CS255087B1

CS255087B1 - Optical element for seft-focusing of high-power laser rays

Info

Publication number: CS255087B1
Application number: CS864955A
Authority: CS
Inventors: Jiri Gardavsky
Original assignee: Jiri Gardavsky
Priority date: 1986-07-01
Filing date: 1986-07-01
Publication date: 1988-02-15
Also published as: CS495586A1

Abstract

Řešení spadá do oboru laserové techniky a to šíření laserových paprsků. Podstata řešení spočívá v tom, že alespoň jedním optickým prvkem je optický hranol (11), jehož výstupní optická plocha (3) je upravena pro úhel dopadu (<P ) laserového paprsku (4) v rozmezí Brewsterova úhlu dopadu (ΦΒ ) a kritického úhlu dopadu (Ψ C ) .The solution is in the field of laser technology namely, the spread of laser beams. The essence of the solution is that the at least one optical element is optical a prism (11) whose optical output area (3) is adapted for the incidence angle (< P) of the laser beam (4) in the Brewster range the angle of incidence (ΦΒ) and the critical angle of incidence (Ψ C).

Description

Vynález se týká optické soutavy k samofokusaci výkonných laserových paprsků, obsahující optické prvky.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to an optical competition for the self-focusing of high-power laser beams comprising optical elements.

Řada aplikací laserové techniky vyžaduje úpravy průměru a divergence laserových paprsků. Dosud se těchto úprav dosahuje fokusací optickými systémy s čočkami anebo se zrcadly.Many laser applications require adjustments in laser beam diameter and divergence. So far, these treatments have been achieved by focusing with optical systems with lenses and / or mirrors.

Nevýhodou způsobu fokusace laserových paprsků optickými systémy s čočkami anebo se zrcadly je složitost takových optických systémů a jejich citlivost k mechanickým dejustacím.A disadvantage of the method of focusing laser beams by optical systems with lenses or mirrors is the complexity of such optical systems and their sensitivity to mechanical exposures.

Mnohé z těchto nevýhod odstraňuje optická soustava k samofokusaci výkonných laserových paprsků podle vynálezu, jejíž podstata spočívá v tom, že alespoň jedním optickým prvkem je optický hranol, jehož výstupní optická plocha je upravena pro úhel dopadu laserového paprsku v rozmezí Brewsterova úhlu dopadu a kritického úhlu dopadu.Many of these disadvantages are overcome by the optical system for self-focusing high power laser beams of the present invention, characterized in that the at least one optical element is an optical prism whose output optical surface is adapted to the incidence angle of the laser beam between Brewster incidence and critical incidence .

Výhoda optické soustavy k samofokusaci výkonných laserových paprsků podle vynálezu spočívá v možnosti plynule měnit parametry samofokusace a realizovat optickou soustavu tak, aby při translaěnim posuvu vůči laserovému paprsku zůstaly parametry samofokusace zachovány.The advantage of the optical system for the self-focusing of the high-power laser beams according to the invention lies in the possibility of continuously changing the self-focusing parameters and realizing the optical system so that the self-focusing parameters are maintained when translating the displacement relative to the laser beam.

Fyzikální podstata vynálezu je objasněna na obr. 1, znázorňujícím samofokusaci laserového paprsku a na obr. 2 je znázorněn příklad provedení optické soustavy podle vynálezu ve schematickém náčrtku.The physical nature of the invention is illustrated in FIG. 1, illustrating the self-focusing of the laser beam, and FIG.

Fyzikální podstata vynálezu spočívá v samofokusaci výkonného laserového paprsku i_ při průchodu rozhraním 3. z opticky hustšího prostředí 11 s indexem lomu n^ do opticky řidšího prostředí 12 s indexem lomu n₂ pod úhlem dopadu φ, jehož hodnota je větší než je Brewsterův úhel dopadu Φ„ a menší než je kritický úhel dopadu Φ . což dává vztah —tJ —c arctg Uj/n^ = φ_β < φ ·< Φ. = arcsin n„/np (A)The physical principle of the invention consists in the self-focusing of the high power laser beam 1 as it passes through the interface 3 from an optically denser medium 11 with refractive index n 2 to an optically thinner medium 12 with refractive index n ₂ under an incidence angle φ. 'And less than the critical angle of incidence'. which gives the relation —tJ —c arctg Uj / n ^ = φ _β <φ · <Φ. = arcsin n '/ np (A)

Obě optická prostředí 11 a 12 jsou homogenní, izotropní a neabsorbující.Both optical media 11 and 12 are homogeneous, isotropic and non-absorbent.

Samofokusaci vzniká v rovině obr. 1 ve vzdálenosti L od rozhraní 2 místo s nejmenší šířkou laserového paprsku d^, ze kterého laserový paprsek dále diverguje pod úhlem 8. Parametry samofokusace L, d^ íi závisejí na výkonu laserového paprsku _4 a na velikosti úhlu dopadu fí dle shora uvedeného vztahu tak, že počínaje od prahového výkonu laserového paprsku 2, jehož hodnota je určena materiálovými konstantami optických prostředí 11 a 12, se pozoruje při zvětšování úhlu dopadu Φ vzrůst hodnoty divergence £ a současný pokles hodnot L a Parametry samofokusace nezávisejí na poloze místa dopadu 13 laserového paprsku 4 podél rozhraní 3.The self-focusing in the plane of FIG. 1 at the distance L from the interface 2 is the location with the smallest laser beam width d4, from which the laser beam further diverges at an angle 8. The self-focusing parameters L, d? I depend on laser power 4 and the angle of incidence According to the aforementioned relation, starting from the threshold power of the laser beam 2, the value of which is determined by the material constants of the optical environments 11 and 12, an increase in the divergence value δ and a simultaneous decrease in the L values are observed. the point of impact 13 of the laser beam 4 along the interface 3.

Na obr. 2 je optická soustava k samofokusaci výkonných laserových paprsků tvořena jediným optickým prvkem a to optickým hranolem 11 se vstupní optickou plochou 2, s výstupní optickou plochou 2 ^a s úhly Ji a 90+Φ. Optický hranol 11 je z optického skla o indexu lomu světla n^ a obklopujícím prostředím je vzduch 12 s indexem lomu světla n₂c n^.In Fig. 2, the optical system for self-focusing high-power laser beams consists of a single optical element, namely an optical prism 11 with an input optical surface 2, an output optical surface 2 ^and angles λ and 90 + Φ. The optical prism 11 is made of optical glass having a refractive index n 1 and the surrounding environment is air 12 with a refractive index n ₂ cm -1.

Vstupující laserový paprsek £ dopadá na vstupní optickou plochu 5_ pod úhlem dopadu a a je samofokusován průchodem výstupní optickou plochou 2 pod úhlem dopadu fí. Výstupní optická plocha 2 j^e upravena tak, aby v souladu se vztahem (A) byla splněna podmínka arctg η₂/η₁<^φ<· arcsin n^n^. Pokud je účelné snížit ztráty výkonu laserového paprsku i_ odrazem na vstupní ploše 5, je optická plocha 2 upravena tak, aby úhly a a £ byly rovny Brewsterově úhlu dopadu P = a = arctg n₂/n₂ a laserový paprsek £ je lineárně polarizován v rovině náčrtku.The incoming laser beam 6 impinges on the input optical surface 5 at an incidence angle α and is self-focused by passing the output optical surface 2 at an incidence angle β. Optical output face 2 ^e j adapted to comply with the relationship (A), the condition arctan η ₂ / η ₁ <^ φ <arcsin n · ^ n ^. If it is expedient to reduce the power loss of the laser beam 1 by reflection on the input surface 5, the optical surface 2 is adjusted such that the angles α and β are equal to the Brewster incidence angle P = a = arctg n ₂ / n ₂ and the laser beam β is linearly polarized sketch.

Optické soustavy podle vynálezu je možno s výhodou použít ve všech aplikacích laserové techniky, souvisejících s prostorovým koncentrováním výkonu laserových paprsků.The optical systems of the invention can be advantageously used in all laser applications related to spatial concentration of laser beam power.

PŘEDMĚT VYNÁLEZUSUBJECT OF THE INVENTION

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

An optical system for self-focusing high power laser beams, comprising optical elements, characterized in that the at least one optical element is an optical prism (11) whose output optical surface (3) is adapted to the incidence angle (φ) of the laser beam (4) within angle of incidence | » _B I and critical angle of incidence (Φ).

2 drawings