Устройство для фокусировки оптического излучения в прямоугольник с равномерным распределением интенсивности (его варианты)

(5 д 4 С 02 В 5/10, С 02 В 27/4 СЕгМ фф 07 / ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ РАВНОМЕРНЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ИНТЕНСИВНОСТИ (ЕГО ВАРИАНТЫ).(57) 1. Устройство для фокусировкиоптического излучения в прямоугольникс равномерным распределением интенсивности, выполненное в виде фазовогооптического элемента, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью улучшения качества фокусировки путем формирования заданного непрерывного распределения интенсивности полихроматического излучения, фазовый оптический элемент выполнен в виде кривогозеркала, форма поверхности которогоописывается выражением 1 Г Пг + Ч 2(П Ч) = -- , - ---- + ф 2 2 йЯ Ч его где Е(П,Ч направлению падающему излучению);- фокусное расстояние эл мента;высота зеркала в точкеЖ,Ч) оптического элемента;координаты точки в сис теме координат ОПЧ (осОЕ противоположна по 22,у Пге Ег 1(-- -) с П2 гЭ х = 2 и (1- ехр ( - - , -- ) ) огК2 г стороны прямоугольника(Ь ) а), расположенногов плоскости Е = й;параметр гауссова распределения интенсивности падающего на элементизлучения, в котором интенсивность н нии г от цент расст пропо- )2 г циональна ехр (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Институт общей физики АН СССРи МГУ им. М.В. Ломоносова(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОКУСИРОВКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ПРЯМОУГОЛЬНИК С Е - радиус фокусируемого пучка,13142912. Устройство для Фокусировки оптического излучения в прямоугольник с равномерным распределением интенсивности, выполненное в виде фазового оптического элемента, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью улучшения качества фокусировки путем Формирования заданного непрерывного распределения интенсивности монохроматического излучения, Фазовый опти -ческий элемент выполнен в видеотражающей зонной пластинки, рельеф зон которой описывается вы -ражением О Г Цг Ч 2 Е) Ч) =------У с) -2 ЙЛ ЕЛ) 2 ег 2 а ЛI27/У Ч е)-С (Ч/1 252) + 262 ехр (2 цгЛ/2 иг е).1 ( -- . - )й22 чения;Х- функция, определяемая из соотношения и42 кг Ц 2е" Е)"1( , - ;-) 3 Ц;2 6 - параметр гауссова распределения интенсивности падающего излучения, в котором интенсивность на расстоянии г от цент 2 формулы изобретения), на Фиг, 2 сечение Фазового зонного элемента (по п. 2 формулы изобретения); на фиг.З амплитудная маска Фазового зонного элемента, в которой плотность почернения пропорциональна высоте рельефа, и результат работы этого элемента.В соответствии с первым вариантомв Фокусирующем устройстве фазовый оп тический элемент 1 выполнен в видекривого зеркала, Форма поверхности которого описывается выражением где 2 Й,Ч) - высота рельефа в точке(Ц,Ч) оптического элемента;Б,Ч - координаты точки в системе координат ОП (осьОЕ противоположна понаправлению падающемуизлучении); 2 ЬХ -Гг2762 (1- ехр (- в ,2)2 Изобретение относится к оптике и может быть использовано в установках, служащих для обработки различного рода изделий пучками сконцентрированного лазерного излучения,Цель изобретения - улучшение качества фокусировки путем Формирования заданного непрерывного распределения интенсивности палихроматическаго или монохроматического излучения,На фиг, 1 изображено устройство, работающее на отражение (по п,п. 1 и- фокусное расстояние элемента;- длина волны падающего монохроматическога излура грапарциональна гг ехр (- - )4291 15 ООт -Чгр Ст/ Й= --- -+ -х(Ысап 5.о Функция Х однозначно определяется заданием интенсивности сфокусированного изображения (закон сохранения энергии): х (Н Ч)-НЧцу Я,ч)-чч(и,ч),Ниже считаем, что 30 ТЙ,Ч) с Б с 1 Ч = 1 Отсюда, для гауссова пучка 2 Ь -092 ГН- - СРх- е е (-- ) сН26/271 (1.ехр ЕРР/2 Ьо Решение задачи фокусировки в пря- где хо(Н,Ч) и уЖ,Ч) определены моугольник с равномерным распределе- соотношением (2) при ц(Н,Ч)= ч(Б,Ч) нием интенсивности сфокусированного излучения будем искать в виде: х(Н,Ч)=х(Н,Ч)+ х Я,ч);Условие постоянства интенсивности сфокусированного излучения в прямоугольник -Ьх 4 Ь; -ауа запишется в виде: у(О,Ч) =у (О,Ч) + р у (Н,ч), х 1(Н,Ч)= 4 аЬТ(Б,Ч). (5)у (Нтч) у" (О Ч) 55Учитывая члены первого порядка по 7 Отгде КЫ) =2 1(Б,Ч) сч / Ь р получим, что 21 ШЧ) у": ----- ТЫ Ч)= --- д о(о Ч)КШ)5 131Задание функции / (О,Ч) в плоскости фокусатора определит отображение области фокусатора в фокальную плоскость Е=Й (задание функцииЙ,Ч) определяет как пойдет луч света из точки Й,Ч) фокусатора) по формуламх = х (О,Ч) = О + й; у =у Ж,ч) =Ч+Ю,. (2) Наибольший интерес для практики представляет случай, когда одна из сторон прямоугольника существенно больше другой (Ь ) За). В этом случаеа--- малый параметр, Если функЬции хЯ,Ч) и у(О,Ч) найдены, то эйко - нал Я,Ч) находится интегрированием соотношений Найдем сначала решение задачи фокусировки при и =О, когда фокусировка осуществляется в отрезок оси Ох (-ЬхЬ) с равномерным распределе - нием интенсивности, В этом случае прообразом любой точки х отрезка - Ь .х ( Ь; у = О, 2 = й является отрезок прямой в плоскости оптического элемента, параллельный оси Оч. Учиты вая (3), получаем формулу для эйконала Ч,Й,Ч), решающего задачу фокусировки при р = О с равномерным распределением интенсивности сфокусированного излучения(6) о1Для определения х ,Ч) воспользуемся соотношением (2), откуда х,",= = УоУчитвая, что х Ж,О) = 0 получаем, что 5Теперь согласно формулам (6), (7)и (3) находим эйконал ц(П,Ч), решающий задачу фокусировки в прямоугольник -Ь( х сЬ; -а у са Ч20 1(ПЧ) о к(0)о(8) где Ч (Б,Ч) определено формулой (4). 15 кальная поверхность, форма которой При условии гауссова лазерного описывается выражением: 2(Б,Ч) = -ср(П Ч)1 3; гЗначение эйконала ф(Б,Ч,2) вблизи плоскости 2 = 0 представляется в виде: 20 25 Ф 1 Ш,Ч,2) = (Б,Ч) + 2 Эйконал падающего на элемент излучения - ф, Ж,Ч,2) = - 2.Теперь уравнение для зеркальной 30 поверхности, решающей поставленную задачу, находится из соотношения При наклонном падении излучения 3+ 22= ооБ 1, Отсюда,2 (П,Ч) = - - , р (П,Ч)+сопз 1, (9) 1 40 2 Ы Ч) = - Р ТссзВ Ч) (соз В + - , ---- ,1 сопя 2 ( 2 созВ Соответственно для зонной пластинки 45 Е(ТЛ т):-РР ссс ,Ч -111) 2 соз В В качестве примера устройства дляфокусировки оптического излучения в 50 прямоугольник с равномерным распределением интенсивности сфокусированного излучения были изготовлены зеркальные фазовые зонные пластинки,фокусирующие пучок С 02-лазера ( 3 = 55 = 106 мкм) В прямоугольник с соотно -шением сторон= 0,01 и р = 0,2 соответственно и равномерным распределением интенсивности сфокусированного излучения (фиг. 3). где 4 (П, Ч) определено соотношением (8).Предлагаемые варианты устройства для фокусировки излучения в прямоугольник с равномерным распределением интенсивности сфокусированного излучения основаны на использовании формулы (8). Формула (9) описывает устройство, выполненное в виде гладкого зеркала, решающего задачу фокусировки.При использовании монохроматического излучения с длиной волныэйконал определен с точностью до величин кратных , поэтому изменение константы в формуле (9) на величину, кратную , не изменит поля отраженного излучения, Таким образом, зерформирует отраженное поле полностьюаналогичное зеркальной поверхности(9). Это позволяет использовать дляфокусировки излучения отражающую зеркальную зонную пластинку, рельеф которой задан формулой (10). Максимальная высота рельефа составляет 3 /2.Применение этого варианта устройствапозволяет использовать для изготовления оптических элементов развитыеметоды, в частности фотолитографииФиг,2 Составитель В, Кравченко Техред В, Кадар Корректор С. Черни Редактор А. Ревин Заказ 2210/47 Тираж 522 ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб д. 4/5Подписное Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная,9 131429Изготовление устройствапо пункту 1 формулы изобретенияможет быть выполнено обычныммеханическим способом, однако для полученияпофиля зеркала с высокой степенью точности требуются специальные станки с программным управлением. 1 10Отметим, что, заменив в формуле(10) Д на т Я, где в=1,2 М,получим отражающую зонную пластинку,максимальная высота рельефа которойтп гравна2