Фокусирующая линза

)5 6 02 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ВТОРСКОМ ИДЕТ В 2 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(57) Изобретение относится к оптике и может быть использовано в мощных лазерных установках для светосильной концентрации излучения на различные объекты, а также для создания оптических ретрансляторов, пространственных фильтров и т. д, Цель изобретения - упрощение конструкции при сокращении эффективности концентрации мощного лазерного излучения. Фокусирующая линза выполнена в виде светопреломляющего тела 1, ограниченного двумя осесимметричными поверхностями, одна из которых - 2 имеет ступенчатый неасферический рельеф, а другая - 3 выполнена неасферической. Приведен закон, в соответствии с которым выполнен ступенчатый рельеф, обеспечивающий высокую эффективность концентрации мощного лазерного излучения при относительно простой конструкции линзы. Возможно выполнение линзы с поверхностями ступенчато -сферической и сферической, ступенчато-сферической и и ской, а также ступенчато-плоской и сфери ской. 3 з.п, ф-лы,5 ил,(1) л - 1упеней, отсчитысложную повер1преломления м где Ь - высо сторону, про линзы без реП - ПОКд та ст тивоп льефа эательвол ема ст ла линзы,Л- длина нния;в 1 - положительнп 1 - целая часть;Ф (р(р - функция сфраций для линзы с нулевойней в плоскости 4, перпоптической оси 5 и касатеповерхности линзы;р оп) - расстояние до оэтой плоскости;ъ - расстояниер птической осст м рельефом,ы фокусируемого излучеое целое число; рических абер- высотой ступеендикулярной ьной выходной птическои оси в(ъ), до о упенчаты Изобретение относится к оптике и может быть использовано в мощных лазерных установках для светосил ьной концентрации излучения на различные объекты, а также для создания оптических ретрансляторов, 5 пространственных фильтров и т, д.Цель изобретения - упрощение конструкции при сохранении эффективности концентрации мощного лазерного излучения,На фиг. 1 показана линза с высотой сту пеней и ход оптических лучей в ней; на фиг.2 - зависимость функции сферических аберраций для линзы с нулевой высотой ступеней Ф р) в нижней полуплоскости, а также Ф(р) - ЬМ Ф(р)ЛЛ в верхней полуплоско сти от радиуса в выходной плоскости линзы; на фиг. 3 - зависимость высоты рельефа на поверхности линзы (в верхней полуплоскости) при коэффициенте преломления материала линзы и= 1,5 и р =р а также 20 функция сферических аберраций (в нижней полуплоскости) такой линзы; на фиг. 4 - распределение амплитуды поля в фокальной плоскости ( в отн. ед,) для идеальной . предлагаемой ( ) линз и линзы с нескомпен сированной сферической аберрацией ; на фиг. 5 - для линз-амплитуда поля (в отн. ед.) на оптической оси в фокальной области.Фокусирующая линза выполнена в виде 30 светопреломляющего тела 1, ограниченного двумя осесимметричными поверхностями, одна из которых (поверхность 2) имеет ступенчатый неасферический рельеф, а вторая (поверхность 3) выполнена неасфериче ской, При этом ступенчатый рельеф выполнен в соответствии с законом,5. Радиусы границ сту 16,8 ю пове , В этосвяз дрп =,О и испол ределяют, с инзы ступе геометр еет наибол р, обратив пенеи охностьслучае итая выходнЧдто ПЛОСКО оптическая е простой в яд Ф=Ф(р) ер=1,2,3. , и Находя уя - р радиус лучают границ ступе Функция р =р (рп) определяет геометрооптическую связь р с рп,Возможно выполнение линзы с поверхностями ступенчато-сферической и сферической, ступенчато-сферической и плоской, а также ступенчато-плоской и сферической,Фокусирующая линза работает следующим образом,Падающее излучение 6 преломляется входной поверхностью 3 линзы, распространяется в светопреломляющем теле 1 и преломляется на выходной поверхности 2 линзы, При этом наличие ступенчатого рельефа на поверхности линзы приводит к фазовой модуляции сходящегося волнового фронта прошедшего излучения, Это позволяет компенсировать сферическую аберрацию и получить распределение амплитуды и фазы поля в фокусе, близкое к соответствующему для идеальной линзы, При отсутствии у линзы ступенчатого рельефа (нулевой высоте ступеней) функция сферической аберрации в плоскости 4, перпендикулярной оптической оси и касательной выходной поверхности линзы, в общем случае имеет вид Ф(р) =а 1 р + а 2 р + азр а 4 р 1 О+.Пример Ф(р) показан на фиг. 2 (нижняя полуплоскость). В зависимости от коэффициентов аъ а 2. аз, 1 (р) может быть положительной, отрицательной и знакопеременной, Функция 1 р) - Л П 1 Ф р)/Л (фиг. 2, верхняя полуплоскость) всегда положительная и позволяет из условия (1) найти высоту ступеней поверхности 2 со ступенчатым рельефом.Для взятой 1(р(р, приводится высота ступеней рельефа в случае р =ри гп = 4 (фиг. 3, верхняя полуплоскость).Фазовая модуляция вследствие ступенчатого рельефа приводит к тому, что функция сферической аберрации на выходе линзы имеет кусочно-скомпенсированный вид(фиг. 3, нижняя полуплоскость).П р и м е р. Берут линзу диаметром 6=16 см с фокусным расстоянием 1=40 см со ступенчатым рельефом на одной из поверхнотей и функцией аберрацийДля подтверждения достигаемого эффекта проводят расчеты структуры поля в фокусе в дифракционном приближении Гюйгенса-Френеля. Длина волны излучения выбирается равной 1 мкм Параметр гп варьируется. С увеличением гп (фиг, 3, нижняя полуплоскость) компенсация сферической аберрации увеличивается, но одновременно возрастает число ступеней рельефа, т. е, трудоемкость изготовления. Расчеты показывают, что при гп=4 (фиг. 4 и 5) достигается высокая эффективность фокусировки излучения с помощью предлагаемой линзы (кривая ), приближающаяся к распределению для идеальной линзы без аберраций (кривая ), в то время как для случая линзы с аберрациями эффективность фокусировки неудовлетворительна (кривая ). Таким образом, уже при п 1=4 предлагаемая линза оказывается скорректированной по Марешалю. поскольку максимальная интенсивность в фокусе больше или равна 0,8 максимальной интенсивности в фокусе идеальной линзы. Для предлагаемой линзы радиус пятна фокусировки (радиус первого минимума амплитудного распределения поля в фокальной плоскости) совпадает со случаем идеальной линзы, Для нескорректированной линзы интенсивность в фокусе меньше в 324 раз по сравнению с идеальной; пятно фокусировки расплывается. Параметры рельефа предлагаемой линзы в рассмотренном примере: общее число ступенек 327, радиус ступеньки на оси линзы 1,9 см, ширина ступенек на кромке линзы 60 мкм, высота ступенек О, 0,5; 1 и 1,5 мкм при п=1,5, Ступенчатый рельеф на поверхности 2 может быть изго товлен различными методами. но наиболее приемлемым является фотолитографический способ с использовнием ионного травления, который позволяет изготавливать ступени шириной ), 1 мкм, что является за ведомо достаточным для предлагаемой линзы, Формула изобретения 1. Фокусирующая линза, ограниченная двумя осесимметричными поверхностями, одна из которых имеет ступенчатый рельеф, а вторая выполнена неасферической, о т л ич а ю щ а я с я тем, что. с целью упрощения конструкции при сохранении, эффективности концентрации мощного лазерного излучения, ступенчатый рельеф выполнен неасферическим в соответствии с закойомступеней, отсчитываемаявоположную поверхнос фа;ель преломления материа высотапроти ез рель покаэат окусируемого излуче ли щ 1 - положительное целое число; П 1 - целая часть;ф(р(рл - функция сферических аберраций для линзы с нулевой высотой ступеней в плоскости. перпендикулярной оптической Оси и касательной выходной поверхности линзы;р Ъ) - расстояние до оптической оси в ЭТОЙ ПЛОСКОСТИ;рп - расстояние, соответствующее р (рп) до оптической оси на поверхности со ступенчатым рельефом,2, Линза по и. 1, отл ича ю ща я с я тем, что одна из поверхностей линзы выполнена ступенчато-сферической, а другая - сферической. 3. Линза по и. 1, тем, что одна из пове нена ступенчато-сфе плоской.4, Линза по и, 1, о т л тем, что одна из поверхнос нена ступенчато-плоской, ческой. ичающаяся ей линзы выпол кой, а другая - ича ющаяся ей линзы выпол другая - сфери отл рхнос ричес) Составитель В.КравченкоРедактор Н,Бобкова Техред М.Моргентал каз 1238 Тираж 331 ВНИИПИ Государственного комитета по изобретен 113035, Москва, Ж, Раушскаяодписноем и открытиям при ГКНТ СССаб.; 4/5