NL8105118A

NL8105118A - Werkwijze om uitgaande van een evenwijdige stralenbundel zo gelijkmatig mogelijk een vlak te verlichten en inrichting voor laserdiagnostiek.

Info

Publication number: NL8105118A
Application number: NL8105118A
Authority: NL
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich
Priority date: 1980-11-26
Filing date: 1981-11-12
Publication date: 1982-06-16
Also published as: DE3044470A1; JPS57154201A; BE891061A; US4451872A

Description

----------------------------- . .. --- ..... .-.. ---------------------- -------'--------- *4. -'3· - 1 -

Werkwijze om uitgaande van een evenwijdige stralenbundel zo gelijkmatig mogelijk een vlak te verlichten en inrichting voor laser-diagnostiek.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze om uitgaande van een evenwijdige stralenbundel met een willekeurige verdeling van de stralingsintensiteit zo gelijkmatig mogelijk een vlak te verlichten.

5 Een gelijkmatige verlichting van een vlak is, uitgaande van een evenwijdige stralenbundel van belang voor kwantitatieve onderzoekingen van optische verschijnselen,die elkaar onderling wederzijds beïnvloeden, zoals bijvoorbeeld bij de laser-diagnostiek. Veelal kan een gelijkmatige verdeling van de inten-10 siteit echter en in het bijzonder in geval van laserstralen slechts onder een zeer hoog verlies van de totale intensiteit door middel van een afschermingsregeling worden bereikt. Bovendien kern daarbij dikwijls de totale intensiteit, doch niet de intensiteifsverdeling op reproduceerbare wijze worden ingesteld, zodat ook de afschermings-15 regeling niet met zekerheid tot het gewenste resultaat leidt.

Volgens de uitvinding wordt een intensiteits-vergelijking in een loodrecht op de stralingsrichting verlopend vlak verkregen doordat in de loop van de stralen loodrecht op de stralingsrichting ervan een in het algemeen plan-convexe facetten·’* 20 lens met congruente vierkante of zeskante vlakelementen op een afstand vanaf het te verlichten vlak wordt aangebracht, die met de verenigingsafstand van de bundel overeenkomt.

Met behulp van een dergelijke facettenlens kan uit een bundel evenwijdige stralen met een willekeurige verdeling 25 van de stralingsintensiteit door superponeren van de op de afzonderlijke vlakelementen invallende gedeeltelijke stralingsbundels met dezelfde doorsnede op een bepaalde afstand van de facettenlens - dit wil zeggen de verenigingsafstand - een in verregaande mate gelijkmatige verdeling van de intensiteit worden bereikt.

30 De werkingswijze van een dergelijke facettenlens zal aan de hand van de bijgevoegde tekeningen in het volgende nader 8105118 __ 4 - 2 - worden toegelicht. Hierbij geven of geeft: fig. 1 en 2 de algemene loop van de stralen door een facettenlens weer; fig. 3 en 4 modellen vooringenomen intensiteits-5 verdelingen in de invallende stralingsbundel weer; fig. 5 da aan elkaargrenzende vlakelementen van een facettenlens met zeskante facetten weer; fig. 6 krommen voor de intensiteitsafwijkingen in de gesuperponeerde stralingsbundel weer en voor de overdracht 10 en wel in afhankelijkheid van de verhouding van de straal van de omtrekscirkel om de facetten tot de straal van de stralenbundel waarbij de intensiteit tot de waarde 1/e is verminderd; en fig. 7 een schematische afbeelding voor de toepassing van de facettenlens weer.

15 In de tot verduidelijking van de werkingswijze van de uitvinding afgeheelde schematische schets volgens fig. 1 is een gedeelte van een facettenlens 1 geïllustreerd, waarvan het loodrecht op de evenwijdige stralenbundel 2 aangebrachte platte vlek SI door de tegen de vlakelementen ASa en ASz aankomende gedeel-20 telijke bundels 2a en 2b wordt getroffen. De platte vlakelementen As van het vlak S2 zijn onderling congruent en de bij deze vlakken behorende normalenzijn zodanig gericht, dat de door het zwaartepunt van de vlakken lopende stralen elkaar in een punt Pv op de centrale straal snijden.

25 Door de vorm van het centrale vlakelement ASz wordt de doorsnede van een gedeeltelijke bundel en de doorsnede van de totale bundel in het vlak door het verenigingspunt bepaald, dat loodrecht op deze bundel staat. Hetzelfde geldt bij een gering schuin verloop van de op de vlakelementen staande normaler ten op-30 zichte van de as (bij een grote verenigingsafstand en een geringe apertuur) met voldoende nauwkeurigheid ook voor alle andere vlakelementen AS.

In het door het verenigingspunt Pv gaande vlek, dat loodrecht op de centrale gedeeltelijke stralingsbundel staat, 35 worden zodoende de afzonderlijke gedeeltelijke stralingsbundels 8105118 * 4 - 3 - gesuperponeerd, waardoor in verregaande mate een vereffening van intensiteitsschommelingen binnen de totale stralingsbundel wordt bereikt.

De hellingshoek α van de facetten ten opzichte 5 van het centrale facet kan op de volgende wijze worden berekend:

Zoals uit de schematische afbeelding volgens fig. 2 blijkt, komen een middelpuntsstraal 2 van het centrale z facet en een middelpuntsstraal van een buiten de as gelegen facet na ~ hun doorgang doorj<3e facettenlens in een verenigingspunt 10 Pv samen. De afstand tussen de middelpuntsstralen 2 en 2 is door r aangeduid. De afstand van de facettenlens tot het verenigingspunt is door f (verenigingsafstand) aangeduid.

Uit de voor deze toestand geldende formule volgt nl — sin α * sin β (1) 15 n2

Verdergelden de betrekkingen tg9 * 1 ^ g' 1 (2) en Θ » 0 - α (3)

DaaxjblecXts “dunne" lenzen van belang zijn (fv» r) kunnen de benaderingen van de voor dit geval volgens 20 Gauss geldende optische wetten worden ingevoerd, te weten: sin a Z ai sin β Z β? tge Z Θ ; <5 10

Wanneer wordt gesteld dan volgt uit (1): =ΓΒ na * β (4) 25 en uit (2): r » f . Θ (5) v en

Wanneer hierin (3) en (4) word/ gesubstitueerd,komt er: r » f^a (n-1) (6) waaruit tenslotte volgt: 30 α “ Γ· T (53T ] (7)

dit wil zeggen V

de hoek α is evenredig asm de afstand tussen de middelpuntsstralen van aangrenzende facetten en omgekeerdjevenredig aan de verenigingsaf stand.

35 De aanpassing van de grootten van de facetten 8105118 - 4 - 4 * aan de afmetingen van de stralingsbundels is afhankelijk van de gewenste intensiteitsvereffening en van de oorspronkelijke inten-siteitsverdeling van de invallende stralingsbundel. Voor twee kenmerkende gevallen van intensiteitsverdelingen, die in fig. 3 en 5 4 zijn afgebeeld, kan de grootte van de facetten als volgt worden berekend: geval 1 (fig. 3) geeft een gelijkmatige verdeling van de intensiteit met een hierop geplaatste storing weer, 2 waarbij de basis--intensiteit I over het ter grootte van a aange- 9 10 nomen vlak van de totale bundel (A ) is verdeeld, en verder is ges 2 aangenomen dat een stoorintensiteit liever een ter grootte vin d aangenomen oppervlaktegebied (Agt> is verdeeld.

Voor de verhouding tussen de grootten van de

*vT6S

vlakken zal worden gesteld, r2- = Z., waaruit volgt » W.C “> Ist

Voor de intensiteitsverhouding zal worden gesteld -— * Z^t cr waaruit volgt * V * Z2 *, (2)

Het aantal facetten wordt op n aangenomen. De totale flux van de 20 stralingsbundel bedraagt φ » A .1 + a . . I . , of na het invullen van (1) ges ges g st st'

Vs * A* 'Vg + V <3' ·

Wanneer het superponeren door middel van n facetten plaatsvindt, dan volgt voor het oppervlak van een facet 25 *p * ~ Ast (4)

Wanneer van een vierkante facettenlens wordt uitgegaan, 2odat de bundeldoorsnede dus gelijkvormig aan een facet is, dan volgt voor de gemiddelde intensiteit in de gesuperponeerde bU"ael A . <Z,I„ + I Λ 30 I = -|ί-. „I + -2. I (5) \ V 9 Z1 st n

Onder de voorwaarde n < Zj bedraagt de maximale intensiteit Imax in de gesuperponeerde bundel 1 = nl + I . (6) max g st 35 Door invullen van (2) in (5) en (6) volgt er 8105118 - 5 - ΐ = I (η + — ζ.) en U Z1 2 I =* I (n + Z„) max g 2 - 1 “ ï 5 Wanneer de op I betrokken afwijking * ~ wordt gevormd, komt er 1

1 ΔΙ (Z2 “ 5" V

— + . , i —. ... en tenslotte door omvormen

1 (n + §T V

10 AI i 1. Z1 Z2 ï ' » ' *i Z1 + Z2 (7)

Uit (7) blijkt, dat de afwijking bij een toenemend aantal facetten n kleiner en tenslotte (voor n = Zj) gelijk aan nul wordt (volledige vereffening).

15 In het bereik < n < 2 Zj wordt de maximale intensiteit in de bundel gelijk aan I * öl +41*1 (n + 4 Z.) (8) max g st g 2 en de afwijking ΔΙ _ , £ _ . Z1 Z2 ,g) 20 ï ' ‘ « Z, ’ Z1 * Z2 ' ’

Uit een vergelijking met (7) blijkt, dat wanneer n slechts iets groter dan Z^ wordt, de afwijking wederom met een sprong op de waarde voor || in het bereik n < Z^ stijgt. Het is dus dringend aanbevelendswaardig om in het bereik n < Z. te blijven, 25 dit wil zeggen het vlak van een facet iets groter dan het vlak van een sprongsgewijs voorkomende storing te kiezen.

Geval 2 (fig. 4).

Hierbij wordt een intensiteitsverdeling in de stralenbundel volgens Gauss aangenomen, waarvan het verloop van de ^ intensiteit door de volgende vergelijking wordt weergegeven;

I (r) - e w V

waarbij rQ gelijk aan de straal is waarbij I (r) op de waarde 1/e is gedaald. Vervolgens zal een superpositie door middel van zeshoekige facetten worden beschouwd. De straal van de omtrekscirkel 35 van een facet wordt hierbij op r aangenomen. Als centrale as voor 8105118 - 6 - % de verdeling wordt de loodlijn door het middelpunt van het centrale facet genomen. Het onderzoek betreft de volgende sommen I - i (r) = i . :;2f i (r); I = iQ (r) ono Δ η Δ π n° en de overdracht van de n facetten voor de parameterwaarden rv/xQ ~ 5 0,1; 0,2; 0,3; 0,4 en 0,5.

In fig. 6 zijn de op I betrokken afwijkingen van I. en I„ uitgezet, alsmede de overdracht als functie van r /r .

Δ U u O

Zoals uit deze figuur blijkt, kan door het invoegen van de facettenlens bij een overdracht van bijvoorbeeld 80 %een totale afwijking 10 van 2 % worden bereikt, terwijl de maximale afwijking bij dezelfde overdracht en bij het toepassen van een afschermende regeling 80 % zou zijn.

Het vervaardigenvan de facettenlens kan . door middel van slijpen op verschillende wijzen worden uitgevoerd, 15 namelijk; a) uitgaande van een plan-convexe lens met een geringe apertuur, die in een inrichting wordt vastgehouden, welke om twee elkaar snijdende, loodrecht op elkaar staande en in de uitgangs-stand evenwijdig ten opzichte van de platte slijpschijfgerichte assen kan worden gezwenkt, worden door middel van doelmatige 20 kleine instelhoeken en loodrechte verplaatsingen omhoog van de inrichting ten opzichte van de slijpschijf facetten in het kogelvormige vlak van de lens geslepen (vierkanten).

b) Uitgaande van een plan-convexe lens van geringe apertuur, die in een inrichting wordt vastgehouden, welke 25 van een evenwijdig ten opzichte van de platte slijpschijf gerichte as Al kan worden gezwenkt en om een hierop loodrecht staande en in de uitgangsstand loodrecht op de slijpschijf gerichte as Ά2 kan worden gedraaid, worden door middel van doelmatige kleine instelen 60 hoeken rondom Al en instelhoek van een veelvoud van/graden rondom 30 A2 en door middel van loodrechte verplaatsingen omhoog van de inrichting ten opzichte van de slijpschijf facetten in het kogelvormige omtreksvlak van de lens geslepen (zeshoekige facetten).

De intensiteitsvereffening volgens de uitvinding is bovenal dan van belang, wanneer voor het uitvoeren van een kwan-35 titatieve bepaling van elkaar wederzijds beïnvloedende optische 810 5 11 8 - 7 - werkingen een eenvoudig reproduceerbare intensiteitsverdelings-functie wordt gewenst, die door de optische bron echter niet kan worden gewaarborgd. Een speciaal voorbeeld daarvan wordt door de laser-diagnostiek gevormd.

5 Pig. 7 geeft een schematische afbeelding voor de toepassing van een facettenlens bij een experiment voor een door een laserstraal bewerkstelligde thermische desorptie.

De stralingsbundel die door een met reuzenimpulsen wer^kende robijnlaser 3 wordt afgegeven, wordt voor het 10 verbreden van de bundel door de lenzen 4 gezonden en loopt na het passeren van deze lens door de verdelingsplaat 5 (waar cirka 4 % naar de monitordiode 6 wordt gestuurd) en door een verdere (door L3 aangeduide) lens 7 naar het doelwit.

Door het instellen van een doelwitafstand 15 (gerekend vanaf de lens L3) d<f^ kan de vermogensdichtheid van de laserstraal op het doelwit worden ingesteld. De intensitéitsverde-ling en dientengevolge ook de temperatuurverdeling verlopen hierbij nagenoeg volgens het profiel van Gauss. Bij dit vereenvoudige desorptiemodel bedraagt de desorptiesnelheid 20 -E_/ β™. 'kt , waarbij EQ * de desorptie-energie en T * de oppervlaktetemperatuur van het doelwit^ Bij / BT = 10 en Eg/RT * 20 (dit wil zeggen bij een verdubbeling van de temperatuur) verhouden zich de desorptiesnelheden als 20.000:1, dit wil zeggen 25 de gedesorbeerde deeltjes zijn bijna uitsteluitend van de doelwit-vlakken met de dubbele temperatuur afkomstig. Onder deze omstandigheden is het niet goed mogelijk om de grootte van de gedesorbeerde vlakken te schatten en uit het aantal gedesorbeerde deeltjes een conclusie omtrent de bedekking van deze vlakken te trekken.

30 De genoemde moeilijkheden kunnen door een homogeen maken van de straalintensiteit en zodoende van de temperatuursverdeling over het doelwit worden opgeheven. Dit kan worden verkregen door de lens L3 door een facettenlens met een doelmatige grootte van de facetten te vervangen, die een verenigingsafstand f= d bezit.

35 8105118

Claims

1. Werkwijze onu uitgaande van een evenzijdige stralenbundel met een willekeurige verdeling van de stralingsintensiteit zo gelijkmatig mogelijk een vlak te verlichten, gekenmerkt, doordat op een afstand vanaf het verlichte vlak in de loop van de 5 stralenjloodreeht op cle stralingsrichting er van een in het algemeen plan-convexe : facetten-lens wordt aangebracht, waarbij deze afstand met de verenigingsafstand van de bundel overeenkomt, en waarbij de in hoofdzaak convexe zijde van de lens uit congruente platte vierkante of zeshoekige vlakelementen is samengesteld.

2. Inrichting om een vlak met behulp van een laser straal te verlichten, die in het bijzonder voor laser-diagnostiek is bestemd, met het kenmerk, dat deze van een in het algemeen plan-convexe facettenlens met congruente vlakelementen is voorzien, die in de loop van de stralen van de evenwijdige stralingsbundel lood- 15 recht op deze bundel is aangebracht,· waarbij de lens op een door de verenigingsafstand van de lens bepaalde afstand van het te verlichten vlak is aangebracht.

3. Facettenlens voor een inrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat. de in hoofdzaak convexe zijde er van uit 20 congruente, platte, vierkante of zeshoekige vlakelementen is samengesteld, waarvan de normalen op deze vlakelementen een zodanige stand bezitten, dat de door de zwaartepunten van deze vlakelementen verlopende stralen elkaar in één punt op de centrale straal snijiden.

4. Inrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, 25 dat deze voor laser-diagnostiek kan worden toegepast.

5. Werkwijze in hoofdzaak als beschreven in de beschrijving en/of weergegeven in de voorbeelden.

6. Inrichting in hoofdzaak als beschreven in de beschrijving en/of afgeheeld in de figuren. 30 .pfi' ~..........................................~.............. :...... 8105118