Пространственный фильтр лазерного излучения

(9)ен)5 Ь 02 В 27146, 27 2 ЗО ЕТЕНИЯ ПИСА СВИДЕТЕЛЪСТВ К АВТО РГ,Зобов и В,В.Спири ННЫЙ ФЙЛЬТР ЛА деление части лазер- получения заданной ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(57) Использование: вьного пучка с целью Изобретение относится к лазерной оптике, а именно к устройствам для выделения части лазерного пучка с целью получения заданной структуры излучения, и может быть использовано в лазерных системах с варьированием расходимости, мощности и поперечного распределения интенсивности излучения,Известно устройство, в котором для уменьшения лучевой нагрузки на диафрагму входной фокусирующий обьектив пространственного фильтра (ПФ) выполнен в виде вогнутого выходного зеркала лазерного резонатора, пропускающего 80 физлучения, а, около 200 отражающего на диафрагму диаметром 0,2 мм,Однако и в таком варианте конструкции фильтра диафрагма помещена в фокусе и подвергается бол ьшим лучевым нагрузкам.Наиболее близким к предлагаемому является пространственный фильтр, содержащий входной фокусирующий объектив,структуры излучения. Сущность изобретения: фильтр включает расположенные на оптической оси входной фокусирующий обьектив, рассеивающий объектив, диафрагмирующее устройство и выходной фокусирующий объектив. Суммарная оптическая сила объективов равна нулю, а диафрагмирующее устройство расположено за первой компонентой рассеивающего фильтра. Диафрагмирующее устройство выполнено из двух или более элементов.1 ил,выходной фокусирующий объекд иафрагму, тив,Вследствие того, что диафрагмирова- Я ние осуществляется в фокальной плоскости входного обьекта, лучевые нагрузки на диафрагму весьма велики, При работе с импульсным и импульсно-периодическим; излучением данный фильтр необходимо по-; Ь мещать в вакуум, так как в атмосфере неиз-00 бежно возникновение вблизи диафрагмы- ъ лазерной искры, экранирующей ее, Кроме того, известно, что форма отверстия диаф- ф) рагмы должна соответствовать Фурье-обра 1 зу пучка, входящего в пространственный фильтр, иначе возрастают потери вследствие виньетирования, искажается уг-. ловой спект пучка, растет доля энергии, поглощаемая диафрагмой и, соответственно, вероятность ее разрушения. Если сечение пада)ощего пучка - круг, то. круглое отверстие оптимально для фильтрации. Однако для лазерных пучков с сечением, отличным от круглого, форма отверстия должнасущественно отличаться от круглой, а в указанных устройствах выполнить это условиевследствие малых размеров отверстия технически сложно, если не невозможно. В .оптических схемах ПФ допуск на несоосность отверстия диафрагмы с осью сфокусированного лазерного пучка не превышает10 от размера отверстия. При превышении допуска резко возрастают лучевые нагрузки на диафрагму, поэтому в таких ПФ 10нужна ее тщательная трудоемкая юстировка с погрешностью 0,01-0,05 мм,Целью предлагаемого изобретения является расширение диапазона рабочихмощностей фильтра при одновременном упрощении его юстировки,Поставленная цель достигается тем, чтов пространственном фильтре лазерного излучения между входным и выходным фокусирующими обьективами расположен 20рассеивающий объектив, состоящий покрайней мере из двух компонент, причем.суммарная оптическая сила входного, рассеивающего и выходного обьективов равнанулю, а диафрагмирующее устройство расположено за первой омпонентой рассеива ющего объектива,Диафрагмирующее устройство выполнено из двух и более элементов, причем длякаждого последующего элемента диафрагмирующего устройства по сравнению спредыдущим хотя бы на части периметрапроходного отверстия выполняется соотношение а /Ьпа/Ь, где ап, ап 2 эф2 эф1аь,а 1 - расстояние от оптической оси 35до края апертуры соответствующего диафрагмирующего элемента; Ьф, Ьф - "эффективная" длина оптического пути междуглавной плоскостью входного фокусирующего объектива и соответствующим диафрагмирующим элементом, которая. равнаЬф = ОМ 1+ Х 1 М 1 при размещении диаф 2рагмирующего элемента между компонентами рассеивающего обьектива или Ьф=2=1 1 М 1+ 1.2 М 1 + Х 2 М 2 при размещении диафрагмирующего элемента между второй компонентой рассеивающего объектива ивыходным фокусирующим объективом, гдеО - расстояние между главными плоскостями входного фокусирующего объектива и 50первой компоненты рассеивающего объектива; М 1 - кратность системы. образованной этими двумя элементами; Х 1расстояние от главной плоскости первойкомпоненты рассеивающего объектива до 55плоскости соответствующего диафрагмирующего элемента; Е 2 - расстояние междугцавными плоскостями компонент рассеивающего объектива; Х 2 - расстояние отглавной плоскости его второй компоненты до плоскости соответствующего диафрагмирующего элемента; М 2 - кратность системы, образованной второй компонентной рассеивающего объектива и выходным фокусирующим обьективом, Величина а; удовлетворяет соотношению а; О;/2, где О - световая апертура фильтра в плоскости соответствующего диафрагмирующего элемента, а "эффективное" удаление последнего из этих элементов равно или превышает величину Оо/ао, где Оо - входная световая апертура фильтра, а - заданная угловая величина, на которую необходимо уменьшить расходимость фильтруемого лазерного излучения,На чертеже изображена оптическая схема предлагаемого устройства.Устройство содержит фокусирующий объектив 1, первую компоненту 2 рассеивающего объектива, вторую компоненту 3 рассеивающего . обьектива, выходной фокусирующий объектив 4, диафрагмирующий элемент или устройство 5, Оптическая ось обозначена как 0102. расстояние между главными плоскостями входного фокусирующего объектива и первой компоненты рассеивающего объектива Ь; расстояние между главными плоскостями компонент рассеивающего объектива2: расстояние между главными плоскостями второй компоненты рассеивающего объектива и выходного фокусирующего объектива Ез; расстояние от главной плоскости первой компоненты рассеивающего объектива до плоскости соответствующего диэфрагмирующего элемента Х 1; расстояние от главной плоскости второй компоненты рассеивающего обьектива до плоскости соответствующего диафрагмирующего элемента Х 2, входная световая апертура фильтра Оо; световая апертура фильтра в плоскости соответствующего диафрагмирующего элемента ОьПространственный фильтр лазерного излучения работает следующим образом.Лазерный пучок диаметром Ро фокусируется обьективом 1, затем рассеивается компонентами 2 и 3 рассеивающего объектива, из которых первая по ходу луча компонента 2 расположена ближе к входномуфокусирующему объективу 1, чем его фокальная плоскость. После этого пучок преобразуется в параксиальный с помощьювыходного фокусирующего обьектива 4. Суммарная оптическая сила всех обьективов равна нулю. Диафрагмирование пучка производится одним или несколькими диафрагмирующими элемснтами 5, размещенными за первой компонентой 2 рассеивающего объектива,Рассмотрим подробнее работу предлагаемого Пф лазерного излучения, Пусть. вовходной фокусирующий объектив 1 входитлазерный пучок диаметром Оо и расходимо. стью ао, По мере сжатия пучка его угловойспектр расширяется в М раз, где М - кратность уменьшающей системы. Это означает, что единица длины, пройденная сжатымв М раз пучком, эквивалентна длине, в Мраз большей, пройденной пучком с диаметром Оо.Таким образом, вводится понятие= ЬМ, где Ь - расстояние между главнымиплоскостями обьектива 1 и компоненты 2;М - кратность системы, образованной этими элементами.Для участка, ограниченного первой 2 ивторой 3 компонентами рассеивающегообъектива,1 эф =2 М ь где 12 - расстояниемежду главными плоскостями компонент 2и 3 рассеивающего объектива, Для участкамежду элементами 3 и 4 "эффективная" длина 1 эф = 1 зМ 2, где 1 з - расстояние междуглавными плоскостями второй компонентырассеивающего и выходного фокусирующего объективов; М 2 - кратность системы, образованной этими элементами, Общая"эффективная" длина Пф равна сумме "эффективных" длин указанных отрезков.При надлежащем выборе М 1 и М 2 "эффективная" длина Пф может быть во многораз больше геометричес.,ой, Выбор Ьф определяется из условия формирования дальней зоны пучка в месте размещениядиафрагмирующего элемента, Для лазерного пучка с дифракционной расходимостьюего структура приобретает вид, соответствующий дальней зоне, когда лазерный пучокпройдет от излучателя расстояние Оо /4 А,гдето, - длина волны, В случае пучка с реальной расходимостью ао значительное перемешивание лучей в, пучке происходит нарасстоянии Оо/ао,Таким образом, в предлагаемомустройстае за счет большой "эффективной" длиныперемешивание лучей и приближениеструктуры пучка к дальнопольной картиненаступает при небольших геометрическихдлинах, Наименьшее сечение фильтруемогопучка имеет на порядки большую площадь,чем площадь фильтруемого пучка в фокальной плоскости объектива устройства-прототипа, Например, в устройстве-прототипепри Оо = 100 мм, ао= 2 10 рад, фокусе-45 10 мм диаметр диафрагмы должен быть1 мм и она располагается в фокальной плоскости входного объектива, где очень высо.кие лучевые нагрузки, Кроме того, необходимо обеспечить . несоосностьсфокусированного пучка и отверстия диаф 5 рагмы не более 0,05 - 0,1 мм, что при длинефильтра 10 м вызывает определенные трудности (вследствие термодеформаций, вибраций и т.д.), Малые размеры отверстия непозволяют придать ему форму, отличающу 10 юся от круглой,В предлагаемом устройстве даже придифракционной расходимости дальнопольная картина образуется, если ЬфОо /4 А 2.15 12=3 м, имеем Ьф =10+ 3 10 + 10=-320м, т.е, условие дальней зоны выполнено, асечение диафрагмы на два порядка больше.чем в устройстве-прототипе. Благодаря этому легко обеспечить любую форму отвер 20 стия, а требования к точностивыдерживания соосности резко снижаются,Для увеличения лучевой стойкости диафрагмы 5 можно размещать ее не между компонентами 2 и 3 рассеивающего обьектива, а25 между компонентой 3 и обьективом 4 илидаже за последним,Теплоотвод при диафрагмировании может быть значительно увеличен, а формирование отверстия сложной формы облегчено,30 если испольэовать ряд диафрагмирующихэлементов так, что каждый последующий походу луча элемент затеняет пучок хотя бы наодной из сторон поперечного сечения илиее части. Это обеспечивается, если хотя бы35 на части периметра проходного отверстия выполняется соотношениеап /1 Пфап- /Ь-, ГДЕ ао, ао,.,а.а - РаССтОЯ 2 эфние от оптической оси до края апертурысоответствующего диафрагмирующего эле 40 мента; Ь, Ьф - "эффективная" длинаоптического пути между главной плоскостью входного фокусирующего объектива исоответствующим диафрагмирующим элементом, В противном случае первый же ди 45 афрагмирующий элемент виньетирует всеостальные, которые будут уже не нужны,Предлагаемое устройство с расширенным диапазоном рабочих мощностей и упрощенной юстировкой позволяет решить50 поставленную задачу, а именно: регулировка мощности, расходимости и поперечногораспределения интенсивности лазерногоизлучения, а также уменьшение габаритовпредлагаемого ПФ по сравнению с прототи 55 пом.П р и м е р. Экспериментальный макетимеет габариты 3 м. Входной и выходнойфокусирующие обьективы изготовлены в виде вогнутых металлических зеркал с фоку1748128 ректор П.Гереши тавитель В,Андронаред М,Моргентал Редактор С.Лисин акаэ 905 ВНИИПИ Го Тираж Подписноетвенного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Пройзводственно-издательскйй комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарино сом 1,1 м и апертурой 120 х 120 мм, Рассеивающий двухкомпонентный объектив выполнен из двух выпуклых металлическихзеркал, расстояние между которыми 3 м.Эффективная длина такого ПФ соответствует щ 320 м, что позволяет решать поставленную задачу с таким же эффектом, как и вустройстве-прототипе. Однако габаритыпредлагаемого ПФ в 3 раза меньше, диафрагмирующие элементы испытывают низкую лучевую нагрузку, требования к ихюстировке весьма низки,На основе предлагаемого устройстваможет быть создан ПФ лазерного излученияс простой Юстировкой и малыми габаритами 15для работы с мощными лазерными пучками,Таким образом, предлагаемое устройствовыгодно отличается от известных и можетэффективно применяться для целей коррекции пространственно-энергетических ха рактеристик лазерного излучения, например в схемах обращения волнового фронта,Формула изобретенияПространственный фильтр лазерногоизлучения, включающий размещенные наоптической оси входной фокусирующий объектив, диафрагмируюшее устройство и выходной фокусирующий объектив, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью расширениядиапазона рабочих мощностей фильтра при водновременном упрощении его юстировки,между входным и выходным фокусирующими обьективами расположен рассеивающийобъектив, состоящий по крайней мере издвух компонент, причем суммарная оптическая сила входного, рассеивающего и выходного обьективов равна нулю, адиафрагмирующее устройство расположе-но за первой компонентой рассеивающегообъектива,