RU2811390C1 - Способ формирования пучка лазерного излучения с сечением прямоугольной формы и равномерным распределением интенсивности - Google Patents
Способ формирования пучка лазерного излучения с сечением прямоугольной формы и равномерным распределением интенсивности Download PDFInfo
- Publication number
- RU2811390C1 RU2811390C1 RU2023121654A RU2023121654A RU2811390C1 RU 2811390 C1 RU2811390 C1 RU 2811390C1 RU 2023121654 A RU2023121654 A RU 2023121654A RU 2023121654 A RU2023121654 A RU 2023121654A RU 2811390 C1 RU2811390 C1 RU 2811390C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- section
- laser beam
- intensity distribution
- uniform intensity
- variable
- Prior art date
Links
- 238000009826 distribution Methods 0.000 title claims abstract description 27
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 34
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 20
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 10
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 15
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 abstract 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 3
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000005542 laser surface treatment Methods 0.000 description 1
- 238000003913 materials processing Methods 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к оптическим устройствам. Способ формирования пучка лазерного излучения с сечением прямоугольной формы и равномерным распределением интенсивности включает формирование лазерного пучка излучения, преобразование его круглого сечения в квадратное формирующей системой с нечетным числом элементов в сагиттальной и меридиональной плоскостях и получение равномерного распределения интенсивности в ее фокальной плоскости. Производят раздельное в сагиттальной и меридиональной плоскостях изменение квадратного сечения пучка лазерного излучения в прямоугольное с переменными размерами в системе преобразования с переменным фокусным расстоянием, создающей равномерное распределение интенсивности в пучке лазерного излучения на заданных переменных дальностях. При этом задняя фокальная плоскость формирующей системы и передняя фокальная плоскость системы преобразования совмещены, а фокусное расстояние системы преобразования равно отношению произведения ширины элемента формирующей системы и заданной дальности к заданному размеру прямоугольного сечения пучка лазерного излучения. Технический результат - формирование пучка лазерного излучения с сечением прямоугольной формы с переменными размерами и равномерным распределением интенсивности на заданных переменных дальностях. 1 ил.
Description
Изобретение относится к оптическим устройствам и может быть использовано в оптических формирователях лазерных пучков в тех направлениях науки и техники, где требуется высокая степень равномерности освещенности объектов, подвергающихся облучению, например:
- при разработке лазерных комплексов в части формирования и фокусировки лазерного излучения на удаленный объект;
- для наиболее полного заполнения объема рабочей среды активного элемента твердотельного или жидкостного лазеров излучением накачки диодных источников накачки;
- в экспериментальной физике при исследованиях воздействия мощного оптического излучения на материалы;
- в технологии обработки материалов при лазерной поверхностной обработке, при лазерной фотолитографии и т.д.;
- в электронной технике, в электронных системах записи или воспроизведения телевизионных изображений.
Известен способ формирования и выравнивания равномерности освещенности по сечению оптического пучка в [1], включающий формирование пучка источником излучения и выравнивание равномерности освещенности прозрачного объекта в плоскости проекции последовательно установленными источником излучения со светящимся телом, коллектором, линзовым растром и конденсором.
Существенными недостатками этого способа являются:
- высокая трудоемкость изготовления линзовых растров, связанная с высокоточным изготовлением большого числа оптических элементов;
- сложность юстировки оптического устройства, особенно в инфракрасной области спектра, связанная с одновременным совмещением фокусов линз и нескольких фокальных плоскостей;
- ухудшение равномерности распределения интенсивности в пятне, за счет использования большого количества сферических оптических поверхностей, вносящих искажения в итоговое распределение за счет аберраций;
- формирование формы сечения лазерного излучения с равномерной интенсивностью только с фиксированными размерами и только на фиксированной дальности. Этот способ не позволяет получать излучение с сечением прямоугольной формы с регулируемыми размерами сечения и регулируемой дальностью.
Известен способ формирования и выравнивания интенсивности по сечению лазерного пучка [2], включающий формирование лазерного пучка излучения, преобразование его круглого сечения двумя линзовыми растрами, один из которых цилиндрический, и установленными за ними двумя цилиндрическими линзами в узкую световую полосу с равномерным распределением света в совмещенных задних фокальных плоскостях цилиндрических линз.
Существенными недостатками этого способа являются:
- высокая трудоемкость изготовления линзовых растров, связанная с высокоточным изготовлением и сборкой на оптическом контакте большого числа оптических элементов;
- сложность юстировки оптического устройства, особенно в инфракрасной области спектра, связанная с одновременным совмещением фокусов линз и нескольких фокальных плоскостей;
- наличие сферических аберраций;
- формирование формы сечения лазерного излучения с равномерной интенсивностью только в виде узкой световой полосы заданных фиксированных размеров и только на фиксированной дальности. Этот способ не позволяет получить излучение с сечением прямоугольной формы с регулируемыми размерами сечения и регулируемой дальностью.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ формирования пучка лазерного излучения с сечением квадратной формы и равномерным распределением интенсивности [3], включающий формирование лазерного пучка излучения, преобразование его круглого сечения в квадратное формирующей системой с нечетным числом элементов в сагиттальной и меридиональной плоскостях и получение равномерного распределения интенсивности в ее фокальной плоскости.
К недостаткам этого способа можно отнести:
- формирование формы сечения лазерного излучения с равномерной интенсивностью только в виде фиксированного квадрата и только на фиксированной дальности. Этот способ не позволяет получать излучение с сечением прямоугольной формы с регулируемыми размерами сечения и регулируемой дальностью;
- существование ограничений на минимальные и максимальные размеры квадратного сечения с равномерной интенсивностью лазерного пучка, равные ширине элемента формирующей системы, связанных с технологией изготовления формирующей системы.
Задачей изобретения является формирование пучка лазерного излучения с сечением прямоугольной формы с переменными размерами и равномерным распределением интенсивности на заданных переменных дальностях.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе формирования пучка лазерного излучения с сечением квадратной формы и равномерным распределением интенсивности, включающем формирование лазерного пучка излучения, преобразование его круглого сечения в квадратное формирующей системой с нечетным числом элементов в сагиттальной и меридиональной плоскостях и получение равномерного распределения интенсивности в ее фокальной плоскости, производят раздельное в сагиттальной и меридиональной плоскостях изменение квадратного сечения пучка лазерного излучения в прямоугольное с переменными размерами в системе преобразования с переменным фокусным расстоянием, создающей равномерное распределение интенсивности в пучке лазерного излучения на заданных переменных дальностях, при этом задняя фокальная плоскость формирующей системы и передняя фокальная плоскость системы преобразования совмещены, а фокусное расстояние системы преобразования равно отношению произведения ширины элемента формирующей системы и заданной дальности к заданному размеру прямоугольного сечения пучка лазерного излучения.
На рисунке показана одна из возможных принципиальных оптических схем для реализации предложенного способа, где: 1 - излучатель; 2 - система формирования излучения; 3(1), 3(2) - формирующая система в меридиональной и сагиттальной плоскостях; 4(1), 4(2) - система преобразования с переменным фокусным расстоянием в меридиональной и сагиттальной плоскостях; L - переменная дальность до плоскости изображения пучка лазерного излучения с сечением прямоугольной формы и равномерным распределением интенсивности.
Излучатель 1 предназначен для создания лазерного излучения. Система формирования излучения 2 предназначена для формирования лазерного излучения. В качестве излучателя может быть излучатель с оптоволоконным выводом, а в качестве системы формирования излучения - коллиматор. Коллиматор представляет собой двух- или трехлинзовую систему со стандартными сферическими поверхностями. При расположении торца сердцевины оптоволоконного вывода в фокальной плоскости коллиматора через него выходит пучок, сфокусированный на бесконечность.
Формирующая система в меридиональной и сагиттальной плоскостях 3(1), 3(2) предназначена для преобразования круглого сечения лазерного пучка излучения в квадратное и получение равномерного распределения интенсивности в ее фокальной плоскости. Преобразование круглого сечения лазерного пучка излучения в квадратное осуществляется раздельно в меридиональной и сагиттальной плоскостях. Формирующая система представляет собой призменный растр и выполнена в виде двух выпуклых образованных равными плоскими прямоугольными гранями поверхностей, развернутых друг относительно друга на 90°, при этом число граней N на каждой поверхности нечетно, центральные грани параллельны.
Система преобразования с переменным фокусным расстоянием в меридиональной и сагиттальной плоскостях 4(1), 4(2) предназначена для раздельного в меридиональной и сагиттальной плоскостях изменения квадратного сечения пучка лазерного излучения в прямоугольное с переменными размерами и создания равномерного распределения интенсивности в пучке лазерного излучения на заданных переменных дальностях L. В качестве системы преобразования с переменным фокусным расстоянием, например, может представлять телескопическая система. При изменении базы между окуляром и объективом меняется эффективное фокусное расстояние телескопической системы. Для осуществления раздельного в меридиональной и сагиттальной плоскостях изменения квадратного сечения пучка лазерного излучения в прямоугольное используется цилиндрическая оптика.
Способ формирования пучка лазерного излучения с сечением прямоугольной формы и равномерным распределением интенсивности реализован следующим образом.
Торец сердцевины оптоволоконного вывода излучателя 1 располагают в фокальной плоскости коллиматора 2.
При подаче управляющей команды на подачу электропитания излучателю 1 он начинает генерировать когерентные электромагнитные волны, передаваемые по оптоволоконному выводу, торец сердцевины которого является источником излучения, откуда выходит лазерный пучок.
Выходное лазерное излучение излучателя 1, исходящее из торца сердцевины оптоволоконного вывода, проходит сферические линзы коллиматора 2, формируя лазерное излучение с сечением круглой формы, и выходит сфокусированным на бесконечность при расположении торца сердцевины оптоволоконного вывода в фокальной плоскости коллиматора 2.
Преобразование круглого сечения лазерного излучения в прямоугольное осуществляется раздельно и последовательно в меридиональной и сагиттальной плоскостях.
Выходное излучение коллиматора с сечением круглой формы поступает на формирующую систему в меридиональной плоскости 3(1), размеры которого не меньше диаметра выходящего из коллиматора оптического пучка Dкол., и, проходя ее, разбивается в меридиональной плоскости на число граней N оптических пучков, при этом все пучки имеют одинаковые, определяемые конструкцией формирующей системы сечения в меридиональной плоскости и все они фокусируются в ее фокальной плоскости. При их статическом суммировании происходит усреднение интенсивности лазерного излучения по плоскости фокального пятна формирующей системы 3(1), приводящее к существенному повышению равномерности распределения интенсивности света в фокальном пятне. Круглое сечение лазерного излучения в фокальной плоскости формирующей системы преобразуется в меридиональной плоскости в виде полоски с шириной, равной ширине элемента r формирующей системы. Размер апертуры на выходе коллиматора D и число элементов формирующей системы N связаны соотношением D=r×N.
Далее лазерное излучение поступает в систему преобразования с переменным фокусным расстоянием в меридиональной плоскости 4(1), передняя фокальная плоскость которой совмещена с задней фокальной плоскостью формирующей системы 3(1). Фокусное расстояние системы преобразования в меридиональной плоскости 4(1) равно:
fмep.=r×L/dмep.,
где L - дальность до плоскости изображения пучка лазерного излучения с сечением прямоугольной формы и равномерным распределением интенсивности;
r - ширина элемента формирующей системы;
dмep. - заданный размер пятна лазерного излучения в меридиональной плоскости с равномерным распределением интенсивности на дальности L.
Система преобразования в меридиональной плоскости преобразует размер пятна в задней фокальной плоскости формирующей системы, равный ширине ее элемента r, в размер dмep.на дальности L, поскольку в меридиональной плоскости задняя фокальная плоскость формирующей системы совмещена с передней фокальной плоскостью системы преобразования.
Далее аналогично осуществляются операции в сагиттальной плоскости. При этом задние фокальные плоскости систем преобразования в меридиональной и сагиттальной плоскостях совмещены, где и образуется пучок лазерного излучения с сечением прямоугольной формы и равномерным распределением интенсивности.
На дальности L сечение лазерного излучения будет иметь прямоугольную форму пучка лазерного излучения с размерами:
- в меридиональной плоскости dмep.=r×L/fмep.,
- в сагиттальной плоскости dcaг.=r×L/fcaг.
Меняя базу между окуляром и объективом телескопа системы преобразования, можно изменять его эффективное фокусное расстояние и таким образом делать переменным размеры сечения прямоугольной формы на дальности L. Также можно менять дальность и получать заданные размеры сечения прямоугольной формы пучка лазерного излучения на заданной дальности, изменяя фокусное расстояние системы преобразования.
В предложенном способе формирования пучка лазерного излучения с сечением прямоугольной формы и равномерным распределением интенсивности использование системы преобразования с переменным фокусным расстоянием позволяет:
- формировать пучок лазерного излучения с сечением прямоугольной формы с переменными размерами и равномерным распределением интенсивности на заданных переменных дальностях;
- при разработке лазерных комплексов эффективно доставлять лазерное излучение с равномерным распределением интенсивности по сечению на объекты с переменной дальностью;
- наиболее полно заполнять объем рабочей среды активного элемента твердотельного или жидкостного лазеров излучением накачки диодных источников накачки;
- эффективно проводить исследования воздействия мощного оптического излучения на материалы;
- с высокой технологичностью проводить лазерную поверхностную обработку материалов любых размеров на любой дальности.
Источники информации:
1. Авторское свидетельство SU 1118948, МПК G02B 21/06, дата публикации 15.10.1984.
2. Патент RU 2004008, МПК G02B 19/00, G03B 27/16, дата публикации 30.11.1993.
3. Патент RU 2208822 С1, МПК G02B 19/00, дата публикации 20.07.2003 - прототип.
Claims (1)
- Способ формирования пучка лазерного излучения с сечением прямоугольной формы с равномерным распределением интенсивности, включающий формирование лазерного пучка излучения, преобразование его круглого сечения в квадратное формирующей системой с нечетным числом элементов в сагиттальной и меридиональной плоскостях и получение равномерного распределения интенсивности в ее фокальной плоскости, отличающийся тем, что производят раздельное в сагиттальной и меридиональной плоскостях изменение квадратного сечения пучка лазерного излучения в прямоугольное с переменными размерами в системе преобразования с переменным фокусным расстоянием, создающей равномерное распределение интенсивности в пучке лазерного излучения на заданных переменных дальностях, при этом задняя фокальная плоскость формирующей системы и передняя фокальная плоскость системы преобразования совмещены, а фокусное расстояние системы преобразования равно отношению произведения ширины элемента формирующей системы и заданной дальности к заданному размеру прямоугольного сечения пучка лазерного излучения.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2811390C1 true RU2811390C1 (ru) | 2024-01-11 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2004008C1 (ru) * | 1990-10-18 | 1993-11-30 | Санкт-Петербургский институт кино и телевидени | Устройство дл формировани оптического пучка |
| US5317450A (en) * | 1991-12-17 | 1994-05-31 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Projection exposure apparatus |
| RU2149435C1 (ru) * | 1998-06-01 | 2000-05-20 | Конструкторское бюро приборостроения | Оптическая система для коррекции формы прямоугольного лазерного пучка |
| RU2208822C1 (ru) * | 2001-11-02 | 2003-07-20 | Государственное Унитарное Дочернее Предприятие Государственного Предприятия "Нпо Астрофизика" Особое Конструкторское Бюро "Солнечная И Точная Оптика" | Устройство для создания равномерной освещенности прямоугольной площадки заданных размеров (гомогенизатор) |
| RU2477914C2 (ru) * | 2011-03-24 | 2013-03-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) | Модулятор лазерного излучения |
| US8896819B2 (en) * | 2009-11-20 | 2014-11-25 | Faro Technologies, Inc. | Device for optically scanning and measuring an environment |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2004008C1 (ru) * | 1990-10-18 | 1993-11-30 | Санкт-Петербургский институт кино и телевидени | Устройство дл формировани оптического пучка |
| US5317450A (en) * | 1991-12-17 | 1994-05-31 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Projection exposure apparatus |
| RU2149435C1 (ru) * | 1998-06-01 | 2000-05-20 | Конструкторское бюро приборостроения | Оптическая система для коррекции формы прямоугольного лазерного пучка |
| RU2208822C1 (ru) * | 2001-11-02 | 2003-07-20 | Государственное Унитарное Дочернее Предприятие Государственного Предприятия "Нпо Астрофизика" Особое Конструкторское Бюро "Солнечная И Точная Оптика" | Устройство для создания равномерной освещенности прямоугольной площадки заданных размеров (гомогенизатор) |
| US8896819B2 (en) * | 2009-11-20 | 2014-11-25 | Faro Technologies, Inc. | Device for optically scanning and measuring an environment |
| RU2477914C2 (ru) * | 2011-03-24 | 2013-03-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) | Модулятор лазерного излучения |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5631721A (en) | Hybrid illumination system for use in photolithography | |
| JP4996029B2 (ja) | 導波路ディスプレー | |
| US5333077A (en) | Method and apparatus for efficient concentration of light from laser diode arrays | |
| Zimmermann et al. | Microlens laser beam homogenizer: from theory to application | |
| JP2006065348A (ja) | 正または負の光学力を有する光学要素を用いる照射プロフィール形成方法 | |
| EP0476931A2 (en) | Phase shift device and laser apparatus utilizing the same | |
| JP2011048361A (ja) | 感光性物質を含む回折型レーザビームホモジナイザ、及びその製造方法 | |
| JP2004536350A (ja) | 空間的に部分的にコヒーレントな光ビームの強度分布の回折成形 | |
| WO2017187609A1 (ja) | 平行光発生装置 | |
| CN112711143A (zh) | 一种连续调焦的高能激光发射跟踪瞄准系统 | |
| CN111880315A (zh) | 一种激光照明设备 | |
| CN109283805A (zh) | 基于达曼光栅的激光直写装置 | |
| US10386031B2 (en) | Light device with movable scanning means and optical fiber | |
| RU2811390C1 (ru) | Способ формирования пучка лазерного излучения с сечением прямоугольной формы и равномерным распределением интенсивности | |
| CN109343162A (zh) | 基于超透镜的激光直写装置及其激光直写方法 | |
| RU2811392C1 (ru) | Устройство формирования пучка лазерного излучения с сечением прямоугольной формы и равномерным распределением интенсивности | |
| JPWO2019182073A1 (ja) | ホモジェナイザ、照明光学系および照明装置 | |
| RU2762176C1 (ru) | Устройство для расширения пучка оптического излучения и способ расширения пучка оптического излучения для когерентной подсветки | |
| KR20230041682A (ko) | 차폐된 이미징 시스템을 통한 사용을 위해 콘트라스트를 최적화하기 위한 방법 및 디바이스 | |
| TWI485431B (zh) | 用於均質同調輻射的設備 | |
| RU2814149C1 (ru) | Способ формирования и фокусировки лазерного излучения излучателя с оптоволоконным выводом на удаленный объект | |
| RU2208822C1 (ru) | Устройство для создания равномерной освещенности прямоугольной площадки заданных размеров (гомогенизатор) | |
| US10126557B2 (en) | Projection system for generating spatially modulated laser radiation and optical arrangement for transforming laser radiation | |
| JP4012571B2 (ja) | 光線発射に関連するシステム | |
| Wippermann et al. | Improved homogenization of fly's eye condenser setups under coherent illumination using chirped microlens arrays |