RU171593U1

RU171593U1 - Laser Focusing Device

Info

Publication number: RU171593U1
Application number: RU2017112389U
Authority: RU
Inventors: Александр Фёдорович Коваленко
Priority date: 2017-04-12
Filing date: 2017-04-12
Publication date: 2017-06-07

Abstract

Полезная модель относится к области лазерной техники и может быть использована при доставке сфокусированного пучка на объект (например, при создании лазерных технологических комплексов). Техническим результатом полезной модели является увеличение срока службы устройства для фокусировки лазерного излучения. Технический результат достигается тем, что устройство для фокусировки лазерного излучения содержит выходной аксикон, выполненный в виде коаксиально расположенных внутренней и периферийной отражающих поверхностей, при этом внутренняя отражающая поверхность аксикона смонтирована на конце стержня, соединенного с периферийной отражающей поверхностью аксикона через пилоны, соединенные со втулкой, во внутреннем объеме втулки перед стержнем соосно размещены одинаковые первая коническая линза и вторая коническая линза, расстояние между которыми определяют по формуле, связывающей диаметр пучка лазерного излучения, внутренний диаметр преобразованного кольцевого лазерного пучка, угол у основания конической линзы и показатель преломления материала конической линзы. 1 ил.The utility model relates to the field of laser technology and can be used to deliver a focused beam to an object (for example, when creating laser technological complexes). The technical result of the utility model is to increase the service life of the device for focusing laser radiation. The technical result is achieved by the fact that the device for focusing laser radiation contains an output axicon made in the form of coaxially located internal and peripheral reflective surfaces, while the internal reflective surface of the axicon is mounted on the end of the rod connected to the peripheral reflective surface of the axicon through pylons connected to the sleeve, the same first conical lens and second conical lens are coaxially located in the inner volume of the sleeve in front of the shaft, the distance between otorrhea determined according to the formula relating the diameter of the laser beam, the inner diameter of the annular laser beam is converted, the angle at the base of the conical lens and the refractive index of the tapered lens material. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к области лазерной техники и может быть использовано при доставке сфокусированного пучка на объект (например, при создании лазерных технологических комплексов).The utility model relates to the field of laser technology and can be used to deliver a focused beam to an object (for example, when creating laser technological complexes).

Известны устройства для фокусировки лазерного излучения, выполненные на базе оптически сопряженных аксиконов [L.W. Casperson and M.S. Shekhani. Breakdown in a Radian-Mode Focusing Element. Appl. Opt., V. 13, №1, 1974, p. 104-108. W.R. Edmonds The Reflakxicon, a Reflective Optical Element, and Some Application. Appl. Opt., V 12, №8, 1973, p. 1940-1945].Known devices for focusing laser radiation, made on the basis of optically conjugated axicons [L.W. Casperson and M.S. Shekhani. Breakdown in a Radian-Mode Focusing Element. Appl. Opt., V. 13, No. 1, 1974, p. 104-108. W.R. Edmonds The Reflakxicon, a Reflective Optical Element, and Some Application. Appl. Opt., V 12, No. 8, 1973, p. 1940-1945].

Известно также устройство для фокусировки лазерного излучения, содержащее оптически сопряженные входной и выходной аксиконы, выполненные в виде коаксиально расположенных внутренних и периферийных конусообразных отражающих поверхностей, при этом внутренние конусообразные отражающие поверхности аксиконов смонтированы на концах стержня, связанного с периферийными конусообразными отражающими поверхностями аксиконов через пилоны [Патент RU 2240615 С1, МПК G21K 1/02. Опубл. 20.11.2004. Бюл. №32].A device for focusing laser radiation is also known, containing optically conjugated input and output axicons made in the form of coaxially located internal and peripheral conical reflective surfaces, while the internal conical reflective surfaces of axicons are mounted at the ends of the rod connected to the peripheral conical reflective surfaces of axicons through pylons [ Patent RU 2240615 C1, IPC G21K 1/02. Publ. 11/20/2004. Bull. No. 32].

Недостатком приведенных технических решений является пониженная плотность мощности в сфокусированном пучке лазерного излучения, обусловленная отсутствием использования лучевой энергии центральной области подаваемого (фокусируемого) пучка лазерного излучения, обусловленная наличием острия на внутреннем теле вращения входного аксикона, приводящего к перегреву последнего (вследствие затрудненности теплоотвода) при высоких уровнях плотности мощности фокусируемого излучения.The disadvantage of the above technical solutions is the reduced power density in the focused laser beam, due to the absence of the use of radiation energy from the central region of the supplied (focused) laser beam, due to the presence of a tip on the inner body of rotation of the input axicon, which leads to the latter overheating (due to the difficulty of heat removal) at high power density levels of the focused radiation.

Известно также устройство для фокусировки лазерного излучения, включающее, оптически сопряженные входной и выходной аксиконы, выполненные в виде коаксиально расположенных внутренних и периферийных конусообразных отражающих поверхностей, при этом внутренние конусообразные отражающие поверхности аксиконов смонтированы на концах стержня, связанного с периферийными конусообразными отражающими поверхностями аксиконов через пилоны, снабжено двумя плоскими отражающими элементами, а внутренние конусообразные отражающие поверхности аксиконов выполнены с осевыми цилиндрическими выступами, при этом диаметры вышеуказанных осевых выступов соизмеримы с диаметром фокального пятна сфокусированного лазерного излучения и выполнены с разнонаправленными зеркальными скосами на концах, оптически сопряженными через плоские отражающие элементы с фокальным пятном сфокусированного излучения [Патент RU 2307413 С1, МПК G21K 1/00. Опубл. 27.09.2007. Бюл. №27] - прототип.A device for focusing laser radiation is also known, including optically conjugated input and output axicons made in the form of coaxially located internal and peripheral conical reflective surfaces, while the internal conical reflective surfaces of axicons are mounted at the ends of the rod connected to the peripheral conical reflective surfaces of axicons through pylons equipped with two flat reflective elements, and the inner cone-shaped reflective surfaces ak sicons are made with axial cylindrical protrusions, while the diameters of the above axial protrusions are comparable with the diameter of the focal spot of focused laser radiation and are made with multidirectional bevels at the ends optically conjugated through flat reflecting elements with a focal spot of focused radiation [Patent RU 2307413 C1, IPC G21K 1 / 00. Publ. 09/27/2007. Bull. No. 27] is a prototype.

Недостатком прототипа является относительно невысокий срок службы устройства, так как участки внутренних отражающих поверхностей, расположенных ближе к оси лазерного пучка, подвергаются воздействию существенно большей плотности мощности, чем участки поверхности, расположенные на периферии лазерного пучка, распределение мощности в котором, как правило, имеет вид гауссовой кривой. Неравномерный нагрев внутренних поверхностей приводит к постепенной деградации поверхностей и уменьшению срока службы устройстваThe disadvantage of the prototype is the relatively low service life of the device, since sections of internal reflective surfaces located closer to the axis of the laser beam are exposed to a significantly higher power density than surface sections located on the periphery of the laser beam, the power distribution in which, as a rule, has the form Gaussian curve. Uneven heating of internal surfaces leads to a gradual degradation of surfaces and a decrease in the service life of the device

Техническим результатом полезной модели является увеличения срока службы устройства для фокусировки лазерного излучения.The technical result of the utility model is to increase the life of the device for focusing laser radiation.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для фокусировки лазерного излучения, содержащем выходной аксикон, выполненный в виде коаксиально расположенных внутренней и периферийной отражающих поверхностей, при этом внутренняя отражающая поверхность аксикона смонтирована на конце стержня, соединенного с периферийной отражающей поверхностью аксикона через пилоны, соединенные со втулкой, во внутреннем объеме втулки перед стержнем соосно размещены одинаковые первая коническая линза и вторая коническая линза, расстояние между которыми определяют по формулеThe technical result is achieved in that in a device for focusing laser radiation containing an output axicon, made in the form of coaxially located internal and peripheral reflective surfaces, while the internal reflective surface of the axicon is mounted at the end of the rod connected to the peripheral reflective surface of the axicon through pylons connected to sleeve, in the internal volume of the sleeve in front of the shaft, the same first conical lens and second conical lens are coaxially placed, the distance between waiting for which is determined by the formula

где: L - расстояние между первой конической линзой и второй конической линзой;where: L is the distance between the first conical lens and the second conical lens;

d_П - диаметр первоначального сплошного лазерного пучка;d _P is the diameter of the initial continuous laser beam;

d_В - внутренний диаметр преобразованного кольцевого лазерного пучка;d _In - the inner diameter of the converted annular laser beam;

α - угол у основания конической линзы;α is the angle at the base of the conical lens;

n - показатель преломления материала конической линзы для длины волны лазерного излучения.n is the refractive index of the material of the conical lens for the wavelength of the laser radiation.

На чертеже изображено предлагаемое устройство для фокусировки лазерного излучения. Устройство содержит выходной аксикон в виде коаксиально расположенных внутренней 1 и периферийной 2 отражающих поверхностей. Отражающая поверхность 1 смонтирована на конце стержня 3, который связан с отражающей поверхностью 2 с помощью пилонов 4 через втулку 5, в которой соосно закреплены первая коническая линза 6 и вторая коническая линза 7, установленная от первой конической линзы 6 на расстоянии, обеспечивающем прохождение лазерного пучка в виде кольца на периферийную отражающую поверхность 2 выходного аксикона.The drawing shows the proposed device for focusing laser radiation. The device contains an output axicon in the form of coaxially located inner 1 and peripheral 2 reflective surfaces. The reflecting surface 1 is mounted on the end of the rod 3, which is connected to the reflecting surface 2 by means of pylons 4 through the sleeve 5, in which the first conical lens 6 and the second conical lens 7 are coaxially mounted, installed from the first conical lens 6 at a distance that allows the passage of the laser beam in the form of a ring on the peripheral reflective surface 2 of the output axicon.

Устройство работает следующим образом. Параллельный лазерный пучок диаметром d_П подается на первую коническую линзу 6, которая преобразует его в пучок, расходящийся под угломThe device operates as follows. A parallel laser beam with a diameter of d _P is fed to the first conical lens 6, which converts it into a beam diverging at an angle

где β - угол, на который конической линзой отклоняются параллельные лучи лазерного пучка;where β is the angle at which parallel beams of the laser beam deflect with a conical lens;

α - угол у основания конической линзы 6;α is the angle at the base of the conical lens 6;

n - показатель преломления материала конической линзы 6 для длины волны лазерного излучения.n is the refractive index of the material of the conical lens 6 for the wavelength of the laser radiation.

Далее второй конической линзой 7, выполненной из того же материала, что и первая коническая линза 6, и имеющей угол у основания α, расходящийся лазерный пучок преобразуется в параллельный кольцевой пучок с внутренним диаметром d_В, обеспечивающим прохождение лазерного пучка на периферийную отражающую поверхность 2. При этом центральная часть лазерного пучка с высокой плотностью мощности окажется на внешней стороне кольцевого пучка, а периферийная часть пучка с низкой плотностью мощности на внутренней стороне пучка. По законам геометрии легко показать, что расстояние между первой конической линзой 6 и второй конической линзой 7 должно бытьNext, the second conical lens 7, made of the same material as the first conical lens 6, and having an angle at the base α, the diverging laser beam is converted into a parallel annular beam with an inner diameter d _B , which allows the laser beam to pass to the peripheral reflective surface 2. In this case, the central part of the laser beam with a high power density will be on the outer side of the annular beam, and the peripheral part of the beam with a low power density on the inner side of the beam. According to the laws of geometry, it is easy to show that the distance between the first conical lens 6 and the second conical lens 7 should be

где: L - расстояние между первой конической линзой 6 и второй конической линзой 7. Далее периферийной отражающей поверхностью 2 кольцевой лазерный пучок направляется на внутреннюю отражающую поверхность 1, выполненную торообразной с параболической направляющей, которая фокусирует лазерный пучок в точку F. Центральная часть первоначального сплошного лазерного пучка с высокой плотностью мощности будет воздействовать на внутреннюю отражающую поверхность 1 большей площади, а периферийная часть первоначального сплошного лазерного пучка малой плотности мощности - на внутреннюю отражающую поверхность 1 меньшей площади, что приводит к снижению плотности мощности лазерного излучения на проблемных участках поверхности 1 при сохранении общей передаваемой мощности лазерного пучка и увеличению срока службы устройства фокусировки.where: L is the distance between the first conical lens 6 and the second conical lens 7. Next, the peripheral reflective surface 2 of the annular laser beam is directed to the internal reflective surface 1, made toroidal with a parabolic guide, which focuses the laser beam at point F. The Central part of the original solid laser a beam with a high power density will affect the internal reflecting surface 1 of a larger area, and the peripheral part of the initial continuous laser beam is small low power density - on the internal reflecting surface 1 of a smaller area, which leads to a decrease in the laser power density on problematic areas of surface 1 while maintaining the total transmitted laser beam power and increasing the service life of the focusing device.

Следовательно, предложенное устройство для фокусировки лазерного излучения по сравнению с прототипом будет иметь больший срок службы при передаче одинаковой мощности лазерного пучка.Therefore, the proposed device for focusing laser radiation in comparison with the prototype will have a longer life when transmitting the same power of the laser beam.

Claims

A device for focusing laser radiation, containing an output axicon made in the form of coaxially located internal and peripheral reflective surfaces, while the internal reflective surface of the axicon is mounted on the end of the rod connected to the peripheral reflective surface of the axicon through pylons connected to the sleeve, characterized in that In the inner volume of the sleeve in front of the shaft, the same first conical lens and second conical lens are coaxially placed, the distance between which I determine according to the formula

where: L is the distance between the first conical lens and the second conical lens;

d _P is the diameter of the initial continuous laser beam;

d _B is the inner diameter of the converted ring laser beam;

α is the angle at the base of the conical lens;

n is the refractive index of the material of the conical lens for the wavelength of the laser radiation.