RU2149435C1 - Оптическая система для коррекции формы прямоугольного лазерного пучка - Google Patents
Оптическая система для коррекции формы прямоугольного лазерного пучка Download PDFInfo
- Publication number
- RU2149435C1 RU2149435C1 RU98110387A RU98110387A RU2149435C1 RU 2149435 C1 RU2149435 C1 RU 2149435C1 RU 98110387 A RU98110387 A RU 98110387A RU 98110387 A RU98110387 A RU 98110387A RU 2149435 C1 RU2149435 C1 RU 2149435C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser beam
- laser
- lenses
- lens
- optical system
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Lenses (AREA)
Abstract
Оптическая система содержит последовательно расположенные по ходу лучей две положительные сферические линзы. Линзы установлены с наклоном в противоположные стороны относительно оси пучка лазера в плоскости наибольшей угловой расходимости пучка. Расстояние s от выходного окна лазера до первой линзы, фокусное расстояние f линз и угол наклона α осей линз относительно оси пучка лазера определяются из приведенных соотношений. Обеспечивается уменьшение аберрационных искажений лазерного пучка. 4 ил.
Description
Изобретение относится к оптическим системам для коррекции формы прямоугольного лазерного пучка и может быть использовано для коррекции формы пучка щелевого CO2 или CO лазера.
Известны оптические системы для коррекции формы лазерного пучка, содержащие призмы и цилиндрические линзы [1, 2]. Недостатком этих систем является высокая стоимость изготовления призм и цилиндрических линз.
Известна оптическая система для коррекции формы прямоугольного лазерного пучка, содержащая сферические зеркала [3]. Недостатком этой системы является сложность конструкции из-за поворотов оси лазерного пучка в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является оптическая система, содержащая децентрированную сферическую линзу [4]. Недостатком этой системы является низкое качество скорректированного лазерного пучка из-за аберрационных искажений.
Целью настоящего изобретения является уменьшение аберрационных искажений скорректированного лазерного пучка.
Поставленная цель достигается тем, что в оптической системе для коррекции формы прямоугольного лазерного пучка, содержащей последовательно расположенные по ходу лучей две положительные сферические линзы, линзы устанавливаются с наклоном в противоположные стороны относительно оси лазерного пучка в плоскости наибольшей угловой расходимости лазерного пучка, при этом расстояние s от выходного окна до первой линзы, фокусное расстояние линз f и угол наклона α осей линз относительно оси пучка лазера определяются из следующих соотношений:
где zx, zy - конфокальные параметры пучка лазера в плоскостях наименьшей и наибольшей угловой расходимости соответственно;
k1 = (zx • sy - zy • sx)/(zx - zy;
k2 = (zx • sy 2 - zy • sx 2)/(zx - zy);
k3 = (sx + s)/(zx - zy);
fy = zy 2/(sy + s) + sy + s;
sx, sy - расстояния от выходного окна лазера до перетяжек пучка лазера в плоскостях наименьшей и наибольшей угловой расходимости, соответственно;
n - показатель преломления материала линз.
где zx, zy - конфокальные параметры пучка лазера в плоскостях наименьшей и наибольшей угловой расходимости соответственно;
k1 = (zx • sy - zy • sx)/(zx - zy;
k2 = (zx • sy 2 - zy • sx 2)/(zx - zy);
k3 = (sx + s)/(zx - zy);
fy = zy 2/(sy + s) + sy + s;
sx, sy - расстояния от выходного окна лазера до перетяжек пучка лазера в плоскостях наименьшей и наибольшей угловой расходимости, соответственно;
n - показатель преломления материала линз.
На фиг. 1 представлена оптическая система для коррекции формы астигматического пучка лазера, разрез в плоскости X наименьшей угловой расходимости пучка; на фиг. 2 - то же в плоскости Y наибольшей угловой расходимости пучка; на фиг. 3 и 4 - вариант оптической системы для коррекции формы астигматического пучка лазера с уменьшенными габаритами, разрезы в плоскости X и Y соответственно.
Оптическая система содержит размещенные на оси пучка волноводного щелевого лазера две одинаковые сферические линзы, установленные с наклоном в противоположные стороны относительно оси пучка лазера в плоскости Y, перпендикулярной плоскости стенок волновода.
Оптическая система работает следующим образом. В плоскости X, параллельной плоскости стенок волновода, пучок щелевого лазера характеризуется малой угловой расходимостью и большим расстоянием от выходного окна лазера до перетяжки пучка. В плоскости Y, перпендикулярной плоскости стенок волновода, наоборот, пучок характеризуется большой угловой расходимостью и малым расстоянием от выходного окна лазера до перетяжки пучка [5, 6]. Соответственно, конфокальный параметр пучка в плоскости X больше конфокального параметра в плоскости Y.
Оптическая система преобразует пучок лазера так, что в выходном пучке конфокальные параметры и положения перетяжек одинаковы как в плоскости X, так и в плоскости Y. Общий конфокальный параметр выходного пучка равен конфокальному параметру пучка лазера в плоскости Y, а общее расстояние от второй линзы до перетяжки выходного пучка равно расстоянию от первой линзы до перетяжки пучка лазера в плоскости Y. При этих условиях в плоскости Y действие первой линзы на пучок лазера противоположно действию второй линзы, поэтому аберрационные искажения, вызванные децентрировкой линз, взаимно компенсируются. В плоскости X такие аберрационные искажения отсутствуют.
Таким образом астигматический пучок щелевого лазера преобразуется оптической системой в симметричный пучок, свободный от аберрационных искажений. Преобразованный пучок можно сфокусировать сферической линзой и использовать для различных применений.
На фиг. 1 и 2 показаны:
O - центр выходного окна лазера;
Оx, Оy - центры перетяжек пучка лазера в плоскостях X и Y соответственно;
О3 - центр перетяжки скоррегированного пучка;
О1, O2 - центры первой и второй линз соответственно;
AxA1A2A3BxB1B2B3CxC1C2C3DxD1D2D3 - крайние точки пучка в плоскостях X и Y соответственно.
O - центр выходного окна лазера;
Оx, Оy - центры перетяжек пучка лазера в плоскостях X и Y соответственно;
О3 - центр перетяжки скоррегированного пучка;
О1, O2 - центры первой и второй линз соответственно;
AxA1A2A3BxB1B2B3CxC1C2C3DxD1D2D3 - крайние точки пучка в плоскостях X и Y соответственно.
Введем обозначения:
OxO = sx; OyO = sy; OO1 = s; A1B1 = a1, A2B2 = а2;
zx, zy - конфокальные параметры пучка лазера в плоскостях X и Y соответственно;
Zx, Zy - конфокальные параметры скорригированного пучка в плоскостях X и Y соответственно.
OxO = sx; OyO = sy; OO1 = s; A1B1 = a1, A2B2 = а2;
zx, zy - конфокальные параметры пучка лазера в плоскостях X и Y соответственно;
Zx, Zy - конфокальные параметры скорригированного пучка в плоскостях X и Y соответственно.
Будем полагать, что толщины линз и расстояние между линзами много меньше расстояния от линз до перетяжки пучка лазера. Тогда указанные выше условия отсутствия аберрационных искажений можно задать следующими соотношениями:
a1=a2; Zx=zy; Zy=zy. (1)
Рассматривая прохождение пучка лазера через линзы в параксиальном приближении [7], соотношения (1) можно представить в следующем виде:
zx + (sx + s)2/zx = zy + (sy + s)/zy; (2)
fx 2 = zx 2 + (sx + s - fx)2 • zy/zx; (3)
fy 2 = zy 2 + (sy + s - fy)2; (4)
где fx и fy - эквивалентные фокусные расстояния оптической системы в плоскостях X и Y соответственно.
a1=a2; Zx=zy; Zy=zy. (1)
Рассматривая прохождение пучка лазера через линзы в параксиальном приближении [7], соотношения (1) можно представить в следующем виде:
zx + (sx + s)2/zx = zy + (sy + s)/zy; (2)
fx 2 = zx 2 + (sx + s - fx)2 • zy/zx; (3)
fy 2 = zy 2 + (sy + s - fy)2; (4)
где fx и fy - эквивалентные фокусные расстояния оптической системы в плоскостях X и Y соответственно.
Эквивалентные фокусные расстояния оптической системы можно найти с помощью формул для меридионального и сагитального инвариантов сферической поверхности [4]:
где α - угол наклона осей линз относительно оси пучка лазера;
f - фокусное расстояние линз;
n - показатель преломления материала линз.
где α - угол наклона осей линз относительно оси пучка лазера;
f - фокусное расстояние линз;
n - показатель преломления материала линз.
Из (4) - (7) после преобразований получим следующие соотношения:
k1 = (zx • sy - zy • sx)/(zx - zy); (9)
k2 = (zx • sy 2- zy • sx 2/(zx - zy); (10)
k3 = (sx + s)/(zx - zy); (11)
fy = zy 2/(sy + s) + sy + s. (13)
Для щелевого лазера характерные значения конфокальных параметров zx, zy и расстояний sx, sy от выходного окна лазера до перетяжек пучка в плоскостях X и Y лежат в пределах zx = 2000 - 8000 мм, zy = 200-800 мм, sx = 400 - 1200 мм, sy = 15 - 60 мм. Из соотношений (8) - (13) можно получить, что соответствующие значения расстояние s от выходного окна лазера до первой линзы, фокусного расстояния f линз и угла наклона α осей линз относительно оси лазерного пучка лежат в пределах: s = 600 - 1500 мм; f = 2000 - 5000 мм; α = 35 - 45o.
k1 = (zx • sy - zy • sx)/(zx - zy); (9)
k2 = (zx • sy 2- zy • sx 2/(zx - zy); (10)
k3 = (sx + s)/(zx - zy); (11)
fy = zy 2/(sy + s) + sy + s. (13)
Для щелевого лазера характерные значения конфокальных параметров zx, zy и расстояний sx, sy от выходного окна лазера до перетяжек пучка в плоскостях X и Y лежат в пределах zx = 2000 - 8000 мм, zy = 200-800 мм, sx = 400 - 1200 мм, sy = 15 - 60 мм. Из соотношений (8) - (13) можно получить, что соответствующие значения расстояние s от выходного окна лазера до первой линзы, фокусного расстояния f линз и угла наклона α осей линз относительно оси лазерного пучка лежат в пределах: s = 600 - 1500 мм; f = 2000 - 5000 мм; α = 35 - 45o.
Например, прямыми измерениями параметров пучка разработанного щелевого CO2 лазера получены следующие значения: sx = 800 мм, sy = 20 мм, zx = 3700 мм, zy = 270 мм. В качестве материала для изготовления линз использован селенид цинк с показателем преломления n = 2.4. Из соотношений (8) - (13) определяются конструктивные параметры оптической системы для коррекции формы пучка лазера: s = 1040 мм; f = 3140 мм; α = 41o30'.
При большой ширине лазерного пучка соотношения (8)-(13) приводят к большому значению расстояния от выходного окна лазера до первой линзы и, следовательно, к большому продольному габариту оптической системы. Продольный габарит можно значительно уменьшить, если непосредственно за выходным окном лазера перед оптической системой для коррекции формы пучка установить телескопическую систему из двух сферических линз. Телескопическая система пропорционально уменьшает размеры поперечного сечения и увеличивает угловую расходимость пучка лазера, то есть действие телескопической системы эквивалентно уменьшению масштаба вдоль оси пучка лазера. В соответствии с этим уменьшается продольный габарит оптической системы для коррекции формы пучка лазера.
На фиг. 3 и 4 дополнительно показаны:
О'x, О'y - центры перетяжек пучка после телескопической системы в плоскостях X и Y соответственно;
P1, P2 - центры первой и второй линз телескопической системы соответственно.
О'x, О'y - центры перетяжек пучка после телескопической системы в плоскостях X и Y соответственно;
P1, P2 - центры первой и второй линз телескопической системы соответственно.
Введем дополнительные обозначения:
OP1 = p; O'x = s'x; О'yО = s'y;
f1, f2 - фокусные расстояния первой и второй линз телескопической системы соответственно;
z'x, z'y - конфокальные параметры пучка после телескопической системы в плоскостях X и Y соответственно.
OP1 = p; O'x = s'x; О'yО = s'y;
f1, f2 - фокусные расстояния первой и второй линз телескопической системы соответственно;
z'x, z'y - конфокальные параметры пучка после телескопической системы в плоскостях X и Y соответственно.
Рассматривая прохождение пучка лазера через телескопическую систему в параксиальном приближении [7], можно получить:
z'x = (f2/f1)2 • zx; (14)
z'y = (f2/f1)2 • zy; (15)
s'x = (f2/f1)2 • (sx + p - f1) + 2 • f2 + p; (16)
s'y = (f2/f1)2 • (sy + p - f1) + 2 • f2 + p. (17)
Конструктивные параметры оптической системы для коррекции формы пучка, прошедшего через телескопическую систему, определяются соотношениями (8) - (13), если в них сделать замену zx, zy, sx, sy на z'x, z'y, s'x, s'y соответственно.
z'x = (f2/f1)2 • zx; (14)
z'y = (f2/f1)2 • zy; (15)
s'x = (f2/f1)2 • (sx + p - f1) + 2 • f2 + p; (16)
s'y = (f2/f1)2 • (sy + p - f1) + 2 • f2 + p. (17)
Конструктивные параметры оптической системы для коррекции формы пучка, прошедшего через телескопическую систему, определяются соотношениями (8) - (13), если в них сделать замену zx, zy, sx, sy на z'x, z'y, s'x, s'y соответственно.
Например, пучок лазера имеет указанные выше параметры, а расстояние от выходного окна лазера до первой линзы телескопической системы и фокусные расстояния первой и второй линз телескопической системы равны соответственно p = 10 мм; f1 = 100 мм; f2 = - 50 мм. В качестве материала для изготовления линз также использован селенид цинка. Из соотношений (6)-(17) определяются конструктивные параметры оптической системы для коррекции формы пучка: s = 285 мм; f = 810 мм; α = 41o5'.
Таким образом астигматический пучок щелевого лазера преобразуется оптической системой в симметричный пучок, свободный от аберрационных искажений. Преобразованный пучок можно сфокусировать сферической линзой и использовать для различных применений.
Список использованных источников
1. А. с. СССР N 1624392, МКИ5 G 02 В 27/30, опубл. 30.01.91, бюл. N 4.
1. А. с. СССР N 1624392, МКИ5 G 02 В 27/30, опубл. 30.01.91, бюл. N 4.
2. Патент ЕР N 0100242, МКИ5 G 02 B 13/00, H 01 S 3/00, опубл. 29.01.89.
3. Патент США N 5206763, МКИ5 G 02 В 5/10, G 01 В 17/06, опубл. 27.04.93.
4. Вычислительная оптика. Справочник под общ. ред. проф. М.М.Русинова. Л., "Машиностроение", 1984, стр. 304.
5. Патент США N 5283797, МКИ5 H 01 S 5/04, опубл. 01.02.94.
6. A. D. Colley, F.Villfreal, H.J.Baker, D.R.Hall. Hgh brightness slab waveguide carbon monooxide laser. Appl. Phys. Lett. 64 (22), May 1994.
7. И.И.Пахомов, А.Б.Цибуля. Расчет оптических систем лазерных приборов. М., "Радио и связь", 1986.
Claims (1)
- Оптическая система для коррекции формы астигматического пучка лазера, содержащая последовательно расположенные по ходу лучей две положительные сферические линзы, отличающаяся тем, что линзы устанавливаются с наклоном в противоположные стороны относительно оси пучка лазера в плоскости наибольшей угловой расходимости пучка, при этом расстояние s от выходного окна лазера до первой линзы, фокусное расстояние f линз и угол наклона α осей линз относительно оси пучка лазера определяются из следующих соотношений:
где zx, zy - конфокальные параметры пучка лазера в плоскостях наименьшей и наибольшей угловой расходимости соответственно;
k1 = (zx • sy - zy • sx)/(zx - zy);
k2 = (zx • sy 2 - zy • sx 2)/(zx - zy);
k3 = (sx + s)/(zx - zy);
fy = zy 2/(sy + s) + sy + s;
sx, sy - расстояние от выходного окна лазера до перетяжек пучка лазера в плоскостях наименьшей и наибольшей угловой расходимости соответственно;
n - показатель преломления материала линз.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU98110387A RU2149435C1 (ru) | 1998-06-01 | 1998-06-01 | Оптическая система для коррекции формы прямоугольного лазерного пучка |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU98110387A RU2149435C1 (ru) | 1998-06-01 | 1998-06-01 | Оптическая система для коррекции формы прямоугольного лазерного пучка |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU98110387A RU98110387A (ru) | 2000-04-10 |
| RU2149435C1 true RU2149435C1 (ru) | 2000-05-20 |
Family
ID=20206680
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU98110387A RU2149435C1 (ru) | 1998-06-01 | 1998-06-01 | Оптическая система для коррекции формы прямоугольного лазерного пучка |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2149435C1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2488861C1 (ru) * | 2012-06-29 | 2013-07-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Способ изменения диаметра перетяжки выходного лазерного пучка на фиксированном расстоянии от лазера |
| RU2811390C1 (ru) * | 2023-08-18 | 2024-01-11 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Способ формирования пучка лазерного излучения с сечением прямоугольной формы и равномерным распределением интенсивности |
-
1998
- 1998-06-01 RU RU98110387A patent/RU2149435C1/ru active
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2488861C1 (ru) * | 2012-06-29 | 2013-07-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Способ изменения диаметра перетяжки выходного лазерного пучка на фиксированном расстоянии от лазера |
| RU2811390C1 (ru) * | 2023-08-18 | 2024-01-11 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Способ формирования пучка лазерного излучения с сечением прямоугольной формы и равномерным распределением интенсивности |
| RU2811392C1 (ru) * | 2023-08-18 | 2024-01-11 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Устройство формирования пучка лазерного излучения с сечением прямоугольной формы и равномерным распределением интенсивности |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5414559A (en) | Device for homogenizing a light beam | |
| EP1488269B1 (en) | Compact four-mirror anastigmat telescope | |
| EP0852020B1 (en) | Integrated optical system for endoscopes and the like | |
| JP2002510431A (ja) | レンズ、特に電子顕微鏡の対物レンズの３次の開口収差を補正する装置 | |
| WO2002050595A3 (de) | Projektionsobjektiv | |
| JPS6079319A (ja) | 高変倍ズ−ムレンズ | |
| KR20220083651A (ko) | 촬상 광학계 | |
| US7050223B1 (en) | DUV-capable microscope objective with parfocal IR focus | |
| RU2149435C1 (ru) | Оптическая система для коррекции формы прямоугольного лазерного пучка | |
| US5946141A (en) | Apochromatic lens system for relaying laser beam waists | |
| JPH09127415A (ja) | ２群ズームレンズ | |
| KR100256205B1 (ko) | 소형 줌렌즈 | |
| US6356388B1 (en) | Wide-angle catoptric focal system with mirrors | |
| CN116699817A (zh) | 变焦镜头和激光照明装置 | |
| EP0990935B1 (en) | Lens for copying and image copying apparatus using the same | |
| EP3955043A1 (en) | Optical system | |
| KR102163870B1 (ko) | 망원렌즈 시스템 | |
| US5991082A (en) | Lens system with multiple focal lines | |
| US7248405B2 (en) | Re-focusing mechanism for imaging system | |
| EP0226881A2 (en) | Fiber optic relay connector | |
| JPH0829737A (ja) | 像ブレ補正変倍光学系 | |
| US4245891A (en) | Zoom lens system with a movable distortion-correcting element | |
| EP3118663A1 (en) | An optical component for an optical instrument, and methods of use for enhancing an image intensity or spatial resolution | |
| JPS6330609B2 (ru) | ||
| KR102283288B1 (ko) | 라인빔 형성장치 |