PL186117B1

PL186117B1 - Optical radiation condenser

Info

Publication number: PL186117B1
Application number: PL98325793A
Authority: PL
Inventors: Krzysztof Cichosz
Original assignee: Krzysztof Cichosz
Priority date: 1998-04-10
Filing date: 1998-04-10
Publication date: 2003-10-31
Also published as: PL325793A1

Abstract

1 Optyczny koncentrator promieniowania zawierający współosiowo zestawione zwierciadła transformujące natężenie tego promieniowania, znamienny tym, że ma zwierciadło wypukłe (2) o kształcie zewnętrznej powierzchni stożkowej, a zwierciadło wklęsłe (1) ma kształt wewnętrznej powierzchni stożkowej.1 Optical radiation concentrator containing coaxially juxtaposed mirrors transforming the intensity of it radiation, characterized in that it has a convex mirror (2) with an outer shape conical surface and the mirror the concave (1) has an internal shape conical surface.

Description

Przedmiotem wynalazku jest optyczny koncentrator promieniowania, przeznaczony do wytwarzania spójnej wiązki promieni świetlnych o dużym natężeniu promieniowania i w tej części widma fal elektromagnetycznych, która dotyczy widzialnego promieniowania świetlnego.The subject of the invention is an optical radiation concentrator, intended for the production of a coherent beam of light rays with a high radiation intensity and in the part of the electromagnetic wave spectrum which relates to visible light radiation.

Znanymi urządzeniami optycznymi, najczęściej stosowanymi do wytwarzania spójnej wiązki światła o dużym jej natężeniu są reflektory i lasery. Reflektory są przy tym urządzeniami wytwarzającymi spójną wiązkę światła w pełnym spektrum fal elektromagnetycznych świetlnych, a więc widzialnych, natomiast lasery wytwarzają wiązkę światła monochromatycznego, często o wybranym i ustalonym stanie polaryzacji.Known optical devices, most often used to produce a coherent beam of high intensity light are reflectors and lasers. Reflectors are devices that generate a coherent beam of light in the full spectrum of electromagnetic light waves, i.e. visible waves, while lasers produce a beam of monochromatic light, often with a selected and fixed polarization state.

Rozwiązanie techniczne typowego reflektora charakteryzuje się tym, że reflektor taki zawiera odbłyśnik wykonany w postaci wycinka obrotowej powierzchni sferycznej, w której ognisku umieszczone jest punktowe źródło światła. Promienie świetlne emitowane wielokierunkowo ze źródła światła, po odbiciu od powierzchni odbłyśnika, zwanego też zwierciadłem, tworzą spójną wiązkę równoległych promieni świetlnych o dużym natężeniu strumienia świetlnego. Te natomiast promienie świetlne, które wprawdzie zostały wyemitowane ale nie uległy odbiciu na odbłyśniku, tworzą promieniowanie rozproszone, widzialne w kącie bryłowym, wyznaczonym położeniem źródła światła w stosunku do obrzeży odbłyśnika.The technical solution of a typical reflector is characterized by the fact that such a reflector comprises a reflector made in the form of a segment of a spherical rotating surface, in the focus of which a point light source is placed. Light rays emitted multidirectionally from a light source, after reflection from the surface of a reflector, also known as a mirror, form a coherent beam of parallel light rays with a high luminous flux intensity. On the other hand, those light rays, which were emitted but were not reflected on the reflector, create scattered radiation, visible in the solid angle, determined by the position of the light source in relation to the reflector's periphery.

Wspomniane cechy techniczne typowego reflektora, wytwarzającego spójną wiązkę promieniowania świetlnego znane są przykładowo z polskiego opisu patentowego nr 157 339.The mentioned technical features of a typical reflector producing a coherent beam of light radiation are known, for example, from Polish patent description No. 157 339.

Do wytwarzania spójnej wiązki światła o dużym natężeniu stosowane są również lasery o różnorodnej konstrukcji i przeznaczeniu.Lasers of various designs and purposes are also used to produce a coherent beam of high intensity light.

Wiązka światła wytwarzana przez lasery charakteryzuje się niezwykłą spójnością i brakiem promieniowania rozproszonego, przy czym jest to ponadto wiązka światła monochromatycznego o ściśle określonej długości fali. Kąt rozbieżności wiązki zależy przy tym od kształtu rezonatora lasera, ale zazwyczaj wartość tego kąta nie przekracza kilku miliradianów.The light beam produced by lasers is characterized by remarkable coherence and lack of scattered radiation, and it is also a beam of monochromatic light with a strictly defined wavelength. The angle of divergence of the beam depends on the shape of the laser resonator, but usually the value of this angle does not exceed a few milliradians.

Zasadnicze cechy techniczne lasera zbudowanego na ciele stałym ujawnione są w opisie i rysunku zawartym na str. 297 i 298 książki pt. „Przyrządy optyczne”; J. Chalęcki; WNT 1979 r. Laser znany z tej książki zawiera współosiowo usytuowane źródło światła i pręt rubinowy, umieszczone we wnętrzu przezroczystej rury, wypełnionej również przezroczystym płynem chłodzącym, przy czym rura ze wspomnianymi elementami usytuowana jest we wnętrzu i w osi wzdłużnej elipsoidalnej powierzchni zwierciadlanej, zwanej rezonatorem.The essential technical features of a solid-state laser are disclosed in the description and drawing on pages 297 and 298 of the book "Optical instruments"; J. Chalęcki; WNT 1979 The laser known from this book contains a coaxial light source and a ruby rod, placed inside a transparent tube, also filled with a transparent coolant, the tube with the above-mentioned elements located inside and along the longitudinal axis of an ellipsoidal mirror surface called a resonator.

Światło emitowane ze źródła światła i odbite od powierzchni zwierciadlanej kumuluje się we wnętrzu pręta rubinowego powodując stan wzbudzenia jonów chromu zawartych w pręcie, zaś po przekroczeniu określonej wartości tego stanu następuje impulsowa emisja koherentnej i mononochromatycznej wiązki światła o dużym natężeniu strumienia świetlnego.The light emitted from the light source and reflected from the mirror surface accumulates inside the ruby rod, causing the state of excitation of the chromium ions contained in the rod, and after exceeding a certain value of this state, a pulse emission of a coherent and mono-chromatic light beam with high luminous flux occurs.

186 117186 117

Inne rozwiązanie techniczne urządzenia do zmiany natężenia i wytwarzania wiązki promieni równoległych jest znane z polskiego opisu patentowego nr 78 483.Another technical solution of the device for changing the intensity and generating a beam of parallel rays is known from the Polish patent specification No. 78 483.

Urządzenie to zwane kondensatorem optycznym składa się z dwóch wklęsłych zwierciadeł o kształcie wycinka kuli i wspólnej osi optycznej, które umieszczone są względem siebie w sposób przeciwsobny.This device, called an optical condenser, consists of two concave mirrors with the shape of a sphere sector and a common optical axis, which are positioned in opposition to each other.

Ogniska obu zwierciadeł pokrywają się przy tym ze sobą, zaś jedno z tych zwierciadeł skupiających ma centryczny otwór o średnicy wiązki wyjściowej odbitej przez drugie zwierciadło o mniejszej średnicy.The focal points of both mirrors coincide with each other, and one of these focusing mirrors has a centric hole with the diameter of the output beam reflected by the other mirror with a smaller diameter.

Istota wynalazku polega na tym, że zmiany natężenia spójnej wiązki światła dokonuje się za pomocą koncentratora zestawionego z wklęsłego zwierciadła o kształcie wewnętrznej powierzchni stożka ściętego i współosiowo z nim usytuowanego zwierciadła wypukłego mającego kształt zewnętrznej powierzchni stożkowej. Cechą istotną wynalazku jest także to, że kąt wierzchołkowy powierzchni stożkowej obu zwierciadeł jest identyczny, zaś średnica podstawy zwierciadła wypukłego jest równa lub mniejsza od średnicy otworu w zwierciadle wklęsłym. Kolejną cechą istotną wynalazku jest to, że szerokość pobocznicy powierzchni stożkowej obu zwierciadeł jest taka sama.The essence of the invention consists in the fact that the intensity of the coherent light beam is changed by means of a concentrator composed of a concave mirror with the shape of the inner surface of a truncated cone and a convex mirror coaxial with it having the shape of an outer conical surface. An essential feature of the invention is also the fact that the apex angle of the conical surface of both mirrors is identical, and the diameter of the base of the convex mirror is equal to or smaller than the diameter of the hole in the concave mirror. Another important feature of the invention is that the width of the periphery of the conical surface of both mirrors is the same.

Efektem technicznym wynikającym ze stosowania wynalazku jest to, że za jego pomocą można uzyskiwać transformację natężenia strumienia świetlnego padającego w postaci spójnej wiązki promieni na jedno ze zwierciadeł koncentratora według wynalazku.The technical effect resulting from the use of the invention is that it can be used to transform the intensity of the luminous flux incident in the form of a coherent beam of rays onto one of the mirrors of the concentrator according to the invention.

Za pomocą tego koncentratora, stosowanego przykładowo jako przystawka do reflektora, można zwiększyć natężenie promieniowania do wartości umożliwiającej jaskrawe oświetlenie wybranego obszaru powierzchni lub też dla celów ogrzewania albo też w układzie kaskadowym dla celów obróbki powierzchniowej.By means of this concentrator, used, for example, as an attachment for a reflector, the radiation intensity can be increased to a value that makes it possible to brightly illuminate a selected surface area, or also for heating purposes or in a cascade arrangement for surface treatment.

Koncentrator według wynalazku charakteryzuje się również prostotą swego rozwiązania technicznego, przy czym znacznie prostsza jest również technologia wykonania zastosowanych zwierciadeł.The concentrator according to the invention is also characterized by the simplicity of its technical solution, while the technology of manufacturing the mirrors used is also much simpler.

Przedmiot wynalazku objaśniony jest szczegółowo w opisie jego wykonania oraz zilustrowany na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia koncentrator pokazany w przekroju osiowym, natomiast fig. 2 - ten sam koncentrator w widoku z góry.The subject of the invention is explained in detail in the description of its implementation and illustrated in the drawing, in which Fig. 1 shows a concentrator shown in an axial section, while Fig. 2 shows the same concentrator in a top view.

Zgodnie z wynalazkiem koncentrator ma zwierciadło wklęsłe 1 o kształcie wewnętrznej pobocznicy stożka ściętego, którego kąt wierzchołkowy wynosi 90°. Taki sam kąt wierzchołkowy ma zwierciadło wypukłe 2 o kształcie zewnętrznej powierzchni stożka, przy czym oś tego zwierciadła pokrywa się z osią zwierciadła wklęsłego.According to the invention, the concentrator has a concave mirror 1 in the shape of an inner truncated cone with an apex angle of 90 °. The same apex angle has a convex mirror 2 with the shape of the outer surface of a cone, the axis of this mirror coinciding with the axis of the concave mirror.

Szerokość pobocznicy stożka ściętego tworzącego zwierciadło wklęsłe oraz szerokość pobocznicy stożka tworzącego zwierciadło wypukłe jest identyczna, przez' co mieszczą się one między dwoma płaszczyznami równoległymi, prostopadłymi jednocześnie do wspólnej osi zwierciadeł. Średnica podstawy zwierciadła wypukłego 2 jest przy tym mniejsza od średnicy otworu w zwierciadle wklęsłym 1.The width of the side surface of the truncated cone forming the concave mirror and the width of the side surface of the cone forming the convex mirror are identical, so they fall between two planes parallel, perpendicular at the same time to the common axis of the mirrors. The diameter of the base of the convex mirror 2 is smaller than the diameter of the hole in the concave mirror 1.

Spójna wiązka a promieni padających na zwierciadło wklęsłe 1 jest usytuowana w osi tego zwierciadła, przez co kąt padania tych promieni na zwierciadło wklęsłe jest równy kątowi odbicia wynoszącemu 45°.The coherent beam a of rays incident on the concave mirror 1 is situated in the axis of this mirror, so the angle of incidence of these rays on the concave mirror is equal to the reflection angle of 45 °.

Promienie świetlne odbite od zwierciadła wklęsłego padają na zwierciadło wypukłe, gdzie ulegają ponownemu odbiciu do dołu tworząc drugą, spójną wiązkę b promieni, lecz o znacznie wyższym natężeniu strumienia świetlnego. Pomijając straty na promieniowanie absorbowane w warstwie powierzchniowej zwierciadeł oraz promieniowanie rozproszone można przyjąć, iż stosunek natężenia strumienia świetlnego w wiązce b do natężenia w wiązce a jest równy stosunkowi powierzchni zwierciadła wklęsłego 1 do powierzchni zwierciadła wypukłego 2.The light rays reflected from the concave mirror fall on the convex mirror, where they are reflected backwards, creating a second, coherent beam of rays, but with a much higher intensity of the luminous flux. Disregarding the losses for radiation absorbed in the surface layer of mirrors and diffuse radiation, it can be assumed that the ratio of the luminous flux intensity in the beam b to the intensity in the beam a is equal to the ratio of the concave mirror area 1 to the convex mirror area 2.

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egzPublishing Department of the UP RP. Circulation of 50 copies

Cena 2,00 zł.Price PLN 2.00.

Claims

Patent claims

An optical radiation concentrator comprising coaxially aligned mirrors transforming the intensity of this radiation, characterized in that it has a convex mirror (2) with the shape of an outer conical surface, and the concave mirror (1) has the shape of an inner conical surface.

2. A concentrator according to claim The method according to claim 1, characterized in that the apex angle of the conical surface of both mirrors is the same and the diameter of the base of the convex mirror (2) is equal to or smaller than the diameter of the hole in the concave mirror (1).

3. A concentrator according to claim The method of claim 1 or 2, characterized in that the width of the periphery of the conical surface of both mirrors is the same.