Устройство для фокусировки оптического излучения в кривую линию (его варианты)

(19) (11) 0396 02 В 5/10, С 02 В 27/4 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ БРЕТЕНИЯ ПИСАНИ А ВТОРСКОМЪ ЕЛЬСТ К с фокусируемого ради пучк инаты Б,Ч Бюл. Ф 14 общей физи .Ломоносова арский, В.А Н.Сисакян,Н СССР т 0 тэ илов,Сойфе напра к его велич парам в088. 8)азеров лоскости х (г. у, (е) ины, опр ляю езис 1 докладов Л., 1983,рич дани онференции кальнои криво ч. 12. Ф 10, 1973,уо- Г чем х 2 (С)+у 2 (Е) - 1;окция Т(П,Ч) - решение уравнени(54) УСТРОЙСТВ ТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧ (ЕГО ВАРИАНТЫ) (57) 1. Устрой оптического из УСИРРИВУЮ КИ ОПЛИНИЮ ДЛЯ ф НИЯ В х, (Т) С+у, (Т) Ч-Д(Т) =О,е(Т) - функция, обратная кус тво дляученияиде фазо тли ровкию линиюптичесщ е е кривого полненное в го элемента,К Р(- 2чаю учшения каобеспечения я интенсивя тем, что, с цельюства фокусировки путе К 2-Б 2-- -ИП202Э авномерного расп ости сфокусирова е го полихрома ческого излучени вый оптический эл вдоль кривои, - длина окальнои криво ыполнен в мен параметр ния инте поверхнос- выражением ивого ркала, форпределяетс ти которого злучен ц,чЧ 2 расстоянии вность ц 2 и Ч)=( -(Тй, - фокусное Устройство П,Ч) - высота зеркальной поверхности оптического элемента в точке (Б,Ч) фокусатора Ш 2+Ч 2(К 2 ); тического излуч кого элемента,с я тем, что,целью улучшени"Арр 1. ОрСр, 2328,ыполненное в ви точки элемен системе координат с началом коордицентре оптическоемента и осью 02, вленной нормально ауссова распределивности падающегов котором интенасстояние элемента для фокусировки опия в кривую линию,е фазового оптичест л и ч а ю щ е е1303961 чества фокусировки путем обеспечения равномерного распределения интенсивности сфокусированного монохроматического излучения вдоль кривой, фазовый оптический элемЕнт выполнен в виде отражающей зоннойпластинки, рельеф зон которой описывается выражениемо,ч 1Ог +Чг2(Б Ч)=---- х (ТЯ Ч 015.2 ЗГ 2о+у,(й,)й,где 2(Б,Ч) - высота рельефа зон оптического элемента в точке,г .Б,Ч - координаты точки элемента в системе координатОБЧ с началом координатв центре оптического элемента и осью 02, направленной нормально к егоплоскости;К - радиус фокусируемогопучка;Ъ - длина волны падающегомонохроматического излучения; Изобретение относится к области создания сложных оптических элементов, служащих для преобразования волновых фронтов оптического излучения, и может быть использовано в установ ках, служащих для обработки различного рода изделий сфокусированным лазерным излучением.Цель изобретения - улучшение качества фокусировки путем обеспече ния равномерного распределения интенсивности сфокусированного полихроматического или монохроматического излучения вдоль кривой.На фиг. 1 изображено устройство для фокусировки; на фиг. 2 - сечение фазовой зонной пластинки (по п.2 формулы изобретения); а на фиг. 3 амплитудные маски оптических элементов, осуществляющих фокусировку опти ческого излучения в некоторые кривые. Й - фокусное расстояние элемента;х,(С),у,(С) - величины, определяющиепараметрическое заданиефокальной кривойЗ=х.Ч у,(с), Ог. т.,2=причем х +у (С)Е 1;функция Т(Б,Ч) - решение уравнения х (Т) С+у (Т) Ч- (Т) =0 где (Т) - функция, обратная к к т ( ) = -- -(1- ехр (- -) )"где 1. - длина фокальной кривой;0 - параметр гауссова распределения интенсивности падающего излучения, в котором интенсивность на расстоянии г от центра. пропорциональнаггехр (- - -) .2 бг В соответствии с первым вариантом устройства для фокусировки аазовый оптический элемент выполнен в нем в виде кривого зеркала, форма поверхности которого описывается выражением+у, (Т(0,Ч) )Ч) - ,где 2 Й,Ч) - высота зеркальной поверхности оптическогоэлемента в точ ке Й, Ч)фокусатора (1 Р -Чг(Кг );Б и Ч - координаты точки элемен.та в системе координатОБЧ с началом координатв центре оптическогоэлемента и осью 02, направленной нормально кего плоскости;(3) 50 Таким образом, однозначно определен прообраз каждой точки кривой и 55 тем самым отображение области фокусатора на фокальную кривую определяется функцией Т(П,Ч) - решением уравнениях, (Т) и+у. (Т) Ч- Р(Т) =О 2(ПьЧ) =-(1)о(П,Ч) / 2,К - радиус фокусируемогопучка;х (С),у (С) - величины, определяющиепараметрическое заданиефокальной кривой причем уфункция Т(Б,Ч) - решение уравнения х (Т) О+у, (Т) Ч- (Т) =0;где(Т) - йункция, обратная кцг -1Т( ) =- -- (1-ехр ( --- ) ) / х2-б г)гг пгх е его ( - , - ) с П2 гт где 1. - длина фокальной кривой;б - параметр гауссова распределения интенсивности падающего25излучения, в котором интенсивность на расстоянии г отцентра пропорциональнаггехр (- -- )2 дгГ - фокусное расстояние элемента.30При использовании монохроматического излучения (п. 2 формулы изобретения) фазовый оптический элемент выполнен в виде отражающей зонной пластинки, рельеф зон которых описывает ся выражением+у,(Ж,Вчем),где 2 Й,Ч) - высота рельейа зон опти -ческого элемента в точке- длина волны падающегомонохроматического излучения, выражение 1 А)означает дробную частьчисла А. Устройство работает следующим образом.Криволинейное зеркало (фиг. 1), уравнение поверхности которого дается выражением где ( (Б,Ч) - эйконал излучения, обеспечивающего требуемую фокусировку в точках на поверхности оптического элемента, фокусирует излучение в заданную кривую линию.Для определения функции с,(Ц,Ч) отметим, что задание функции Ц)(Б,Ч) в плоскости фокусирующего элемента (фокусатора) определяет отображение области фокусатора в фокальную плоскость 2=К по формулам хШ,Ч) =Б+й(1)М,Ч), УЫ,Ч) =Ч+й(р,й, Ч) .Использование (2) позволяет доказать, что в случае фокусировки излучения в гладкую кривую, заданную своей натуральной параметризациейБ=х .)уу (г.) Осе Ь хг (с)+уг ь 1, прообразом каждой точки (х(,(Т),у (С), 1) этой кривой при отображении (2) является прямая, уравнение которой х .) О+у .) Ч - (г.) =О. Условие равномерного распределения интенсивности сфокусированного излучения по фокальной кривой и задание распределения интенсивности падающего на фокусатор излучения по области оптического элемента позволяет однозначно определить функцию(С). Условие баланса энергии приводит к следующему выражению для функции Т, обратной к(Т) Г2Т= --- -(1-ехр(- - -х2 бгцгг у гхе его --- д Б.2 С)г Здесь предполагается, что интенсивность падающего на фокусатор излучения имеет гауссово распределение с параметромб, т.е. интенсивность излучения на расстоянии г от центрагг пучка пропорциональна ехр(- 2 в ,) .Использование (2) позволяет теперьопределить производныех (ТЖ Ч - Б-1 чМожно показать, что определенныетаким образом функции Чи с позволяют определить эйконал10+у, (ТЙ 9 Ч) )д Ч) (4)15обеспечивающий фокусировку оптического излучения в кривую с равномернымРаспределением интенсивности.При использовании монохроматического излучения устройство может бытьвыполнено в виде отражающей фазовойзонной пластинки, рельеф зон которойопределяется следующим образом.Поскольку эйконал монохроматического излучения длиной волны 3 определен с точностью до аддитивной константы, кратной 9 то зеркальная поверхность, форма которой описываетсявыражением (ш=1,2, ,М)К(Б,9) =-; -- - 9,(Б, Чф,щ 1формирует отраженное поле, полностьюаналогичное зеркальной поверхности (1), Здесь(П,Ч) определяетсявыражением (4), Это позволяет исполь 35зовать для фокусировки монохроматического излучения в кривую линию сравномерным распределением интенсивности сфокусированного излучения отражательную фазовую зонную пластинку, 40рельеф зон которой описывается выражением (5), Общая глубина рельефатакой зонной пластинки составляетпЪ/2. Рельеф зонной пластинки условноизображен на фиг. 2, В формуле (5)ш=1 дает рассматриваемое решение,Оптические Фазовые элементы предлагаемой формы, решающие задачу фокусировки оптического излучения в кривую линию, могут быть изготовленыразличными, существующими в настоящеевремя технологическими методами, например, механическими, фотолитографическими, ионного травления, методамисоздания намывного рельефа, Изготов 55ление подобных оптических элементовтребует высокой точности и связанос применением самой современной техники. В качестве примера устройства для Фокусировки оптического излучения в кривую линию были расчитань 1 и изготовлены методами намывного рельефа отражательные фазовые зонные пластинки, Фокусирующие излучение СО-лазера (9=1096 мкм) с радиусом пучка 1 2 см в кривые линии длиной 1 - 5 см при фокусном расстоянии до 100 см,На фиг. 3 изображены амглитудные маски оптических элементов и результаты Фокусировки при помощи этих элементов, Величина почернения амплитудной маски пропорциональна высоте рельефа зеркальной поверхности (по п. 2 формулы изобретения).Отметим, что предложение о нормальном падении излучения на оптический элемент использованное при выводе Формулы (1) и (5), не является принципиальным. В случае, когда излучение падает на оптический элемент под углом О к его нормали, зада. чу Фокусировки решает гладкая зеркальная поверхность (по п. 1 Формулы изобретения)оо(Бсоя 9 Ч)(6)2 соя 8или отражательная фазовая зонная пластина, рельеф зон которой описывается выражением( ) %Цо(0 сояйЧ) ( ) 2 сояЭЗдесь падающее излучение составГляет угол ; - 8 с осью ОБ.2Точно так же не является принципиальным предположение о гауссовом распределении интенсивности излучения в падающем пучке02 +Ч 21(0 Ч) ехр( ---- -)9 2 б 9Аналогичные оптические эпементы могут быть созданы и при произвольном распределении 1(Б,Ч) интенсивности излучения в падающем пучке, При этом является возможным получение произвольного непрерывного распределения интенсивности 1(С) сфокусированного излучения вдоль кривой. Для этого достаточно определить зависимость Т из уравненият(9) либо яп 0- . - =ия 1 п 6,иг где С определяетсях (Т) Б+уо (Т) 7 - Д с 0 (3)Здесь предполагается, что1 с 1 1=1оАналогично описанным выше элементам, работающим на отражение, задача фокусировки излучения в кривую может быть решена при помощи оптических элементов, работающих на прохождение, При этом толщина прозрачного оптичес. кого элемента с точностью до константы определяется выражением Г р (Цсоя 9,Ч)52(Б,Ч) =- -Ъ псоя 8 -сояд(10) где и - показатель преломления вещества элемента;10 6, - угол, определяемый уравнениемираж 522 Подписное Государственного комитета елам изобретений и открыт Москва, Ж, Раушская н