RU2113042C1

RU2113042C1 - Focusing device for high-power laser beams

Info

Publication number: RU2113042C1
Application number: RU97104200A
Authority: RU
Inventors: А.М. Забелин
Original assignee: Акционерное общество закрытого типа "Технолазер"
Priority date: 1997-03-18
Filing date: 1997-03-18
Publication date: 1998-06-10

Abstract

FIELD: power laser optics. SUBSTANCE: mirror focusing lens has reflecting mirror made of material transparent on laser beam wavelength with high refraction index; reflecting coating is applied to rear surface being cooled down and front surface of mirror is given anti-reflection coating. With oblique incidence on mirror, angle between incident and reflected beams equals θ. Mirror is wedge-shaped and placed between front flat surface and rear spherical surface at angle of α = θ/2n. With normally incident beams, wedge angle is assumed as 0 and curvature radii of front and rear surfaces of mirror relate as R₁/R₂= n. EFFECT: reduced aberration. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области силовой лазерной оптики и может быть применимо в устройствах фокусировки мощного лазерного излучения. Для процессов лазерной обработки материалов, как правило сфокусированное лазерное излучение. При мощности лазерного излучения, меньшей чем 3 кВт, обычно используют линзы. Однако с повышением мощности лазерного излучения увеличивается поглощенная линзой мощность, что в совокупности с плохим теплоотводом, только по периферии линзы, приводит к росту термонапряжений и разрушению линзы, поэтому для фокусировки мощного лазерного излучения используют зеркальные фокусирующие устройства. The invention relates to the field of power laser optics and can be applicable in devices for focusing high-power laser radiation. For processes of laser processing of materials, as a rule, focused laser radiation. When the laser radiation power is less than 3 kW, lenses are usually used. However, with increasing laser radiation power, the power absorbed by the lens increases, which, together with poor heat dissipation, only along the periphery of the lens, leads to an increase in thermal stresses and destruction of the lens, therefore, mirror focusing devices are used to focus powerful laser radiation.

Зеркальное фокусирующее устройство [1] включает охлаждаемые зеркала, имеющие переднюю и заднюю поверхность, причем передняя поверхность может быть сферической, а задняя поверхность имеет тепловой контакт с охладителем. На переднюю поверхность зеркала нанесено отражающее покрытие. Такие зеркала обладают малыми термодеформациями и термонапряжениями, поскольку отвод поглощенного на передней отражающей поверхности тепла происходит на задней поверхности зеркала, т.е. в непосредственной близости от места поглощения тепла, а не на боковой поверхности зеркала, что позволяет использовать их вплоть до очень больших мощностей лазерного излучения. The mirror focusing device [1] includes cooled mirrors having a front and rear surface, the front surface being spherical and the rear surface being in thermal contact with the cooler. A reflective coating is applied to the front surface of the mirror. Such mirrors have small thermal deformations and thermal stresses, since the heat absorbed on the front reflective surface is removed on the rear surface of the mirror, i.e. in the immediate vicinity of the place of heat absorption, and not on the side surface of the mirror, which allows them to be used up to very large laser radiation powers.

Недостатком устройства-аналога является то, что оно имеет значительные аберрации, особенно для пучков излучения, падающих под углом к отражающей поверхности зеркала. The disadvantage of the analog device is that it has significant aberrations, especially for radiation beams incident at an angle to the reflective surface of the mirror.

Фокусирующее устройство, которое наиболее близко к изобретению и является его прототипом, включает охлаждаемое зеркало, имеющую переднюю охлаждающую поверхность внеосевого параболоида [2]. The focusing device, which is closest to the invention and is its prototype, includes a cooled mirror having a front cooling surface of an off-axis paraboloid [2].

В таком фокусирующем устройстве существенно уменьшены аберрации, но оно является весьма трудоемким в изготовлении и дорогостоящим вследствие необходимости точно изготавливать асферическую переднюю отражающую поверхность. In such a focusing device, aberrations are significantly reduced, but it is very laborious to manufacture and expensive due to the need to accurately produce an aspherical front reflective surface.

Задачей изобретения является упрощение конструкции, упрощение изготовления и снижение стоимости зеркального фокусирующего устройства для мощного лазерного излучения при сохранении низких аберраций сфокусированного излучения. The objective of the invention is to simplify the design, simplify the manufacture and reduce the cost of the mirror focusing device for powerful laser radiation while maintaining low aberrations of focused radiation.

Фокусирующее устройство для мощного лазерного излучения (фиг. 1, 2) включает, согласно изобретению, поворотное зеркало, а также фокусирующее охлаждаемое зеркало, которое состоит из подложки 3, состоящей из материала, прозрачного на необходимой длине волны, имеющей переднюю 1 и заднюю 2 поверхность, по крайней мере одна из которых является выпуклой или вогнутой, причем на переднюю поверхность нанесено просветляющее покрытие 6 на необходимой длине волны, а на заднюю поверхность 5, находящуюся в тепловом контакте с охладителем 4, нанесено отражающее покрытие 7. The focusing device for high-power laser radiation (Fig. 1, 2) includes, according to the invention, a rotary mirror, as well as a focusing cooled mirror, which consists of a substrate 3 consisting of a material transparent at the required wavelength, having a front 1 and rear 2 surface at least one of which is convex or concave, moreover, an antireflection coating 6 is applied to the front surface at the required wavelength, and reflect is applied to the back surface 5, which is in thermal contact with the cooler 4, coating 7.

Устройство работает следующим образом. Лазерное излучение 8, отразившись от поворотного зеркала, два раза проходя последовательно линзу, образованную подложкой 3, ограниченной передней 1 и задней 2 поверхностями, и отражаясь от задней вогнутой зеркальной поверхности, испытывает фокусирующее действие, существенно более сильное, чем при отражении от единичной зеркальной поверхности с тем же радиусом кривизны. Следовательно, предлагаемое зеркало имеет при той же оптической силе в несколько раз большие радиусы кривизны оптических поверхностей, а значит, существенно меньшие аберрации третьего и высших порядков. Отвод, поглощенной доли мощности в материале подложки 3 и на покрытиях 6 и 7 происходит в охладитель за счет теплового контакта, осуществляемого через теплопроводящую прослойку или теплопроводящую пасту. Возможен также вариант непосредственного охлаждения отражающей поверхности жидким теплоносителем, например водой. The device operates as follows. Laser radiation 8, reflected from a rotary mirror, twice passing through a lens formed by a substrate 3, bounded by the front 1 and rear 2 surfaces, and reflected from the rear concave mirror surface, experiences a focusing effect that is significantly stronger than when reflected from a single mirror surface with the same radius of curvature. Therefore, the proposed mirror with the same optical power is several times larger radii of curvature of the optical surfaces, and therefore, significantly smaller aberrations of the third and higher orders. The absorption of the absorbed power fraction in the substrate material 3 and on the coatings 6 and 7 occurs in the cooler due to thermal contact through a heat-conducting layer or heat-conducting paste. It is also possible direct cooling of the reflective surface with a liquid coolant, such as water.

В качестве примера рассмотрим самый простой случай, когда передняя поверхность зеркала плоская, а задняя выпуклая с радиусом R. Оптическая сила такого зеркала
D = 1/F=2/R+2(n-1)/R=2n/R,
где
n - показатель преломления подложки; F - фокусное расстояние зеркала.As an example, we consider the simplest case when the front surface of the mirror is flat and the back is convex with a radius R. The optical power of such a mirror
D = 1 / F = 2 / R + 2 (n-1) / R = 2n / R,
Where
n is the refractive index of the substrate; F is the focal length of the mirror.

Из формулы видно, что оптическая сила в n раз больше, чем оптическая сила вогнутого зеркала с тем же радиусом кривизны. И, наоборот, для заданного фокусного расстояния необходимый радиус кривизны будет в n раз больше. В диапазоне длин волн наиболее используемого на практике CO₂-лазера 9-11 мкм удобным материалом являются селенид цинка, арсенид галлия и германий с показателями преломления n соответственно равными 2,4; 3,5 и 4,0.It can be seen from the formula that the optical power is n times greater than the optical power of a concave mirror with the same radius of curvature. And vice versa, for a given focal length, the required radius of curvature will be n times greater. In the wavelength range of the most used 9-11 microns CO ₂ laser in practice, zinc selenide, gallium arsenide, and germanium with refractive indices n, respectively, are 2.4; 3.5 and 4.0.

При падении на такое зеркало пучка излучения под углом α луч, пройдя границу раздела воздух-подложка, испытает преломление и угол падения уменьшится так, что

,
где
Θ - угол падения на заднюю зеркальную поверхность, который уменьшился в n раз и при этом такие аберрации как кома и астигматизм также существенно уменьшатся.When a radiation beam is incident on such a mirror at an angle α, the beam, having passed the air-substrate interface, will undergo refraction and the angle of incidence will decrease so that

,
Where
Θ is the angle of incidence on the rear mirror surface, which decreased by n times, while such aberrations as coma and astigmatism will also significantly decrease.

Оптимизируя соотношение радиусов кривизны передней и задней поверхности на предлагаемом зеркале, например, выбрав радиусы кривизны из соотношения R₁/R₂=n можно минимизировать сферическую аберрацию.By optimizing the ratio of the radii of curvature of the front and rear surfaces on the proposed mirror, for example, by choosing the radii of curvature from the ratio R ₁ / R ₂ = n, spherical aberration can be minimized.

Наиболее важное применение описанного выше охлаждаемого зеркала является использование его в качестве элемента фокусирующего объектива для лазерной резки. Для лазерной резки с высокой мощностью излучения используются двузеркальный объектив, состоящий из плоского и вогнутого зеркала при наклонном падении лазерного пучка на оба зеркала. Достоинством такого объектива является малое количество элементов и небольшой вес, недостатком - большое значение аберраций второго (астигматизм) и третьего порядка, прежде всего комы. Охлаждаемое сферическое зеркало, согласно нашему изобретению, значительно уменьшает аберрации, поэтому такое фокусирующее устройство позволяет существенно лучше сфокусировать излучение. The most important application of the cooled mirror described above is to use it as an element of a focusing lens for laser cutting. For laser cutting with high radiation power, a two-mirror lens is used, consisting of a flat and concave mirror with an inclined incidence of the laser beam on both mirrors. The advantage of such a lens is the small number of elements and light weight, the disadvantage is the great importance of second-order aberrations (astigmatism) and third-order aberrations, primarily coma. The cooled spherical mirror, according to our invention, significantly reduces aberrations, therefore, such a focusing device makes it possible to significantly focus the radiation.

Рассмотрим два варианта объектива, включающего фокусирующее охлаждаемое сферическое зеркало. Consider two lens options, including a focusing cooled spherical mirror.

1. Согласно первому варианту (фиг. 1) излучение падает на сферическое зеркало, предварительно отразившись от промежуточного зеркала, таким образом, что осевые линии входного и выходного пучков параллельны. При этом угол между падающим и отраженным лучами от охлаждаемого фокусирующего зеркала составляет θ. . 1. According to the first embodiment (Fig. 1), the radiation falls on a spherical mirror, previously reflected from the intermediate mirror, so that the axial lines of the input and output beams are parallel. In this case, the angle between the incident and reflected rays from the cooled focusing mirror is θ. .

Если в качестве охлаждаемого фокусирующего зеркала использовать рассмотренное выше зеркало с отражением на задней грани подложки и с клином между задней и передней поверхностями, равным

, причем задняя поверхность является сферической, а передняя плоской, то аберрации значительно уменьшаются.If we use the mirror considered above as a cooled focusing mirror with reflection on the back face of the substrate and with a wedge between the back and front surfaces equal to

, and the back surface is spherical, and the front is flat, the aberrations are significantly reduced.

При таком клине k сходящийся лазерный пучок, отраженный от зеркала, падает на плоскую грань перпендикулярно поверхности 1, в этом случае существенно уменьшаются аберрации третьего порядка. With such a wedge k, the converging laser beam reflected from the mirror falls on a flat face perpendicular to surface 1; in this case, third-order aberrations are significantly reduced.

В то же время с учетом того, что на искривленную поверхность 2 лучи теперь падают под углом θ/2, , то и астигматизм такого зеркала существенно уменьшается. При этом уменьшении астигматизма пропорционально n², т.е. при использовании селенида цинка происходит шестикратное уменьшение дефокусировки из-за астигматизма сферического зеркала. Для материалов с большим коэффициентом преломления, уменьшение астигматизма еще более значительное.At the same time, taking into account the fact that the rays are now incident on the curved surface 2 at an angle θ / 2, the astigmatism of such a mirror is also significantly reduced. With this decrease in astigmatism is proportional to n ² , i.e. when using zinc selenide, a six-fold decrease in defocusing occurs due to astigmatism of a spherical mirror. For materials with a large refractive index, the decrease in astigmatism is even more significant.

Дальнейшее улучшение фокусировки излучения предложенным объективом возможно при компенсации астигматизма фокусирующего охлаждаемого зеркала. Это возможно, во-первых, если в качестве поворотного зеркала использовать цилиндрическое, образующая цилиндрической поверхности которого лежит в плоскости падения излучения, а фокусное расстояние выбрано из условия компенсации астигматизма всей оптической системы. Возможно также изготовление одной из поверхностей фокусирующего охлаждаемого зеркала, например, передней, с цилиндрическим профилем поверхности для компенсации астигматизма другой (задней) сферической поверхности зеркала. Further improvement of the radiation focusing by the proposed lens is possible while compensating for the astigmatism of the focusing cooled mirror. This is possible, firstly, if a cylindrical one is used as a rotary mirror, the generatrix of which has a cylindrical surface lying in the plane of radiation incidence, and the focal length is selected from the condition of astigmatism compensation of the entire optical system. It is also possible to manufacture one of the surfaces of the focusing cooled mirror, for example, the front, with a cylindrical surface profile to compensate for the astigmatism of the other (rear) spherical surface of the mirror.

2. Согласно второму варианту (фиг. 2) излучение падает на сферическое зеркало перпендикулярно его поверхности, предварительно отразившись от плоского зеркала. После фокусирования сферическим зеркалом излучение проходит на объект через отверстие в плоском зеркале. Фокусирующий объектив, включающий сферическое зеркало, выполненное на задней поверхности прозрачной просветленной подложки, имеющее радиусы кривизны поверхностей с соотношением R₁/R₂= n, имеет существенно более низкие сферические аберрации, чем обычное отражающее сферическое зеркало.2. According to the second option (Fig. 2), the radiation falls on a spherical mirror perpendicular to its surface, previously reflected from a flat mirror. After focusing with a spherical mirror, radiation passes to the object through an opening in a flat mirror. A focusing lens including a spherical mirror made on the back surface of a transparent enlightened substrate, having radii of curvature of the surfaces with a ratio of R ₁ / R ₂ = n, has significantly lower spherical aberrations than a conventional reflecting spherical mirror.

Claims

1. A focusing device for high-power laser radiation, including a rotary mirror, as well as a focusing cooled mirror, consisting of a substrate having front and rear surfaces, at least one of which is convex or concave, and a cooler having thermal contact with the rear surface of the mirror characterized in that an antireflection coating is applied to the front surface of the focusing cooled mirror at a wavelength of laser radiation, the substrate material is transparent to laser radiation at said wavelength and has a high refractive index and a reflective coating applied to the rear surface of reflecting mirror having a thermal contact with the coolant.

2. The device according to claim 1, characterized in that the front and rear surfaces of the focusing cooled mirror are rotated relative to each other by an angle equal to θ / (2n) where θ is the angle between the incident and reflected rays; n is the refractive index of the substrate.

3. The device according to claim 2, characterized in that the rotary mirror has a cylindrical reflective surface, the generatrix of the cylindrical surface lying in the plane of incidence of radiation on the mirror or perpendicular to it, and the focal length of the rotary mirror is selected from the condition of compensation for the astigmatism of the entire focusing lens.

4. The device according to claim 2, characterized in that the focusing cooled mirror has a cylindrical front surface oriented so that the generatrix of the cylindrical surface lies in the plane of incidence of radiation on the mirror, and its radius is selected from the condition for compensating astigmatism of the focusing lens.

5. The device according to claim 1, characterized in that the focusing cooled mirror has radii of curvature of the front R ₁ and rear R _{2 of the} spherical surfaces, which are selected from R ₁ / R ₂ = n.