, качественно деполяризованным выходным излучением, т.е. без какого-либо преимущественного состояния поляризации. Мощное лазерное излучение часто многомодовое и имеет поляризацию, малопригодную для формирования разнонаправленных световых пучков с контролируемым соотношением мощностей и поляризации - это достаточно сложная техническая задача.

Кроме того, в ряде случаев необходимо обеспечить многолучевую обработку материалов в параллельных технологических процессах более коротковолновым излучением с заданной поляризацией.

В патентной публикации WO 2010042833 (PCT/US2009/060188), SERCEL Jeffrey P. et al, LASER MACHINING SYSTEMS AND METHODS WITH MULTIPLE BEAMLET LASER BEAM DELIVERY SYSTEMS предложена многолучевая лазерная система, в которой процесс деления исходного лазерного пучка осуществляется с помощью частично отражающих/пропускающих зеркальных элементов. Такое устройство оправдывает свое назначение только для стабильных лазерных источников с определенным образом поляризованным пучком, и совершенно не пригодно для излучения со случайной, изменяющейся поляризацией. Проблема здесь в том, что из-за различных коэффициентов отражения p- и s-поляризованных компонент случайно поляризованного света интенсивности получаемых в результате деления пучков будут неконтролируемо меняться, что совершенно недопустимо в применениях. Кроме того, это устройство не управляемо и не позволяет динамично, в процессе лучевой обработки материалов, регулировать интенсивности пучков (например, переключать пучки по каналам распространения).

Эту сложную задачу многолучевого деления одного исходного случайно и нестабильно поляризованного лазерного излучения решает настоящее изобретение.

Сущность изобретения

Целью изобретения является разработка многолучевой лазерной системы с одним мощным лазерным источником и способов распределения его мощности по разным направлениям (мультиплексирование пучков) с преобразованием исходного излучения с произвольно меняющейся поляризацией в строго плоско-поляризованные пучки с заданным устойчивым соотношением мощностей. При этом попутно решается задача и по частотному конвертированию излучения в любом из лазерных каналов, т.е. мультиплексирование гармоник исходного излучения. Это позволяет предложить новую методику создания многолучевых лазерных систем и использовать эти системы в многолучевых роботизированных лазерных комплексах, осуществляющих одновременно несколько параллельных технологических процессов лазерной обработки материалов. За счет этого более рационально используют исходную мощность лазера и повышают производительность комплекса.

Известно, что немеханическое управление излучением (например, переключение направления его распространения в пространстве с помощью методов электрооптики) с неопределенным и случайно меняющимся во времени поляризационным состоянием без сопутствующих поляризационных потерь реализовать достаточно трудно, т.к. это ведет к резкому усложнению соответствующих оптических схем. Однако если найти способ преобразования произвольно поляризованного лазерного пучка с реальной большой шириной линии Δλ, например до десятка нанометров, в стабильное по мощности плоско-поляризованное излучение, то проблема перераспределения светового пучка по пространственно разделенным каналам разрешается довольно просто известными способами. Например, появляется возможность использовать для этого электрооптические ячейки Поккельса (или Керра) в комплексе с поляризационными делителями любого вида или акустооптические дефлекторы и сканеры, работающие на анизотропной дифракции плоско-поляризованного света в двулучепреломляющих кристаллах [1-6].

В первом аспекте изобретения предлагается (ФИГ. 1):

Способ распределения лазерного излучения по разным направлениям, состоящий в том, что:

- осуществляют деполяризацию исходного произвольно поляризованного коллимированного пучка лазерного излучения 101 с помощью деполяризатора 102, и

- деполяризованный пучок 103 разделяют первым поляризационным делителем 104 на первую пару плоско-поляризованных пучков со стабильно равными мощностями 105, 106, и

- с помощью преобразователя поляризации 107 преобразуют определенным образом поляризационное состояние хотя бы одного пучка 105, и делят преобразованный пучок 108 вторым поляризационным делителем 109 на вторую пару плоско-поляризованных пучков 110, 111 с заданным соотношением мощностей излучения.

Возможны варианты:

- Когда преобразуют поляризационное состояние любого плоско-поляризованного пучка и делят его поляризационным делителем на пару разнесенных в пространстве пучков, и такой процесс деления вновь полученных пучков может быть повторен сколь угодно раз с другими поляризационными преобразователями и делителями.

- Когда исходный лазерный пучок 101 деполяризуют во времени:

- по принципу Биллингса, при котором поляризационный эллипс лазерного излучения изменяет свою эллиптичность и угловое пространственное положение, либо

- по принципу псевдодеполяризации, при которой независимые электрические векторы светового поля, соответствующие каждой оптической частоте в составе множества произвольно поляризованных частотных компонент в пределах ширины линии лазерного пучка, равномерно и многократно закручивают вокруг волнового вектора этого пучка,

и далее делят поляризационным делителем на два плоско-поляризованных пучка равной средней мощности.

- Когда лазерное излучение 101 деполяризуют:

- спектрально по принципу Лио (Lyot-depolarization principle), согласно которому частотные компоненты в пределах ширины линии лазерного пучка приобретают все возможные состояния поляризации, или

- по принципу пространственной деполяризации, при котором каждый элемент из множества малых элементов площади поперечного сечения лазерного пучка после деполяризации приобретает индивидуальное состояние поляризации, отличное от индивидуальных состояний поляризации других малых элементов площади,

и далее делят поляризационным делителем на два плоско-поляризованных пучка равной мощности.

В следующем аспекте изобретения предлагается (ФИГ. 2):

Способ распределения лазерного излучения по разным направлениям, состоящий в том, что:

- деполяризатором 202 осуществляют деполяризацию исходного произвольно поляризованного коллимированного пучка лазерного излучения 201, и

- деполяризованный пучок 203 разделяют первым поляризационным делителем 204 на первую пару плоско-поляризованных пучков с равными мощностями 205, 206, и

- с помощью преобразователя поляризации 202 преобразуют поляризационное состояние хотя бы одного пучка (например, 205) и делят его вторым поляризационным делителем 209 на вторую пару плоско-поляризованных пучков 210, 211 с заданным соотношением мощностей излучения, и

- любой из имеющихся плоско-поляризованных пучков подвергают частотному конвертированию с помощью нелинейного конвертера 212 или 213 до получения новых частот излучения в пучке 214 или 215.

В следующем аспекте изобретения предлагается (ФИГ. 1):

Многолучевая лазерная система, имеющая в составе:

- лазерный источник с произвольно поляризованным коллимированным исходящим пучком 101;

- деполяризатор 102, установленный на пути исходного пучка 101 и осуществляющий его деполяризацию;

- первый поляризационный делитель 104, установленный на пути деполяризованного пучка 103 и осуществляющий его деление на два плоско-поляризованных пучка 105, 106 с равными мощностями,

- устройство для изменения состояния поляризации 107, установленное на пути любого плоско-поляризованного пучка (например, 105) и обеспечивающее требуемое поляризационное состояние выходящего из него пучка 108;

- второй поляризационный делитель 109, осуществляющий деление пучка 108 на два плоско-поляризованных пучка 110, 111 с заданным соотношением мощностей.

Возможны варианты:

- Когда на пути любого из плоско-поляризованных пучков размещают устройство для изменения состояния поляризации в комплексе с поляризационным делителем для получения новой пары плоско-поляризованных пучков, и такую комбинацию поляризационного преобразователя и делителя используют сколь угодно раз.

- Когда деполяризатор 102 осуществляет деполяризацию во времени по Биллингсу исходного пучка 101 и выполнен в виде пары электрически управляемых фазовых ячеек Поккельса на основе электрооптических кристаллов, при этом световой пучок в этих фазовых ячейках распространяется перпендикулярно их фазовым осям, которые развернуты относительно друг друга на угол 45°.

- Когда деполяризатор 102 в виде деполяризатора 302 (ФИГ. 3) осуществляет псевдодеполяризацию во времени исходного пучка 301 и представляет из себя механически равномерно вращающийся вокруг оси лазерного пучка 301 полуволновый (λ/2) фазовый элемент, выполненный:

- в виде λ/2-пластинки 302 (ФИГ. 3A), изготовленной из двулучепреломляющего кристалла, либо

- в виде устройства из двух призм 322, 332 типа четвертьволновых (λ/4) призм Френеля («ромбов» Френеля, ФИГ. 3В), при этом призмы изготовлены либо из оптического стекла, либо из прозрачных кристаллов кубического типа симметрии и установлены так, чтобы входящий и исходящий пучки были соосны.

- Когда деполяризатор 102 в виде деполяризатора 402 (ФИГ. 4) осуществляет псевдодеполяризацию во времени исходного пучка 403 и представляет собой, по меньшей мере, один электрооптический элемент 402 из кристалла с осью симметрии Ζ третьего порядка, вдоль которой распространяется входной пучок 401, а управление элементом осуществляют двумя электрическими гармоническими напряжениями Ux, Uy, сдвинутыми по фазе на π/2, но с одинаковыми частотами и амплитудами, равными полуволновому значению напряжения, создающими электрические взаимно ортогональные поля, силовые линии которых перпендикулярны оси третьего порядка Ζ, так что электрооптический элемент 402, будучи сам механически неподвижным, оказывается эквивалентным равномерно вращающемуся полуволновому элементу, варианты которого изображены на ФИГ. 3.

- Когда деполяризатор 102 в виде электрооптического элемента 502 (ФИГ. 5) совмещает в себе функцию поляризационного делителя 104 за счет наличия грани 526, наклоненной к оси симметрии третьего порядка 543 под углом α, на которой деполяризованный пучок 503 испытывает анизотропное полное внутреннее отражение и расщепляется на два отдельных плоско-поляризованных пучка 505, 506, выходящих наружу через боковую грань 536, наклоненную относительно грани 526 под углом γ.

- Когда деполяризатор 102 в виде пары фазовых элементов на основе двух оптически прозрачных анизотропных кристаллов 622, 632 (ФИГ. 6) (или на основе двух анизотропных оптических волокон) осуществляет спектральную деполяризацию исходного пучка 601 по принципу Лио (Lyot-depolarization principle), при этом фазовые оси 634 и 635 кристаллов (волокон) повернуты относительно друг друга на угол 45°, а длины фазовых элементов выбираются так, что длина L1 первого по ходу пучка элемента не менее длины когерентности лазерного пучка, а длина L2 второго в два раза больше длины L1 первого (L2=2L1).

- Когда деполяризатор 102 в виде составной призмы (ФИГ. 7) осуществляет пространственную деполяризацию по множеству малых элементов поперечного сечения лазерного пучка 703, при этом он может быть собран:

- из двух кристаллических клиньев 722, 732 с противоположными знаками оптической активности, либо

- из двух клиньев, один из которых изготовлен из оптически активного кристалла, а другой выполнен из стекла или кристалла без оптической активности, чем достигается компенсация углового преломления циркулярно-поляризованных пучков,

при этом клинья ориентированы и соединены так, чтобы лазерный пучок проходил через каждый кристаллический клин вдоль направления максимальной оптической активности 754/755 (в случае одноосных кристаллов - это оптические оси).

- Когда в качестве устройства для изменения состояния поляризации 107 используют, по меньшей мере, одно управляемое внешним электрическим напряжением электрооптическое устройство на основе ячеек Поккельса (или Керра).

- Когда устройство для изменения состояния поляризации 107 содержит, по меньшей мере, один управляемый ротатор Фарадея, в котором необходимое магнитное поле создается катушкой-соленоидом, а управление осуществляют путем изменения электрического тока через этот соленоид.

- Когда устройство для изменения состояния поляризации 107 содержит стационарный неуправляемый фазовый элемент, обеспечивающий поворот плоскости поляризации пучка на заданный конкретный угол β, определяемый требуемым соотношением мощностей пучков на выходе поляризационного делителя, и выполнено в виде:

- полуволновой λ/2-пластинки, либо

- полуволнового устройства из двух прямых призм типа λ/4-призм Френеля («ромбов» Френеля), установленного своими входными и выходными гранями перпендикулярно лазерному пучку, при этом призмы изготавливают или из оптического стекла, или из прозрачных кристаллов кубического типа симметрии и собирают в единое устройство так, чтобы входящий и выходящий пучки были сосны, либо

- оптически активного элемента, который является или ротатором Фарадея, или кристаллом с естественной оптической активностью,

причем, угол β=45°, если требуется разделить мощность лазерного пучка пополам следующим поляризационным делителем, установленным таким образом, что один из выходящих из него двух плоско-поляризованных лазерных пучков поляризован параллельно плоскости поляризации делимого пучка, а другой ортогонально ей.

- Когда устройство для изменения состояния поляризации 107 представляет из себя фазовый элемент, обеспечивающий преобразование плоско-поляризованного состояния пучка в циркулярное с целью деления мощности пучка пополам на выходе следующего поляризационного делителя и который выполнен в виде:

- четвертьволновой λ/4-пластинки, либо

- четвертьволнового устройства из двух прямых призм типа λ/8-призм Френеля («ромбов» Френеля), установленного своими входными и выходными гранями перпендикулярно лазерному пучку, при этом призмы изготавливают или из оптического стекла, или из прозрачных кристаллов кубического типа симметрии и собирают в единое устройство так, чтобы входящий и выходящий пучки были соосны.

В следующем аспекте изобретения предлагается (ФИГ. 2):

Многолучевая лазерная система, имеющая в составе:

- лазерный источник с произвольно поляризованным коллимированным исходящим пучком 201;

- деполяризатор 202, установленный на пути исходного пучка и осуществляющий его деполяризацию;

- первый поляризационный делитель 204, установленный на пути деполяризованного пучка 203 и осуществляющий его деление на два плоско-поляризованных пучка 205, 206 с равными мощностями,

- устройство для изменения состояния поляризации 207, установленное на пути любого плоско-поляризованного пучка (например, 205) и обеспечивающее требуемое поляризационное состояние выходящего из устройства 207 пучка 208;

- второй поляризационный делитель 209, осуществляющий деление пучка 208 на два плоско-поляризованных пучка 210, 211 с заданным соотношением мощностей;

- частотный конвертер 212 или 213 для конвертирования частоты исходного излучения, установленный на пути любого плоско-поляризованного пучка, например, 210 (или 211) до получения новых частот излучения в пучке 214 (или 215).

Подробное описание изобретения

Для лучшего представления сути изобретения ниже дано более подробное описание способов деполяризации и пространственного деления лазерных пучков, а также рассмотрены примеры предлагаемых конкретных устройств.

Процесс деполяризации

Деполяризация во времени может быть выполнена как в виде деполяризации по Биллингсу, так и в виде так называемой «псевдодеполяризации». Деполяризация излучения по Биллингсу со случайным, но определенным (хотя и медленно меняющимся) состоянием исходной поляризации характеризуется тем, что поляризационные эллипсы частотных компонент лазерного света достаточно быстро (быстро по сравнению с темпом изменения поляризационного состояния лазерного пучка и постоянной времени приемника) меняются, в общем случае, как по своему угловому азимутальному положению, так и по своей эллиптичности. Соответствующий прибор называют деполяризатором Биллингса (ДБ) [7].

Во многих практических случаях удобной альтернативой этой деполяризации является псевдодеполяризация, реализуемая по более простой процедуре, а именно используется только быстрое и равномерное вращение вокруг волнового вектора лазерного пучка поляризационных эллипсов без изменения их эллиптичностей [8].

Сравнивая оба типа деполяризации, нетрудно заметить, что процесс псевдодеполяризации может быть более быстрым. Это определено тем, что при псевдодеполяризации за заданное время усреднения достаточно реализовать (перебрать) меньшее число поляризационных состояний, чем при деполяризации по Биллингсу.

Классический ДБ содержит как минимум два последовательно расположенных по ходу лазерного пучка электрооптических (э-о) кристалла (ячейки Поккельса) в качестве независимо управляемых фазовых пластинок с повернутыми относительно друг друга на 45° фазовыми осями [7]. Эти кристаллы управляются периодическими электрическими полями.

Псевдодеполяризация во времени может быть выполнена механическим способом. Простейшее устройство для этого - вращающийся полуволновый (λ/2) фазовый элемент (ФЭ), ФИГ. 3.

Известно [2, 3], что полуволновый ФЭ (например, стандартная кристаллическая λ/2 - пластинка 302, ФИГ. 3А), фазовая ось которого составляет угол ψ с какой-либо осью эллипса поляризации входного пучка, на выходе преобразует пучок так, что его поляризационный эллипс без изменения эллиптичности оказывается повернутым на угол 2ψ. В результате, если механически вращать этот ФЭ вокруг оси лазерного пучка с угловой скоростью ω, то на выходе ФЭ поляризационный эллипс пучка будет вращаться с удвоенной скоростью 2ω, что и требуется для псевдодеполяризации во времени. ФЭ может иметь вид не только λ/2-пластинки, но также его, при необходимости, можно выполнить в виде полуволновой конструкции из двух четверть-волновых призм Френеля 322 и 332 (ФИГ. 3B) (в литературе часто встречается термин «ромб Френеля», что не всегда верно, т.к. на практике форма оснований соответствующих призм обычно бывает ближе к параллелограмму [2, 3]). Конечно, составное устройство из призм Френеля громоздко, но иногда, в сравнении с кристаллической фазовой пластинкой, оно имеет преимущества. Так призмы Френеля менее резонансны и более термостабильны (т.е. фазовый сдвиг слабо меняется с длиной волны света и температурой) и обычно выполняются из дешевых стекол (в том числе из плавленого кварца), что позволяет изготавливать их практически любых размеров для работы с мощными лазерными пучками больших поперечных сечений.

Примеры полуволновых фазовых элементов для деполяризации лазерного пучка с длиной волны λ=1064 нм:

- λ/2-пластинка 302 из кристалла кварца (no=1,53410, ne=1.54282) с минимальной толщиной dmin=60,8 мкм, или

- из кристалла сапфира (no=1.75449, ne=1,74663) с минимальной толщиной dmin=67,4 мкм;

- две одинаковые λ/4-призмы Френеля 322 и 332 из плавленого кварца (n=1,4496), имеющие по четыре полных внутренних отражения в каждой призме, острые углы которых равны θ=74,06° (при малой расходимости лазерного пучка и в отсутствие больших температурных колебаний, в качестве альтернативы для уменьшения размеров призмы допустимы также углы θ=44,72°);

- две одинаковые λ/4-призмы Френеля 322 и 332 из изотропного кристалла YAG (n=1,8147), имеющие по два полных внутренних отражения в каждой призме, острые углы которых равны θ=62,08° (при малой расходимости лазерного пучка и в отсутствии больших температурных колебаний, в качестве альтернативы для уменьшения размеров призмы допустимы также углы θ=35,18°).

Электрооптическая псевдодеполяризация во времени

В противоположность ДБ с двумя э-о кристаллами, псевдодеполяризатор может состоять всего из одного э-о кристалла 402 (ФИГ. 4), управляемого двумя гармоническими напряжениями Ux и Uy, сдвинутыми по фазе на π/2 [1, 8, 13]. Амплитуды этих напряжений равны и подобраны так, что обеспечивают относительной фазовый сдвиг π между оптическими волнами в кристалле. Такой э-о кристалл эквивалентен механически равномерно вращающемуся полуволновому элементу, варианты которого изображены на ФИГ. 3, после которой все поляризационные эллипсы неопределенно поляризованного лазерного пучка вращаются без изменения эллиптичности с удвоенной угловой скоростью относительно скорости вращения этого элемента.

Таким образом, мы предлагаем использовать в описываемой оптической системе не только ДБ и механические деполяризаторы, но и монокристаллический псевдодеполяризатор в качестве их более простой и доступной замены.

Отметим, что необходимым условием качественной работы рассмотренных временных деполяризаторов является выполнение соотношения Δλ<<λ, что практически всегда выполняется, как минимум, на два порядка. Не менее важно и то, что при соблюдении этого условия для описанных процессов временной деполяризации с помощью полуволновых фазовых элементов совершенно не имеет значения случайный разброс по поляризационным состояниям отдельных частотных компонент в пределах полосы Δλ лазерного пучка.

Опишем более подробно принцип работы монокристаллического псевдодеполяризатора 402 (ФИГ. 4). Этот вариант псевдодеполяризации основан на использовании двойного поперечного эффекта Поккельса (ДПЭП) в кристаллах, имеющих в своих наборах элементов симметрии ось симметрии третьего порядка и допускающих линейный э-о эффект [1, 13]. Конфигурация ДПЭП предполагает пропускание света вдоль этой "тройной" оси и приложение двух управляющих электрических полей в перпендикулярном направлении. Из наиболее известных э-о кристаллов с такой осью симметрии (SiO2, LiNbO3, LiTaO3, GaAs, CdTe, Se, Te, …) для изготовления соответствующего псевдодеполяризатора, предназначенного для работы, например, в оптическом и ближнем ИК-диапазонах, лучше всего подходит одноосный отрицательный кристалл ниобата лития LiNbO3 (класс симметрии 3m) как обладающий самым большим э-о эффектом в упомянутой конфигурации света и электрического поля. ДПЭП в этом кристалле заключается в том, что при распространении света вдоль оптической оси Z (в одноосном LiNbO3-кристалле оптическая ось является одновременно и осью третьего порядка) первоначально круговое сечение оптической индикатрисы, ортогональное волновому вектору света, при приложении вышеуказанных полей вдоль кристаллофизических направлений X и Y, преобразуется в эллипс, главные оси которого оказываются повернутыми относительно осей X и Y на угол ψ, определяемый отношением полей Ex/Ey, а относительная фазовая задержка δ между вышедшими из кристалла ортогонально плоско-поляризованными оптическими волнами определяется модулем электрического поля

где λ - длина световой волны в вакууме (пусть λ=1060 нм),

no≈2,234 - коэффициент преломления в направлении оптической оси LiNbO3,

r22≈7·10-12 м/В - действующая компонента э-о тензора LiNbO3 [1],

L - путь света в кристалле в зоне приложенных полей Ex, Ey,

d - расстояние между противоположными гранями с электродами (пусть LiNbO3-призма имеет вид удлиненного параллелепипеда с квадратным сечением d×d, перпендикулярным оптической оси и световому пучку);

где Ux и Uy электрические напряжения, приложенные к двум ортогональным парам боковых граней LiNbO3-призмы с нормалями X и Y.

Из формулы (1) следует, что если приложить к электродам гармонические напряжения Ux и Uy с одинаковыми амплитудами Uo и частотами ω, но с фазовым сдвигом π/2, а именно Ux=Uo·sin(ωt) и Uy=Uo·cos(ωt), то из равенства двух тангенсов получим 2ψ=ωt. Последнее означает, что фазовая ось ФЭ, каковым теперь является кристалл, равномерно вращается вокруг волнового вектора света с угловой скоростью dψ/dt=ω/2. Если теперь, согласно формуле (2), подобрать такую амплитуду Uo=Uπ, чтобы δ=π, то для кристалла LiNbO3 будем иметь следующее характерное значение (в киловольтах) полуволновой амплитуды напряжения:

При этой амплитуде обоих гармонических напряжений кристалл LiNbO3 оказывается эквивалентен полуволновому ФЭ, например λ/2-пластинке, вращающейся с частотой ω/2, после которой любой поляризационный эллипс света без изменения эллиптичности равномерно вращается вокруг волнового вектора света с частотой ω[2÷4]. В результате при достаточно высокой частоте ω будет иметь место временное усреднение по мощности любых, относительно медленно меняющихся, ортогональных плоско-поляризованных состояний света.

Псевдодеполяризатор на основе полуволнового ФЭ любого типа обеспечивает деполяризацию как монохроматического, так и широкополосного лазерного излучения. Это объясняется тем, что в э-о кристаллическом или механическом псевдодеполяризаторе при работе даже с мощным широкополосным лазером (например, λ≈1064 нм, Δλ≈10 нм) выполнение условия Δλ<<λ обеспечивает для всех длин волн в пределах полосы Δλ практическое равенство либо полуволновых напряжений Uπ, либо толщин λ/2-пластинки, либо углов θ призм Френеля.

Одна из возможных конструкций описанного и испытанного в [8] LiNbO3-псевдодеполяризатора с двумя парами электродов изображена на ФИГ. 4.

Как следует из (3), амплитуда Uπ управляющих гармонических напряжений пропорциональна отношению d/L, выбором которого можно значительно снижать рабочее напряжение. Рассмотрим вариант псевдодеполяризации мощного коллимированного лазерного пучка (λ=1060 нм) диаметром, например, 5 мм. Избегая светового виньетирования, для LiNbO3-кристалла выберем размеры X:10×Υ:10×Ζ:40 мм с боковыми электродами 8×38 мм, тогда при отношении d/L=10/38=0,263 из формулы (3) получим реальную рабочую амплитуду Uπ≈1,8 КВ. При гармоническом виде обоих напряжений и при потенциальном характере э-о эффекта получать такие и даже большие амплитуды обычно не составляет труда, например, это можно сделать с помощью трансформаторов или путем использования резонансных контуров.

К сожалению, кристалл LiNbO3 имеет ограниченную спектральную полосу прозрачности. Так в коротковолновой области его реальное применение возможно только до, примерно, 400÷450 нм. В более коротковолновом диапазоне его поглощение быстро нарастает, что сопровождается стремительным падением порога разрушения от мощных лазерных пучков.

Практически единственной альтернативой этому кристаллу (с точки зрения использования «квадрупольной» конструкции в УФ-диапазоне, а также работы с высокомощными лазерными пучками) является значительно более стойкий к мощному оптическому облучению одноосный кристалл кварца SiO2 (класс симметрии 32). И хотя электрооптические свойства SiO2 более чем на порядок менее выражены, чем у LiNbO3, тем не менее, вследствие превосходно отработанной технологии получения оптически качественных кристаллов больших размеров, его применение для управления мощными пучками лазерного излучения может оказаться вполне возможным. При замене LiNbO3 на кварц само устройство псевдодеполяризатора по форме не меняется, за исключением его размеров и величин прикладываемых напряжений, которые теперь определяются следующими формулами [1]:

где размерность Uπ→KB,

no≈1,534 - коэффициент преломления вдоль оптической оси (λ≈1060 нм);

r11≈0,47·10-12 м/В - действующая компонента э-о тензора, [1]

При работе с излучением иттербиевого лазера и при выборе соотношения d/L=50 (например, d=4 мм, L=200 мм) из (6) получаем вполне приемлемую амплитуду гармонического напряжения Uπ≈6 КВ. В случае же более коротковолнового излучения, например с длиной волны четвертой гармоники λ=265 нм, эта амплитуда (с учетом дисперсий r11 и no) уменьшится примерно в 5 раз и окажется близкой к 1,2 КВ. С другой стороны, сохраняя 6 КВ-амплитуду, можно существенно укоротить кристалл, или, наоборот, увеличить размер d, что позволит увеличить поперечный размер входного пучка и тем самым снизить плотность лучевой нагрузки на кристалл.

Известно, что действия оптической активности и э-о эффекта аддитивны [2]. Из этого факта следует, что оптическая активность кварца не мешает описанному «вращательному» процессу псевдодеполяризации. Оптическая активность всего лишь добавит к вращению поляризационного состояния некоторый постоянный угловой сдвиг. Как можно понять из формул (1) и (4), на этот «вращательный» процесс не будет влиять также и схема приложения гармонических напряжений, т.е. не имеет значения - вдоль какой из осей (X или Y) кристалла LiNbO3 (или SiO2) приложено каждое из двух гармонических напряжений.

Деполяризация по спектру по методу Лио (Lyot-depolarization) - это вид деполяризации, при котором широкополосное излучение преобразуется так, что все возможные состояния поляризации распределяются по всем частотным компонентам в полосе длин волн Δλ, [9-11]. Деполяризатор Лио (ФИГ. 4) представляет собой конструкцию из двух последовательно расположенных кристаллических фазовых «пластинок», фазовые оси которых перпендикулярны распространению света и повернуты относительно друг друга на 45°. При этом длина L1 первой «пластинки» выбирается не менее длины когерентности лазерного пучка, длина же второй «пластинки», выравнивающей амплитудные проекции, вдвое больше. Фазовые «пластинки» могут быть выполнены не только из двулучепреломляющих кристаллов, но также и на основе анизотропных оптических PM-волокон (Polarixation Maintaining Fibers), например, типа «PANDA».

Этот тип деполяризации удобен в применении к широкополосному лазерному пучку. В противоположность этому, при узкополосном излучении Лио-деполяризацию использовать затруднительно из-за катастрофического увеличения длин (толщин) фазовых «пластинок». Исключением в случаях не слишком узкополосного излучения могут быть волоконные варианты исполнения. В отличие от всех временных деполяризаторов спектральная деполяризация по Лио осуществляется неуправляемыми стационарными элементами, а следовательно, в пучках, получаемых после поляризационного делителя, будет отсутствовать амплитудная модуляция.

Пространственная деполяризация - это вид деполяризации, при которой каждый элемент из множества малых элементов площади поперечного сечения лазерного пучка приобретает индивидуальное состояние поляризации, отличное от индивидуальных состояний поляризации других малых элементов площади [12]. Для этого типа деполяризации наиболее удобны варианты исполнения деполяризатора 102 в виде соединенных (например, посредством оптического контакта) двух кристаллов 722 и 732 с противоположными знаками оптической активности (ФИГ. 7). Такими кристаллами могут быть кварц SiO2, парателлурит TeO2, йодат лития LiIO3 [12]. Как и при деполяризации по спектру, реализация пространственной деполяризации осуществляется пассивными неуправляемыми элементами (ФИГ. 7) и, следовательно, не сопровождается модуляцией интенсивности света в последующих разделенных плоско-поляризованных пучках.

Разделение деполяризованного пучка на два плоско-поляризованных пучка

Для получения после деполяризатора пространственно разделенных плоско-поляризованных волн с равными мощностями (при деполяризации во времени - с равными средними мощностями) на пути деполяризованного пучка размещается поляризационный делитель (ПД) 104. В качестве примеров возможных поляризационных делителей можно привести клееные делительные стеклянные кубики с диагональной многослойной интерференционной пленкой внутри, или известные клееные двухкомпонентные кристаллические призмы-делители типа Рошона, Волластона, Сенармона, Томпсона и т.д. [2-4]. Необходимым условием нормальной работы ПД является его способность выдерживать длительное облучение лазерной мощностью, особенно когда эта мощность высокая. В этом последнем случае предпочтительны безклеевые ПД, в которых составляющие кристаллические призмы разделены тонким воздушным зазором [2-4]. Однако одним из существенных недостатков таких призм являются неустранимые отражательные потери при прохождении через зазор p-поляризованной компоненты света. Эти отражательные потери (они особенно недопустимы при больших световых мощностях) обусловлены тем, что при нормальном падении излучения на входную грань ПД, изготовленного из обычно применяемых в его конструкции кристаллов CaCO3, YVO4, α-BaB2O4, принципиально невозможно обеспечить безотражательное Брюстеровское преломление p-пучка на обеих поверхностях воздушного зазора [14].

В [14] предложен новый тип кристаллических безклеевых ПД, характеризуемых именно Брюстеровским преломлением p-пучка. В качестве примера на ФИГ. 8 показан один из вариантов монокристаллического ПД из ванадата иттрия YVO4 [14], способного выдерживать лазерное облучение высокой мощности. Действие нового ПД основано на том, что с помощью дополнительного анизотропного полного внутреннего отражения обыкновенной (о) и необыкновенной (е) волн на одной из полированных граней двулучепреломляющего кристалла 804 создаются условия для разделения пучков этих волн на удобные большие углы с минимальными отражательными потерями. Последнее достигается тем, что e-волна выходит в воздух из кристалла 804 поляризационного делителя в виде p-волны 805 под углом Брюстера (специфический расчет этого угла для e-волны в двулучепреломляющем кристалле приведен в [15]), а о-волна выходит через другую интерференционно просветленную грань по ее нормали в виде s-волны 806, при этом обе волны входят в ПД тоже через интерференционно просветленную входную грань по ее нормали. Кроме ванадата иттрия YVO4, аналогичные по действию и свойствам призменные ПД могут быть изготовлены также из таких известных и распространенных кристаллов как CaCO3, LiNbO3, LiIO3, TiO2, LiB3O5 (LBO), α-BaB2O4 (α-BΒΟ), β-BaB2O4 (β-BΒΟ). Очевидным недостатком монопризменного ПД (ФИГ.8) является Брюстеровское сжатие p-пучка в плоскости падения-преломления при его выходе в воздух (астигматическая аберрация). Для исправления этого астигматизма, а также для устранения дисперсионной и температурной зависимостей углового и позиционного положения p-пучка в [14] предложены простые комбинации идентичных призм 804 (ФИГ. 8). Один из примеров такой комбинации 904 из двух YVO4-призм 804 показан на ФИГ. 9.

Псевдодеполяризатор во времени и поляризационный делитель на одном кристалле

Если исходный лазерный пучок имеет относительно малое поперечное сечение, например 1 мм, то поляризационное разделение пучков можно осуществить на эффекте энергетического сноса e-волны в двулучепреломляющих кристаллах [2-4]. В этом случае можно применить монопризму, известную в лазерной технике в качестве двухэлектродного модулятора добротности лазерных резонаторов. В нашем варианте использования эта монопризма выполняет функцию одновременно псевдодеполяризатора 102 и поляризационного делителя 104. Кристалл для такой призмы должен характеризоваться не только сильным ДПЭП, но и хорошо выраженным двулучепреломлением. Сочетание этих двух качеств в оптическом и ближнем ИК-диапазонах наилучшим образом реализуется в LiNbO3-кристалле. На ФИГ. 5 показана соответствующая монопризма 502 из этого кристалла, но, в отличие от модулятора добротности, с четырьмя парными электродами 525. Пространственное разделение ортогонально плоско-поляризованных пучков здесь происходит при их анизотропном полном внутреннем отражении на грани 526, наклоненной относительно оси Ζ под углом α, и анизотропном преломлении в воздух пучков 505 и 506 на боковой грани 536, наклоненной к грани 526 под углом γ.

В сравнении с вышеописанными вариантами это устройство проще и компактнее, но недостаток его в том, что из-за меньших углов развода пучков оно удобно только для работы с лазерными пучками относительно небольших поперечных сечений. Ниже в таблице для этой LiNbO3-призмы в варианте α=γ приведены некоторые рассчитанные из уравнений Снеллиуса углы выхода и развода пучков (λ=1060 нм) в воздухе в зависимости от угла наклона α:

Управление плоско-поляризованными пучком

Теперь, когда из одного неопределенно поляризованного лазерного пучка 101 (ФИГ. 1) с помощью деполяризатора 102 и следующего поляризационного делителя 104 сформированы два пространственно разнесенных плоско-поляризованных пучка 105 и 106 с равными мощностями, нетрудно осуществить дальнейшее распределение каждого из этих пучков по очередным пространственно разделенным каналам с плоско-поляризованными пучками 110 и 111 в каждом канале и с любым соотношением мощностей в каналах. Для этого следует использовать любой преобразователь поляризационного состояния 107 в комплексе с очередным поляризационным делителем 109. Например, можно в качестве преобразователя применять известные ячейки Поккельса (или Керра) любых конструкций, а также управляемый ротатор поляризации Фарадея, магнитное поле в котором создается соленоидом с протекающим по нему регулируемым электрическим током.

Примером термостабильной и в то же время простой ячейки Поккельса может быть уже рассмотренная конструкция псевдодеполяризатора 402 (ФИГ. 4) на кристалле LiNbO3, но с тем отличием, что на боковые грани кристалла теперь нанесены не две, а одна пара параллельных электродов, нормали которых ориентированы по оси X (хотя допустима, конечно, ориентация и по оси Y). В этом случае, при подаче электрического напряжения Ux≠0 (Uy=0), исходное круговое сечение оптической индикатрисы приобретает форму эллипса, оси которого развернуты на 45° относительно «старых» осей X и Y, см. формулу (1). В таком варианте управления фазовая задержка δ между плоско-поляризованными волнами в кристалле будет определена напряжением Ux:

Если теперь, при X- или Y-ориентации плоскости поляризации светового пучка, входящего в LiNbO3-кристалл, менять напряжение Ux в пределах от нуля до Uπ (см. формулу (3)), то на двух выходах следующего ПД будет иметь место перераспределение световой мощности от нуля до максимального значения. Если напряжение Ux будет принимать только два крайних значения, а именно ноль и Uπ, то будет иметь место процесс пространственного переключения лазерного пучка по временному закону переключения этих двух значений напряжения.

В случае особо мощных лазерных пучков в этом преобразователе поляризации LiNbO3-кристалл можно заменить на более стойкий к излучению кристалл кварца SiO2 в тех же ориентировках света и оптической оси (в SiO2-кристалле ось третьего порядка является оптической осью). Единственное, что полезно при этом изменить в конструкции - это ориентировку двух параллельных боковых электродов, теперь их нормали более удобно ориентировать не по оси X, а по оси Y. Из формулы (4) следует, что для эллиптического искажения сечения индикатрисы по ±45°-направлениям следует прикладывать электрическое напряжение Uy≠0 (Ux=0).

Важным частным вариантом деления является распределение исходного пучка по пространственным каналам распространения с равными мощностями в каждом канале. В этом случае для преобразования поляризации плоско-поляризованных пучков удобно применять простейшие стационарные полуволновые и четвертьволновые фазовые элементы в виде λ/2- и λ/4-кристаллических пластинок, или соответствующих конструкций из пар λ/4- и λ/8-призм Френеля («ромбов» Френеля). При этом λ/2-фазовый элемент устанавливается так, чтобы его фазовая ось (в одноосном кристалле это оптическая ось, в двуосном - одна из осей оптической индикатрисы, а в конструкции из «ромбов» Френеля - это проекция плоскости, в которой располагаются основания призм) составляла угол 22.5° с плоскостью поляризации входного пучка, а фазовая ось λ/4-элемента составляла угол 45°. При таких установках плоскость поляризации либо поворачивается на 45° (действие λ/2-элемента), либо плоско-поляризованное состояние поляризации преобразуется в циркулярно поляризованное (действие λ/4-элемента). В обоих этих вариантах следующий поляризационный делитель пространственно разделит эти пучки по мощности поровну, правда для этого, в случае применения λ/2-элемента, поляризационные оси делителя должны быть ориентированы параллельно и перпендикулярно плоскости поляризации входного пучка.

Таким образом, описанное изобретение позволяет удобным и простейшим образом делить исходный лазерный пучок с произвольно меняющимися состояниями поляризации на любое число каналов распространения с любым управляемым соотношением мощностей в них. Единственным и достаточным условием для этого является первичная деполяризация поступающего лазерного пучка.

Краткое описание чертежей

ФИГ. 1. - Блок-схема многолучевой лазерной системы.

ФИГ. 2. - Блок-схема многолучевой лазерной системы с конвертированием частот.

ФИГ. 3. - Временной псевдодеполяризатор в виде:

ФИГ. 3A - механически вращающегося вокруг оси лазерного пучка полуволнового фазового элемента, выполненного как кристаллическая λ/2-пластинка.

ФИГ. 3B - механически вращающегося вокруг оси лазерного пучка полуволнового фазового элемента, выполненного как устройство из двух λ/4-призм Френеля.

ФИГ. 4. - Временной псевдодеполяризатор в виде электрооптического кристалла-параллелепипеда (d×d×L) с квадратным сечением и двумя парами боковых электродов.

ФИГ. 5. - Монопризма с функциями псевдодеполяризатора и поляризационного делителя на два пучка равной мощности.

ФИГ. 6. - Псевдодеполяризатор Лио на основе двух пассивных (неуправляемых) двулучепреломляющих кристаллов.

ФИГ. 7. Пространственный псевдодеполяризатор на основе оптически активных кристаллов, соединенных либо через оптический контакт, либо с помощью клея.

ФИГ. 8. - Пример поляризационного монокристаллического делителя с минимизированными отражательными потерями.

ФИГ. 9. - Пример поляризационного монокристаллического делителя с минимизированными отражательными потерями и с исправленным астигматизмом Брюстеровского пучка.

Осуществление изобретения

Изобретение было апробировано при управлении выходной мощностью непрерывного иттербиевого 10 Вт лазера на изотропном волокне (λ=1064 нм, Δλ=3 нм, гауссовый пучок диаметром 3 мм) производства группы компаний IPG, США (НТО «ИРЭ-Полюс», Россия). При апробации изобретения для изготовления временного и пространственного псевдодеполяризаторов и следующих преобразователей поляризации использовались кристаллы LiNbO3 и оптически активные кристаллы кварца, а для поляризационных делителей - широкоапертурные (9 мм×10 мм) кристаллические призмы из кальцита (CaCO3). В результате было получено как деление лазерного пучка с нестабильной поляризацией (поляризация изменялась посредством изменения положения изотропного волокна доставки) на несколько стабильных плоско-поляризованных пучков с любым соотношением мощностей в пучках, так и произвольное переключение двух 5 Вт плоско-поляризованных пучков по пространственно разделенным каналам распространения.

Некоторые элементы предложенного изобретения, перспективные для использования при работе с лазерными пучками повышенной мощности и примененные при апробации, в свое время были рассчитаны и исследованы в публикациях авторов [8, 12, 14, 15].

Полученные описанным образом пучки пригодны для применения в комплексных многолучевых роботизированных устройствах для одновременной, или последовательной во времени, обработки нескольких материалов, а также для нелинейной генерации различных лазерных гармоник в нескольких каналах.

На ФИГ. 2 показана оптическая система, в которой на путях распространения плоско-поляризованных пучков 210 и 211 размещены частотные конвертеры 212 и 213 соответственно на основе нелинейных кристаллов (или комплексы различных нелинейных кристаллов) для преобразования оптической частоты падающих лазерных пучков в различные гармоники, таких как вторая, третья, четвертая и т.д.

Промышленная применимость

Изобретение может быть эффективно применено при проектировании и производстве многоканальных роботизированных лазерных систем. С его помощью можно осуществлять скоростную многолучевую обработку материалов в параллельных процессах одновременно несколькими лазерными пучками с контролируемым соотношением мощностей, когда имеется лишь один исходный лазерный источник мощного излучения с нестабильной поляризацией.

Литература

[1] Мустель Е.Р., Парыгин В.Н., Методы модуляции и сканирования света, М., изд."Наука", (1970).

[2] Сиротин Ю.И., Шаскольская М.П., Основы кристаллофизики, М., изд."Наука, (1975).

[3] Born M., Wolf E., Principles of optics, 7th ed., (2007).

[4] Handbook of Optics (Geometrical and Physical Optics, Polarized LIGht, Components and Instruments), Third Edition, vol. 1, Editor-in-Chief: Michael Bass, Sponsored by the OSA.

[5] Ребрин Ю.К., Управление оптическим лучом в пространстве, М., Сов. Радио, (1977).

[6] Magdich L.N., Molchanov V.Ya, Acoustooptical Devices and their Applications, Gordon & Breach, (1989).

[7] Billings B.H., A Monochromatic Depolarizer, "Journal of the Optical Society of America", vol. 41, №12, p. 966-975, (1951).

[8] Davydov B.L., Mironov V.Yu., Time-domain Polarisation Scrambler on One Bulk LiNbO3 Crystal with Quadrupole Electrodes, "Quantum Electronics", vol. 40, №2, p. 183-187, (2010), Kvantovaya Elektronika &Turpion Ltd.

[9 Lyot В.], Annales de l'Observatoire de Paris (Meudon) Tome VIII, Facs. I (1929) "Recherche sur la polarisationde la lumière des planètes et de quelques substances terrestres"

[10] Richter P.H., The Lyot depolarizer in quasimonochromatic lIGht, "J. Opt. Soc. Am." 69, 460-463 (1979).

[11] Loeber A.F., Depolarization of white lIGht by a birefringent crystal. II. The Lyot depolarizer, "J. Opt. Soc. Am." 72, 650-656 (1982).

[12] Bagan V.A., Davydov B.L., Samartsev I.E., Characteristics of Cornu depolarisers made from quartz and paratellurite optically active crystals, "Quantum Electronics", 39 (1), p.73-78 (2009), Kvantovaya Elektronika &Turpion Ltd.

[13] Changsheng Li, Complete Polarization Conversion Using one Crystal with Dual Transverse Pockels Effect, "Applied Optics", vol. 47, №13, p. 2241-2251, (2008).

[14] Davydov B.L., Polarisation Splitting of Laser Beams by Large Angles with Minimal Reflection Losses, "Quantum Electronics", vol. 36, №5, p. 473-482, (2006), Kvantovaya Elektronika & Turpion Ltd.

[15] Davydov B.L., Yagodkin D.I., Compact Prisms for Polarization Splitting of Fiber Laser Beams, "Quantum Electronics", vol. 35, №11, p. 1064-1070, (2005), Kvantovaya Elektronika & Turpion Ltd.

1. Способ распределения лазерного излучения по разным направлениям в процессе лазерной обработки материалов , состоящий в том, что:
- осуществляют деполяризацию исходного произвольно поляризованного коллимированного пучка лазерного излучения,
- полученный деполяризованный пучок разделяют с помощью первого поляризационного делителя на первую пару плоско-поляризованных пучков с равными мощностями,
- преобразуют поляризационное состояние по крайней мере одного плоско-поляризованного пучка и делят его с помощью второго поляризационного делителя на вторую пару плоско-поляризованных пучков с заданным соотношением мощностей излучения.

2. Способ по п. 1, в котором преобразуют поляризационное состояние одного из плоско-поляризованных пучков и делят его поляризационным делителем на пару разнесенных в пространстве пучков, при этом процесс деления вновь полученных пучков повторяют множество раз.

3. Способ по п. 1, в котором исходный лазерный пучок деполяризуют во времени:
- по принципу Биллингса, при котором поляризационный эллипс лазерного излучения изменяет свою эллиптичность и угловое пространственное положение, или
- по принципу псевдодеполяризации, при которой независимые электрические векторы светового поля, соответствующие каждой оптической частоте в составе множества произвольно поляризованных частотных компонент в пределах ширины линии лазерного пучка, равномерно и многократно закручивают вокруг волнового вектора этого пучка, и далее делят с помощью поляризационного делителя на два плоско-поляризованных пучка равной средней мощности.

4. Способ по п. 1, в котором лазерное излучение деполяризуют:
- спектрально по принципу Лио (Lyot-depolarization principle), согласно которому частотные компоненты в пределах ширины линии лазерного пучка приобретают все возможные состояния поляризации, или
- по принципу пространственной деполяризации, при котором каждый элемент из множества малых элементов площади поперечного сечения лазерного пучка после деполяризации приобретает индивидуальное состояние поляризации, отличное от индивидуальных состояний поляризации других малых элементов площади.

5. Способ распределения лазерного излучения по разным направлениям в процессе лазерной обработки материалов, состоящий в том, что:
- осуществляют деполяризацию исходного произвольно поляризованного коллимированного пучка лазерного излучения,
- деполяризованный пучок разделяют с помощью первого поляризационного делителя на первую пару плоско-поляризованных пучков с равными мощностями,
- преобразуют поляризационное состояние по крайней мере одного пучка и делят его с помощью второго поляризационного делителя на вторую пару плоско-поляризованных пучков с заданным соотношением мощностей излучения, и
- любой из имеющихся плоско-поляризованных пучков подвергают частотному конвертированию.

6. Многолучевая лазерная система для лазерной обработки материалов, содержащая:
- лазерный источник с произвольно поляризованным коллимированным исходящим пучком;
- деполяризатор, установленный на пути исходного пучка для осуществления его деполяризации;
- первый поляризационный делитель, установленный на пути деполяризованного пучка для осуществления его деления на два плоско-поляризованных пучка с равными мощностями,
- устройство для изменения состояния поляризации, установленное на пути любого плоско-поляризованного пучка и обеспечивающее требуемое поляризационное состояние выходящего из него пучка;
- второй поляризационный делитель, выполненный с возможностью осуществления деления пучка с требуемым поляризационным состоянием на два плоско-поляризованных пучка с заданным соотношением мощностей.

7. Многолучевая лазерная система по п. 6, которая снабжена устройством для изменения состояния поляризации и поляризационным делителем для получения новой пары пучков на пути любого из плоско-поляризованных пучков, для размещения на пути любого из плоско-параллельных пучков и многоразового использования.

8. Многолучевая лазерная система по п. 6, в которой деполяризатор выполнен с возможностью осуществления деполяризации во времени по Биллингсу в виде пары электрически управляемых фазовых ячеек Поккельса на основе электрооптических (э-о) кристаллов, при этом световой пучок в паре фазовых ячеек распространяется перпендикулярно их фазовым осям, которые развернуты относительно друг друга на угол 45°.

9. Многолучевая лазерная система по п. 6, в которой деполяризатор выполнен с возможностью осуществления псевдодеполяризации во времени и представляет собой механически равномерно вращающийся вокруг оси лазерного пучка полуволновой (λ/2) фазовый элемент, выполненный:
- в виде λ/2-пластинки, изготовленной из двулучепреломляющего кристалла, или
- в виде устройства из двух призм типа четвертьволновых (λ/4) призм Френеля («ромбов» Френеля), при этом призмы изготовлены из оптического стекла или из прозрачных кристаллов кубического типа симметрии и установлены так, чтобы входящий и исходящий пучки были соосны.

10. Многолучевая лазерная система по п. 6, в которой деполяризатор выполнен с возможностью осуществления псевдодеполяризации во времени и представляет собой, по меньшей мере, один электрооптический элемент из кристалла с осью симметрии третьего порядка, вдоль которой распространяется пучок, а управление элементом осуществляется двумя электрическими гармоническими напряжениями одинаковой частоты, но сдвинутыми по фазе на π/2, с одинаковой амплитудой, равной полуволновому значению напряжения , создающими электрические взаимно ортогональные поля, силовые линии которых перпендикулярны оси третьего порядка, так что механически неподвижный электро-оптический элемент эквивалентен равномерно вращающейся λ/2-пластинке.

11. Многолучевая лазерная система по п. 10, в которой деполяризатор в виде электрооптического элемента совмещает в себе функцию поляризационного делителя за счет наличия наклонной к оси симметрии третьего порядка грани, на которой деполяризованный пучок испытывает анизотропное полное внутреннее отражение и расщепляется на два отдельных плоско-поляризованных пучка, выходящих наружу через боковую грань.

12. Многолучевая лазерная система по п. 6, в которой деполяризатор выполнен с возможностью осуществления спектральной деполяризации по принципу Лио (Lyot-depolarization principle) в виде пары фазовых элементов на основе двух оптически прозрачных анизотропных кристаллов или на основе двух анизотропных оптических волокон, фазовые оси которых повернуты относительно друг друга на угол 45°, при этом длина первого фазового элемента выбрана не менее длины когерентности лазерного пучка, а длина второго в два раза больше длины первого.

13. Многолучевая лазерная система по п. 6, в которой деполяризатор выполнен с возможностью осуществления пространственной деполяризации лазерного пучка в его поперечном сечении в виде составной призмы, собранной:
- из двух кристаллических клиньев с противоположными знаками оптической активности,
- или из двух клиньев, один из которых изготовлен из оптически активного кристалла, а другой выполнен из стекла или кристалла без оптической активности, чем достигается компенсация углового преломления циркулярно-поляризованных пучков,
при этом клинья ориентированы и соединены так, чтобы лазерный пучок проходил через каждый кристаллический клин вдоль направления максимальной оптической активности.

14. Многолучевая лазерная система по п. 6, в которой в качестве устройства для изменения состояния поляризации используют, по меньшей мере, одно управляемое внешним электрическим напряжением устройство на основе электрооптических ячеек Поккельса и/или Керра.

15. Многолучевая лазерная система по п. 6, в которой устройство для изменения состояния поляризации содержит, по меньшей мере, один управляемый ротатор Фарадея, в котором необходимое магнитное поле создается катушкой-соленоидом, а управление осуществляется путем изменения электрического тока через этот соленоид.

16. Многолучевая лазерная система по п. 6, в которой устройство для изменения состояния поляризации содержит стационарный фазовый элемент, обеспечивающий поворот плоскости поляризации пучка на угол β, определяемый требуемым соотношением мощностей пучков на выходе поляризационного делителя, и выполнено в виде:
- полуволновой λ/2-пластинки; или
- полуволнового устройства из двух прямых призм типа λ/4-призм Френеля («ромбов» Френеля), установленного своими входными и выходными гранями перпендикулярно лазерному пучку, при этом призмы изготавливают из оптического стекла или из прозрачных кристаллов кубического типа симметрии и собирают в единое устройство так, чтобы входящий и выходящий пучки были сосны; или
- оптически активного элемента, который является ротатором Фарадея или кристаллом с естественной оптической активностью.

17. Многолучевая лазерная система по п. 16, в которой угол β поворота плоскости поляризации пучка составляет 45° для деления мощности лазерного пучка пополам следующим поляризационным делителем, установленным таким образом, что один из выходящих из него двух плоско-поляризованных лазерных пучков поляризован параллельно плоскости поляризации пучка, входящего в устройство для изменения поляризации, а другой - ортогонально ей.

18. Многолучевая лазерная система по п. 6, в которой устройство для изменения состояния поляризации содержит фазовый элемент, выполненный с возможностью преобразования плоско-поляризованного состояния пучка в циркулярное для деления мощности пучка пополам на выходе поляризационного делителя, и выполнено в виде:
- четвертьволновой λ/4-пластинки, или
- четвертьволнового устройства из двух прямых призм типа λ/8-призм Френеля («ромбов» Френеля), установленного своими входными и выходными гранями перпендикулярно лазерному пучку, при этом призмы изготовлены из оптического стекла или из прозрачных кристаллов кубического типа симметрии и собраны в единое устройство так, чтобы входящий и выходящий пучки были соосны.

19. Многолучевая лазерная система для лазерной обработки материалов, одержащая:
- лазерный источник с произвольно поляризованным коллимированным исходящим пучком;
- деполяризатор, установленный на пути исходного пучка и осуществляющий его деполяризацию;
- первый поляризационный делитель, установленный на пути деполяризованного пучка и выполненный с возможностью его деления на два плоско-поляризованных пучка с равными мощностями;
- устройство для изменения состояния поляризации, установленное на пути любого плоско-поляризованного пучка и обеспечивающее требуемое поляризационное состояние выходящего из него пучка;
- второй поляризационный делитель для деления пучка с требуемым поляризационным состоянием, на два плоско-поляризованных пучка с заданным соотношением мощностей; и
- частотный конвертер для конвертирования частоты исходного излучения, установленный на пути любого плоско-поляризованного пучка.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах электропитания, связи, управления, телеметрии. Технический результат состоит в увеличении энергии взаимодействия электронов в пучке, а следовательно, мощности СВЧ-генерации и кпд системы электропитания.

Изобретение относится к лазерной технике. Импульсный двухрежимный твердотельный лазер содержит поворотную двухгранную прямоугольную призму для излома оси резонатора, активный элемент (АЭ), выполненный с ВКР-преобразованием, клиновый компенсатор, вторую двухгранную прямоугольную призму, составляющую с выходным зеркалом единый концевой элемент резонатора и лампу накачки.

Изобретение относится к области оптоэлектронной техники и касается оптоэлектронного передатчика. Оптоэлектронный передатчик состоит из источника питания, лазера, повернутого полупрозрачного отражательного зеркала, корректирующей линзы, электрического модулятора, малогабаритного фотоприемника и автоматического коммутатора.

Изобретение относится к лазерной технике. Оптическая система лазерного компрессора для лазерных установок с широкой апертурой лазерного пучка основана на паре параллельных дифракционных решеток с одинаковым периодом дополненной, по крайней мере, одной парой параллельных дифракционных решеток с одинаковым периодом.

Изобретение относится к области лазерной физики и технике формирования мощных импульсов СО2 лазера. Оно обеспечивает генерацию коротких импульсов большой энергии, имеющих минимальную угловую расходимость, что позволяет получать высокоинтенсивные пучки СО2 лазера, предназначенные, в частности, для создания лазерно-плазменного источника ионов. Устройство состоит из одномодового задающего генератора, работающего на линии Р(20) 10-мкм полосы СО2, оптической системы согласования и трехпроходового СО2-усилителя, образованного широкоапертурной активной средой СО2 лазера и резонансно-поглощающей ячейкой SF6+N2 (воздух) атмосферного давления, которые последовательно размещены внутри и на оси конфокального телескопа, включающего большое вогнутое и малое выпуклое зеркала.

Изобретение относится к области генерирования СВЧ колебаний и может использоваться в системе электропитания, связи, телеметрии. Достигаемый технический результат - повышение качества информации, передаваемой по СВЧ трафику, за счет повышения отношения сигнал/шум, увеличение КПД.

Способ относится к лазерной технике и может быть использован для создания устройства прямого самореферентного определения коэффициента квадратичной фазовой модуляции сверхкороткого оптического импульса.

Изобретение относится к источнику импульсного лазерного излучения, который включает в себя последовательно оптически связанные между собой лазер с непрерывным излучением, оптический коммутатор, блок согласования, средство оптической задержки, оптическое средство суммирования излучения, фокусирующую систему.

Изобретение относится к способу (варианты) и системе (варианты) для лазерной сварки и может быть использовано для соединения различных деталей друг с другом. Система содержит источник (1) лазерного луча, коллиматор (2) лазерного луча и фокусирующее устройство (3).

Изобретение относится к оптической технике. Компенсатор термонаведенной деполяризации γ0 включает в себя расположенный на оптической оси компенсирующий оптический элемент, установленный за поглощающим оптическим элементом.

Изобретение относится к способу производства стальной трубы с помощью лазерной сварки. Сварку выполняют с использованием множества лазерных лучей, каждый из которых имеет диаметр пятна, составляющий 0,3 мм или более на верхней поверхности открытой трубы.

Изобретение относится к способу изготовления многослойной монококовой конструкции (варианты) и может быть использовано в авиационной и ракетной технике. Сначала выполняют послойный электронный чертеж изготавливаемой конструкции.

Изобретение относится к способу изготовления изделий сложной формы из порошковых систем и может найти применение в разных отраслях машиностроения, например, для изготовления сопел, завихрителей, вставок и других элементов ракетных двигателей и турбин.

Изобретение относится к способу получения износостойкого покрытия на деталях и может найти применение при восстановлении изношенных и упрочнении новых деталей в различных отраслях машиностроения.

Изобретение относится к способу получения износостойкого покрытия на деталях и может найти применение при восстановлении изношенных и упрочнении новых деталей в различных отраслях машиностроения.

Изобретение относится к способу и устройству лазерной перфорации многослойных рулонных материалов и предназначено, в частности, для применения в космической технике при изготовлении экранно-вакуумной теплоизоляции космических аппаратов (КА).

Изобретение относится к лазерному сварочному устройству для сварки первой части листового металла со второй частью листового металла. Устройство содержит раму (5), поддерживающую головку (6), которая излучает лазерный луч (7), и насадку (8), которая подает сварочную проволоку (9), которые конфигурированы для образования валика сварного шва вдоль линии соединения между первой и второй частями листового металла.

Изобретение относится к способу изготовления листовых стальных изделий из заготовок из стального листа или стальных лент различной толщины и/или материалов. Заготовки свариваются друг с другом вдоль стыка с получением сварного шва (7), образованного кромками заготовок из стального листа или стальными лентами.

Изобретение относится к машине для получения полюсных пластин путем лазерной резки полосы. Машина содержит станину, узел лазерной резки, манипулятор для резки, предназначенный для приведения в движение узла лазерной резки, систему управления и, по меньшей мере, один узел подачи полосы.

Изобретение относится к способу лазерно-плазменной сварки металлов и устройству для его осуществления. Изобретение может быть использовано для сварки металлов, таких как сталь и алюминий, комбинированным лазерно-плазменным воздействием.

Изобретение относится к способу лазерной сварки труб большого диаметра. Перед сваркой продольного шва выполняют прихваточный шов, во время сварки которого с наружной стороны трубы, непосредственно перед зоной сварки упомянутым лазерным датчиком фиксируют через определенное расстояние по всей длине трубы три точки на виртуально получаемой поперечной плоскости разделки: точку стыка кромок и две точки их краев, лежащих на касательной к поперечной плоскости труб. Создают базу данных упомянутых расстояний между этими точками по длине трубы. На последующей операции лазерной сварки рабочего корневого шва используют полученную базу данных для определения положения краев кромок с помощью сканирующего лазерного датчика, находящегося в каждый момент времени в заданном положении по длине трубы, находят положение третьей точки - точки стыка кромок и наводят на нее лазерный луч путем перемещения сварочной головки. Технический результат заключается в повышении точности наведения лазерного луча на стык свариваемых кромок заготовки , что приводит к повышению качества сваренных труб. 1 ил.
Наверх