RU2746857C1

RU2746857C1 - Method for controlling pulsed optical radiation

Info

Publication number: RU2746857C1
Application number: RU2020134906A
Authority: RU
Inventors: Иван Викторович Плешаков; Елена Николаевна Величко
Priority date: 2020-10-23
Filing date: 2020-10-23
Publication date: 2021-04-21

Abstract

FIELD: optical instrumentation.

SUBSTANCE: invention relates to the field of optical instrumentation and concerns a method for controlling pulsed optical radiation. Pulsed optical radiation is controlled by a control element in the form of a plate or lens located in the path of radiation distribution. Elastic vibrations are excited in the control element, which change the curvature of its surface and thereby shift the focus of the control element. The elastic vibrations are synchronized with the optical radiation pulses in such a way that it is focused at a given distance from the radiation source.

EFFECT: increased distance at which high-density radiation can be obtained, and increased accuracy of moving the focus area.

1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к оптике, а именно к той ее области, которая разрабатывает способы и устройства управления параметрами светового, преимущественно, лазерного, излучения с использованием деформируемых элементов. Оно может быть применено в технологических операциях резки и сварки, в медицинских приложениях, связанных с воздействием на биологические ткани, а также в системах дистанционного переноса энергии светового излучения.The invention relates to optics, in particular to the field that develops methods and devices for controlling the parameters of light, mainly laser, radiation using deformable elements. It can be used in technological operations of cutting and welding, in medical applications related to the impact on biological tissues, as well as in systems for the remote transfer of light energy.

Одним из направлений техники световых пучков является создание приспособлений, предназначенных для различных преобразований электромагнитного излучения видимого или близких диапазонов. Они представляют собой совокупности оптических элементов, использующих явления отражения и преломления, а также волновые свойства света (зеркала, призмы, линзы, поляризаторы, дифракционные решетки и т.п.) [Тудоровский А.И. Теория оптических приборов, М.: Изд. Академии наук СССР, 1948. 659 с.]. К приборам, воздействующим на оптическое излучение, относятся также модуляторы, изменяющие его временные характеристики; примером модулятора, использующего механический принцип, является устройство, описанное в патенте [Мышкин В.Ф., Ижойкин Д.А., Ушаков И.А., Хан В.А. Устройство для модуляции монохроматического оптического излучения. Патент 2517823 от 27.07.2012, Бюл. Изобретения. Полезные модели. № 15, 2014]. Данные приспособления не повышают плотности потока электромагнитной энергии, хотя формирование концентрированных пучков важно для решения многих практических задач. Источником излучения, обеспечивающим наименьшую расходимость пучка, т.е. достаточно высокую плотность энергии на большом удалении от источника, является лазер, причем особое место в технике отводится импульсным лазерам, манипулирование характеристиками которых позволяет создавать удобные режимы, применяемые, например, для сверления отверстий [Forsman A.C., Lundgren E.H., Dodell A.L., Komashko A.M., Armas M.S. A nanosecond pulse format for improved laser drilling // Photonics Spectra (preprint), V. 41. 2007. 11 p.]. Однако при любых вариантах использования лазеров у этих приборов сохраняются определенные недостатки. Они, как и другие источники света, создают расходящийся луч, то есть в том случае, если предполагается действие света на удаленный объект, плотность энергии в нем может оказаться мала, и, кроме того, даже на близком расстоянии лазеры не всегда обеспечивает достаточную для выполнения операций обработки концентрацию светового пучка. One of the directions of the technology of light beams is the creation of devices designed for various transformations of electromagnetic radiation in the visible or near ranges. They are a set of optical elements using the phenomena of reflection and refraction, as well as the wave properties of light (mirrors, prisms, lenses, polarizers, diffraction gratings, etc.) [Tudorovsky A.I. Theory of optical devices, M .: Izd. Academy of Sciences of the USSR, 1948. 659 p.]. Devices affecting optical radiation also include modulators that change its temporal characteristics; an example of a modulator using a mechanical principle is the device described in the patent [Myshkin V.F., Izhoikin D.A., Ushakov I.A., Khan V.A. A device for modulating monochromatic optical radiation. Patent 2517823 from 27.07.2012, Bul. Inventions. Utility models. No. 15, 2014]. These devices do not increase the electromagnetic energy flux density, although the formation of concentrated beams is important for solving many practical problems. A radiation source providing the smallest beam divergence, i.e. a fairly high energy density at a great distance from the source is a laser, and a special place in technology is given to pulsed lasers, the manipulation of the characteristics of which allows you to create convenient modes used, for example, for drilling holes [Forsman AC, Lundgren EH, Dodell AL, Komashko AM, Armas MS A nanosecond pulse format for improved laser drilling // Photonics Spectra (preprint), V. 41. 2007. 11 p.]. However, in any case of using lasers, these devices still have certain disadvantages. They, like other light sources, create a diverging beam, that is, if the action of light on a distant object is assumed, the energy density in it may be low, and, in addition, even at a close distance, lasers do not always provide sufficient processing operations the concentration of the light beam.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ управления оптическим излучением, заключающийся в установке фокусирующей оптики на пути распространения генерируемого лазером светового потока [Дудкин В.И., Пахомов Л.Н. Квантовая электроника, СПб: Изд. Политехнического университета, 2012. 495 с. Гл. 24 “Технологические применения лазеров”, С. 421 – 429]. На схеме, относящейся к его описанию, изображена система доставки излучения в устройстве обработки материалов лазерным лучом, включающая ряд упомянутых выше элементов, и завершающаяся устройством фокусировки. Ее эквивалентной оптической схемой является лазер и расположенная на пути создаваемого им луча фокусирующая линза. По приведенным сведениям, данный способ позволяет получить плотности энергии от 10⁵ Вт/см² (начало плавления) до 10⁹ Вт/см² (испарение образцов). Следует отметить, что данный способ предполагает применение как непрерывного излучения, так и световых импульсов с длительностями от миллисекунд до пикосекунд, причем указывается, что использование коротких импульсов позволяет во многих операциях повысить прецезионность и воспроизводимость лазерного воздействия.Closest to the proposed invention is a method for controlling optical radiation, which consists in installing focusing optics on the path of propagation of the laser-generated light flux [Dudkin VI, Pakhomov LN Quantum Electronics, St. Petersburg: Ed. Polytechnic University, 2012.495 p. Ch. 24 “Technological applications of lasers”, pp. 421 - 429]. The diagram related to its description shows a radiation delivery system in a device for processing materials with a laser beam, including a number of the above-mentioned elements, and ending with a focusing device. Its equivalent optical scheme is a laser and a focusing lens located in the path of the beam it creates. According to the information given, this method allows obtaining energy densities from 10 ⁵ W / cm ² (beginning of melting) to 10 ⁹ W / cm ² (evaporation of samples). It should be noted that this method involves the use of both continuous radiation and light pulses with durations from milliseconds to picoseconds, and it is indicated that the use of short pulses makes it possible to increase the precision and reproducibility of laser action in many operations.

К недостаткам прототипа относятся невозможность обеспечить фокусировку на дальних расстояниях, а также регулировку положения фокуса в больших пределах. Действительно, оптическая система прототипа включает преломляющие поверхности, точность обработки которых имеет ограничения. Оценим то, какую кривизну должны иметь оптические поверхности для обеспечения заданного фокусного расстояния, воспользовавшись формулой для тонкой сферической линзы: The disadvantages of the prototype include the inability to provide focusing at long distances, as well as adjusting the focus position over a wide range. Indeed, the optical system of the prototype includes refractive surfaces, the processing accuracy of which has limitations. Let us estimate what curvature the optical surfaces must have to ensure a given focal length, using the formula for a thin spherical lens:

, (1)

, (one)

n₀ – показатель преломления окружающей среды;n ₀ - refractive index of the environment;

f – отсчитываемое от центра линзы фокусное расстояние;f is the focal length measured from the center of the lens;

n – показатель преломления материала линзы;n is the refractive index of the lens material;

R₁ – радиус кривизны поверхности, которая ближе к источнику света (положителен, если поверхность выпуклая);R ₁ - radius of curvature of the surface, which is closer to the light source (positive if the surface is convex);

R₂ – радиус кривизны поверхности, которая дальше от источника света (отрицателен, если поверхность выпуклая).R ₂ is the radius of curvature of the surface that is farther from the light source (negative if the surface is convex).

Если положить n₀ = 1 (воздух), и ввести обозначения, которые показаны на Фиг. 1, иллюстрирующей геометрические характеристики линзы, для двояковыпуклой линзы 1 с одинаковой кривизной поверхностей (R₁ = R₂ = R) из (1) можно получитьIf we put n ₀ = 1 (air), and enter the designations shown in FIG. 1, illustrating the geometric characteristics of the lens, for a biconvex lens 1 with the same curvature of surfaces (R ₁ = R ₂ = R) from (1) you can obtain

, (2)

δ – максимальное отклонение оптической поверхности от плоскости, ограничивающей выпуклую часть линзы (параметр, характеризующий выпуклость);δ is the maximum deviation of the optical surface from the plane limiting the convex part of the lens (a parameter characterizing the convexity);

r – радиус линзы.r is the lens radius.

При выводе (2) было учтено то, что отношение

для реальных линз мало, и квадратный корень

допускает разложение в ряд. Для большинства используемых в прикладной оптике материалов показатель преломления n может считаться приблизительно равным 1.5. Тогда, согласно (2), для типичных значений r = 2 см и f = 10 см, δ оказывается равным 2 мм, что соответствует средним значениям выпуклости обычных линз. При увеличении f уменьшится δ, и при необходимости перенести сконцентрированное излучение, например, на расстояние 100 м потребуется изготовить линзу с δ ~ 2 мкм. Дальнейшее увеличение дистанции делает этот параметр еще меньшим, т.е. задача изготовления такой линзы становится практически невыполнимой. Оптическая система, состоящая более чем из одной линзы, допускает регулировку положения фокуса в определенных пределах, однако эти пределы задаются фокусными расстояниями использованных в системе элементов и составляют, как правило, десятки сантиметров. В соответствии со сделанным рассмотрением, никакая регулировка положения фокуса на больших дистанциях невозможна. Таким образом, прототип действительно обладает перечисленными выше недостатками.When deriving (2), it was taken into account that the ratio

for real lenses is small, and the square root

admits a series expansion. For most materials used in applied optics, the refractive index n can be considered approximately equal to 1.5. Then, according to (2), for typical values r = 2 cm and f = 10 cm, δ turns out to be equal to 2 mm, which corresponds to the average values of the convexity of conventional lenses. With increasing f, δ will decrease, and if it is necessary to transfer concentrated radiation, for example, at a distance of 100 m, it will be necessary to make a lens with δ ~ 2 μm. A further increase in the distance makes this parameter even smaller, i.e. the task of making such a lens becomes almost impossible. An optical system consisting of more than one lens allows adjustment of the focus position within certain limits, however, these limits are set by the focal lengths of the elements used in the system and are, as a rule, tens of centimeters. According to the above consideration, no adjustment of the focus position is possible at long distances. Thus, the prototype really has the disadvantages listed above.

Технической задачей настоящего изобретения является увеличение расстояния, на котором может быть получено импульсное оптическое излучение высокой плотности при возможности управления положением области его высокой концентрации, т.е. повышение эффективности работы оптической системы, создающей высокоэнергетические световые пучки. Поставленная задача решается тем, что в управляющем элементе в виде пластины или линзы, расположенном на пути распространения излучения возбуждают упругие колебания, изменяющие кривизну его поверхности и посредством этого сдвигающие фокус управляющего элемента, синхронизированные с импульсами оптического излучения таким образом, чтобы его фокусировка происходила на заданном расстоянии от источника излучения.The technical problem of the present invention is to increase the distance at which high-density pulsed optical radiation can be obtained with the possibility of controlling the position of the region of its high concentration, i.e. increasing the efficiency of the optical system that creates high-energy light beams. The problem is solved by the fact that elastic vibrations are excited in the control element in the form of a plate or lens located on the path of propagation of radiation, which change the curvature of its surface and thereby shift the focus of the control element, synchronized with pulses of optical radiation so that it is focused on a given distance from the radiation source.

Действие способа поясняется следующими графическими изображениями.The operation of the method is illustrated by the following graphical images.

Фигура 1. Геометрические характеристики двояковыпуклой линзы:Figure 1. Geometric characteristics of a biconvex lens:

1 – линза,1 - lens,

R – радиус кривизны оптической поверхности,R is the radius of curvature of the optical surface,

r – радиус линзы,r - lens radius,

δ – параметр, характеризующий выпуклость оптической поверхности.δ is a parameter characterizing the convexity of the optical surface.

Фигура 2. Фокусирующее действие управляющих элементов в виде пластины (а) или линзы (б):Figure 2. Focusing action of control elements in the form of a plate (a) or a lens (b):

2 – управляющий элемент,2 - control element,

3 – оптическое излучение (световой пучок),3 - optical radiation (light beam),

4 – колеблющаяся поверхность управляющего элемента,4 - oscillating surface of the control element,

5 – направление колебаний,5 - direction of vibrations,

6 – сфокусированное оптическое излучение,6 - focused optical radiation,

f – фокус,f - focus,

f' – смещенный фокус.f '- shifted focus.

Фигура 3. Временнáя диаграмма упругих колебаний (а) и подаваемой на управляющей элемент последовательности оптических импульсов (б):Figure 3. Time diagram of elastic vibrations (a) and a sequence of optical pulses supplied to the control element (b):

7 – возможный сдвиг импульсной последовательности относительно гармонических упругих колебаний,7 - a possible shift of the pulse sequence relative to harmonic elastic vibrations,

t – время,t - time,

T – период упругих колебаний,T is the period of elastic vibrations,

T_имп – период поступления оптических импульсов,T _imp is the period of arrival of optical pulses,

τ – длительность оптического импульса,τ is the duration of the optical pulse,

δ – параметр, характеризующий выпуклость оптической поверхности,δ is a parameter characterizing the convexity of the optical surface,

I – интенсивность оптического излучения.I is the intensity of optical radiation.

Фигура 4. Пример реализации управляющего элемента:Figure 4. An example of a control element implementation:

2 – управляющий элемент,2 - control element,

5 – направление колебаний,5 - direction of vibrations,

8 – кольцо,8 - ring,

9 – пьезоэлемент,9 - piezoelectric element,

Физический принцип, положенный в основу предлагаемого способа состоит в том, что фокусировка излучения обеспечивается управляющим элементом 2, работающим в динамическом режиме (Фиг. 2). Вначале покажем его действие в случае плоскопараллельной пластины (которая может рассматриваться как линза с бесконечным радиусом кривизны, R = ∞ , и соответственно, с бесконечно удаленным фокусом, f = ∞). Пусть, как это демонстрирует Фиг. 2а, на пути распространения оптического излучения 3 помещен данный элемент 2, в котором, согласно формуле изобретения, возбуждены упругие колебания. Если они совершаются так, как изображено на рисунке, т.е. на диаметре пластины укладывается половина длины волны колебаний, и все точки ее поверхности движутся в одну сторону (или же по-другому, но так, что точки движутся в одном направлении в освещенной части поверхности), образующееся искривление 4 создает конфигурацию, подобную линзе (смещения в направлении 5). Методы возбуждения и численные характеристики колебаний даны в приведенных ниже примерах конкретного исполнения, показывающих возможность создания динамической линзы с меняющейся во времени кривизной поверхности. Математически ее форма может отличаться от обеспечивающей идеальную фокусировку параболы (так, часто встречающимся решениями задачи об упругих колебаниях цилиндра являются функции Бесселя), но это не означает отсутствие у описываемой ими поверхности фокусирующих свойств. За счет неизбежных отклонений от заданной формы преломляющей поверхности и/или при использовании непараболических поверхностей, во всех реальных оптических системах присутствуют аберрации, и тем не менее, они способны создавать существенное увеличение концентрации светового потока 6. Функция Бесселя на рабочем участке (апертура оптической системы) может иметь меньшее расхождение с параболой, чем сфера, т.е. возможна такая ситуация, когда динамическая линза будет обладать даже лучшими фокусирующими свойствами, чем обычная. Кроме того, конструкция элемента может быть специально подобрана так, чтобы при возбуждении его колебаний функция, описывающая искривленную поверхность, была близка к параболе.The physical principle underlying the proposed method is that the focusing of radiation is provided by a control element 2 operating in a dynamic mode (Fig. 2). First, let us show its effect in the case of a plane-parallel plate (which can be considered as a lens with an infinite radius of curvature, R = ∞, and, accordingly, with an infinitely distant focus, f = ∞). Let, as shown in FIG. 2a, this element 2 is placed on the path of propagation of optical radiation 3, in which, according to the claims, elastic vibrations are excited. If they are performed as shown in the figure, i.e. on the diameter of the plate, half the wavelength of the oscillations fits, and all points of its surface move in one direction (or in another way, but so that the points move in one direction in the illuminated part of the surface), the resulting curvature 4 creates a configuration similar to a lens (displacement in direction 5). The methods of excitation and the numerical characteristics of the oscillations are given in the examples of specific executions given below, showing the possibility of creating a dynamic lens with a surface curvature that changes over time. Mathematically, its shape may differ from a parabola providing ideal focusing (for example, Bessel functions are often found solutions to the problem of elastic vibrations of a cylinder), but this does not mean that the surface described by them does not have focusing properties. Due to inevitable deviations from the given shape of the refractive surface and / or when using non-parabolic surfaces, aberrations are present in all real optical systems, and nevertheless, they are capable of creating a significant increase in the concentration of the luminous flux 6. Bessel function in the working area (aperture of the optical system) may have less divergence from the parabola than the sphere, i.e. a situation is possible when a dynamic lens will have even better focusing properties than a conventional one. In addition, the design of the element can be specially selected so that when its oscillations are excited, the function describing the curved surface is close to a parabola.

Другой случай, предусмотренный формулой изобретения, а именно изменение фокусировки при возбуждении колебаний в линзе с конечными радиусами оптических поверхностей показан на Фиг. 2б. Общий физический принцип действия способа здесь не отличается от рассмотренного выше, но фокус управляющего элемента перемещается уже не из бесконечности, а из положения f, находящегося от элемента на конечном расстоянии, в новое положение f', заданное мгновенной конфигурацией поверхности.Another case provided by the claims, namely, the change in focusing upon excitation of oscillations in a lens with finite radii of optical surfaces, is shown in FIG. 2b. The general physical principle of operation of the method here does not differ from that discussed above, but the focus of the control element is no longer moved from infinity, but from position f, located at a finite distance from the element, to a new position f ', given by the instantaneous configuration of the surface.

Оба варианта отличаются от прототипа тем, что колеблющаяся поверхность занимает все промежуточные конфигурации от стационарной (соответствующего такому состоянию управляющего элемента, в котором колебания не возбуждены) до конфигурации с максимальным значением отклонения δ. Это означает, что могут быть выбраны такие моменты времени t, когда оптическая поверхность имеет желательную, в том числе, сколь угодно малую, кривизну. Согласно выражению (2), чем меньше δ, тем на большее (в пределе, в рамках геометрической оптики, на бесконечное) расстояние передвигается фокус. Иначе говоря, по сравнению с прототипом обеспечивается увеличение фокусного расстояния.Both options differ from the prototype in that the oscillating surface occupies all intermediate configurations from a stationary one (corresponding to a state of the control element in which oscillations are not excited) to a configuration with a maximum deviation value δ. This means that such moments of time t can be chosen when the optical surface has the desired, including arbitrarily small, curvature. According to expression (2), the smaller δ, the greater (in the limit, within the framework of geometric optics, at infinite) distance the focus moves. In other words, in comparison with the prototype, an increase in the focal length is provided.

Поскольку управляющий элемент представляет собой динамический объект с периодически изменяющейся кривизной поверхности, постольку и его фокус занимает зависящее от времени положение в пространстве. Чтобы концентрация световой энергии происходила в определенном месте, оптическое излучение на него следует подавать в виде коротких импульсов, таких, чтобы за время их действия фокус не успевал сместиться на значительное расстояние. Данное утверждение поясняется Фиг. 3, на которой приведены временные диаграммы колебательного процесса (Фиг. 1а) и последовательности поступающих световых импульсов (Фиг. 1б). Если для периода упругих колебаний T и длительности светового импульса τ выполнено условие T >> τ, то, как видно из Фиг. 3, на протяжении действия импульса значительного перемещения фокуса не происходит. Если импульсная последовательность синхронизирована с периодом упругих колебаний, т.е. имеет равный или кратный период T_имп и подается так, что момент поступления импульса соответствует заданному положению фокуса, реализуется поставленная задача получения концентрированного светового потока на заранее определенной дистанции от оптической системы. Перемещением импульсной последовательности во времени 7 этой дистанцией можно управлять (Фиг. 3б). Отметим, что периодически совершающееся упругое колебание является стабилизированным, так как оно должно задаваться внешним генератором фиксированной частоты, а частота в технике является параметром, поддерживаемым с высокой точностью. Описанные выше преобразования могут быть совершены не только над излучением лазера, но, как это следует из основанного на рефракции принципа действия линзы, над световым потоком любого другого источника, работающего в импульсном режиме (например, светодиода), поэтому формула изобретения содержит указание на оптическое излучение в общем виде.Since the control element is a dynamic object with periodically changing curvature of the surface, its focus also occupies a time-dependent position in space. In order for the concentration of light energy to occur in a certain place, optical radiation should be applied to it in the form of short pulses, such that during their action the focus does not have time to shift a significant distance. This statement is illustrated in FIG. 3, which shows the timing diagrams of the oscillatory process (Fig. 1a) and the sequence of incoming light pulses (Fig. 1b). If the condition T >> τ is satisfied for the period of elastic oscillations T and the duration of the light pulse τ, then, as can be seen from Fig. 3, there is no significant focus movement during the duration of the pulse. If the pulse sequence is synchronized with the period of elastic oscillations, i.e. has an equal or multiple period T _imp and is supplied so that the moment of arrival of the pulse corresponds to a given focus position, the set task of obtaining a concentrated light flux at a predetermined distance from the optical system is realized. By moving the pulse train in time 7, this distance can be controlled (Fig. 3b). Note that the periodically occurring elastic vibration is stabilized, since it must be set by an external generator of a fixed frequency, and the frequency in technology is a parameter that is maintained with high accuracy. The transformations described above can be performed not only on laser radiation, but, as follows from the principle of operation of the lens based on refraction, on the luminous flux of any other source operating in a pulsed mode (for example, an LED), therefore the claims contain an indication of optical radiation in general.

Изобретение поясняется примерами.The invention is illustrated by examples.

Пример 1. Способ управления излучением пикосекундного импульсного лазера при использовании плоскопараллельной пластины в качестве управляющего элемента. На пути распространения лазерного излучения устанавливается управляющий элемент 2, конструкция которого показана на Фиг. 4 (Фиг. 4а – вид спереди, Фиг. 4б – вид сбоку). Элемент представляет собой круглую стеклянную пластину с показателем преломления n = 1.5, радиусом r = 2 см и толщиной d = 0.5 см. Пластина охватывается плотно насаженным и закрепленным по ободу кольцом 8 из твердого материала, в котором выполнены прорези с пьезоэлементами 9, также плотно соединенными с кольцом (их количество может отличаться от показанного на Фиг. 4). Переменным напряжением, подаваемым с генератора гармонических колебаний, в пьезоэлементах возбуждаются упругие колебания, изменяющего их толщины. За счет этого создаются изменения длины окружности кольца и связанные с ними периодические сжатия и растяжения пластины. Последние приводят к возникновению колебаний оптической поверхности, которые в центре пластины описываются выражениемExample 1. A method for controlling the radiation of a picosecond pulsed laser using a plane-parallel plate as a control element. On the path of propagation of the laser radiation, a control element 2 is installed, the design of which is shown in FIG. 4 (Fig. 4a - front view, Fig. 4b - side view). The element is a round glass plate with a refractive index n = 1.5, a radius of r = 2 cm and a thickness of d = 0.5 cm.The plate is enclosed by a ring 8 of a solid material tightly fitted and fixed along the rim, in which slots are made with piezoelectric elements 9, also tightly connected with a ring (their number may differ from that shown in Fig. 4). The alternating voltage supplied from the generator of harmonic oscillations excites elastic oscillations in the piezoelectric elements, changing their thickness. This creates changes in the circumference of the ring and the associated periodic compression and expansion of the plate. The latter give rise to oscillations of the optical surface, which in the center of the plate are described by the expression

, (3)

δ₀ – амплитуда колебаний;δ ₀ - vibration amplitude;

t – время;t is time;

ν – частота колебаний;ν is the vibration frequency;

ϕ – фаза колебаний (для дальнейшего рассмотрения несущественная).ϕ is the oscillation phase (insignificant for further consideration).

Применяя необходимое количество пьезоэлементов, нетрудно получить изменения радиуса пластины на величину ~ 1 мкм. Аппроксимируя форму оптической поверхности (на положительном полупериоде колебаний имеющей вид двояковыпуклой линзы) сферическими сегментами, получаем оценку δ₀ ~ 1 мкм. Тогда, согласно формуле (2), при достижении максимального значения кривизны фокусное расстояние f

200 м. (Отметим, что амплитуда δ₀ может быть увеличена и, соответственно, фокусное расстояние уменьшено, использованием больших напряжений, управляющих пьезоэлементами, или, например, возбуждением упругих колебаний на частоте, соответствующей акустическому резонансу пластины). Поскольку значения δ находятся в интервале от 0 до δ₀ (рабочим является положительный полупериод упругих колебаний), фокус будет располагаться на оптической оси системы на дальностях от десятков метров до (в указанном выше геометрическом приближении) бесконечности, в зависимости от того, с какой задержкой синхронизованы импульсы излучения и напряжение генератора. Если качестве источника излучения выбирается пикосекундный лазер (например, Nd:YAG EKSPLA с T_имп = 5·10^-4 с и τ = 3·10^-11 с, [Сетевой ресурс: https://www.czl.ru/catalog/lasers/ekspla/]), можно полагать T_имп << τ. Скорость движения центра оптической поверхности V легко получить из выражения (3):

; очевидно, что ее максимальное значение

, и при T_имп = T, ν = 1/T = 2 кГц оценивается, как

~ 1 см/с. Следовательно, наибольшая величина, на которую δ может измениться во время действия импульса

~ 10^-11 см, т.е. оно пренебрежимо мало. Таким образом, задача получения управляемого cфокусированного светового потока на значительном удалении от оптической системы оказывается решенной.Applying the required number of piezoelectric elements, it is easy to obtain changes in the radius of the plate by ~ 1 μm. Approximating the shape of the optical surface (having the form of a biconvex lens at the positive half-period of oscillations) with spherical segments, we obtain the estimate δ ₀ ~ 1 μm. Then, according to formula (2), when the maximum curvature value is reached, the focal length f

200 m. (Note that the amplitude δ ₀ can be increased and, accordingly, the focal length can be reduced by using high voltages controlling the piezoelectric elements, or, for example, by exciting elastic vibrations at a frequency corresponding to the acoustic resonance of the plate). Since the values of δ are in the range from 0 to δ ₀ (the working one is the positive half-period of elastic vibrations), the focus will be located on the optical axis of the system at distances from tens of meters to (in the above geometric approximation) infinity, depending on the delay the radiation pulses and the generator voltage are synchronized. If a picosecond laser is chosen as a radiation source (for example, Nd: YAG EKSPLA with T _imp = 5 · 10 ^-4 s and τ = 3 · 10 ^-11 s, [Network resource: https://www.czl.ru/catalog/ lasers / ekspla /]), we can assume T _imp << τ. The speed of movement of the center of the optical surface V can be easily obtained from expression (3):

; it is obvious that its maximum value

, and at T _imp = T, ν = 1 / T = 2 kHz is estimated as

~ 1 cm / s. Consequently, the largest value by which δ can change during the action of the impulse

~ 10 ^-11 cm, i.e. it is negligible. Thus, the problem of obtaining a controlled focused light flux at a considerable distance from the optical system is solved.

Пример 2. Способ управления излучением импульсного светодиода при использовании линзы в качестве управляющего элемента. На пути распространения оптического излучения устанавливается устройство, конструкция которого соответствует показанной на Фиг. 4 с заменой плоскопараллельной пластины на двояковыпуклую линзу с δ = 500 мкм, r = 2 см, d = 0.5 см и n = 1.5. В соответствии с выражением (2) она обеспечивает фокусное расстояние f = 40 см. С учетом незначительности различия геометрических характеристик слабовыпуклой линзы и пластины, оценочная величина δ₀ может быть принята такой же, как в предыдущем примере. Если световой импульс подается в моменты времени, когда отклонения оптической поверхности максимальны, т.е. равны ± δ₀ (вблизи экстремумов гармонической функции, Фиг. 3а) фокус, согласно (2), смещается в положения f΄ = 40 ± 0.08 см, следовательно, им можно управлять в пределах примерно полутора миллиметров. Приняв для стандартного светодиода [Сетевой ресурс: http://www.electrosad.ru/Electronics/SPower.htm] ν = 1 кГц и τ = 10^-5 так же, как и ранее, нетрудно получить

~ 10^-5 см, что отвечает пренебрежимо малой области размытия фокуса в сотые доли миллиметра (причем это сильно завышенная оценка, так как в области экстремумов V << V_max). Данный пример демонстрирует возможность регулировки потока на небольшой дистанции для выполнения тонких операций.Example 2. A method for controlling the emission of a pulsed LED using a lens as a control element. On the path of propagation of optical radiation, a device is installed, the design of which corresponds to that shown in FIG. 4 with the replacement of the plane-parallel plate by a biconvex lens with δ = 500 μm, r = 2 cm, d = 0.5 cm, and n = 1.5. In accordance with expression (2), it provides a focal length f = 40 cm. Taking into account the insignificant difference in the geometric characteristics of a weakly convex lens and a plate, the estimated value δ ₀ can be taken the same as in the previous example. If a light pulse is applied at the moments of time when the deviations of the optical surface are maximum, i.e. are equal to ± δ ₀ (near the extrema of the harmonic function, Fig. 3a), the focus, according to (2), shifts to the position f΄ = 40 ± 0.08 cm, therefore, it can be controlled within about one and a half millimeters. Assuming for a standard LED [Network resource: http://www.electrosad.ru/Electronics/SPower.htm] ν = 1 kHz and τ = 10 ^{-5 the} same as before, it is easy to obtain

~ 10 ^-5 cm, which corresponds to a negligible area of focus blurring in hundredths of a millimeter (and this is a strongly overestimated estimate, since in the region of extrema V << V _max ). This example demonstrates the ability to adjust the flow over a short distance to perform delicate operations.

Эффективность предлагаемого изобретения состоит в том, что оно позволит управлять световыми потоками таким образом, чтобы создавать повышенную концентрацию оптической энергии на заранее заданных, в том числе, значительных расстояниях от источников излучения, а также достаточно простыми средствами осуществлять точное перемещение области фокусировки. Главный недостаток существовавших до этого методов дистанционного воздействия на объект, заключавшийся в невозможности сделать эту дистанцию большой, а также в невозможности простого манипулирования положением фокуса, окажется устраненным. Ожидается, что предлагаемое изобретение будет способствовать внедрению в технику, использующую деформируемые оптические элементы, нового подхода, связанного с созданием динамических деформаций в виде упругих колебаний.The effectiveness of the invention lies in the fact that it will make it possible to control the light flux in such a way as to create an increased concentration of optical energy at predetermined, including considerable distances from the radiation sources, and also to carry out precise movement of the focusing area using rather simple means. The main disadvantage of the previously existing methods of remote exposure to an object, which was the impossibility of making this distance large, as well as the impossibility of simple manipulation of the focus position, will be eliminated. It is expected that the proposed invention will contribute to the introduction into technology using deformable optical elements, a new approach associated with the creation of dynamic deformations in the form of elastic vibrations.

Claims

A method for controlling pulsed optical radiation using an element in the form of a plate or a lens located in the path of propagation of radiation, characterized in that elastic vibrations are excited in the control element that change the curvature of its surface and thereby shift the focus of the control element, synchronized with the pulses of optical radiation in this way so that it is focused at a given distance from the radiation source.