Главная / Библиотека / Устройства расширения лазерных пучков

Устройства расширения лазерных пучков

Устройства расширения лазерных пучков

Устройства расширения лазерных пучков применяются для увеличения площади подсветки, при этом увеличение диаметра не приводит к росту расходимости – пучок с большим диаметром поперечного сечения по-прежнему остается параллельным.

Рассматривая оптические схемы узлов для расширения параллельных пучков, можно предположить, что теоретически фокальная плоскость в такой системе находится на бесконечном удалении. Благодаря этой особенности устройства разной конфигурации применяются в интерферометрии, удаленном детектировании, а также в лазерной сканирующей микроскопии.

Телескопы

Оптические телескопы – инструменты для визуального наблюдения удаленных предметов и регистрации излучения космических источников. По конфигурации разделяют две группы телескопов: рефракторы и рефлекторы. В первом случае для отклонения пучков используются линзы, во втором – зеркала.

На протяжении многих лет ведутся споры об авторе телескопа-рефлектора. Одни приписывают авторство Кеплеру, вторые – Галилею, а третьи Ньютону. Фактически, Галилей первым применил для астрономических наблюдений подзорную трубу, тем самым усовершенствовав схему Кеплера.

Из-за расхождений во мнениях появилась еще одна классификация оптических схем телескопов, названных по фамилиям авторов, соответственно, Кеплера и Галилея. В схеме Кеплера (рис. 1) объективом и окуляром является положительная оптическая система. Объектив создает перевернутое действительное изображение в своей задней фокальной плоскости, которое можно наблюдать с помощью окуляра. Задняя фокальная плоскость объектива совпадает с передней фокальной плоскостью окуляра, так что падающий на объектив параллельный пучок лучей выходит из окуляра также параллельным. Одним из главных достоинств системы Кеплера является наличие промежуточного изображения в фокусе объектива, куда можно поставить сетку (прозрачную пластинку со шкалой) и с ее помощью производить точные измерения углов и расстояний.

В телескопической системе по схеме Галилея (рис. 2) в качестве объектива используется положительная оптическая система, а в качестве окуляра – отрицательная. Задний фокус положительного объектива совпадает с передним фокусом отрицательного окуляра. При таком расположении промежуточное изображение отсутствует. Система Галилея также применяется для систем сумеречного и ночного наблюдения и в видоискателях фотоаппаратов и видеокамер.

laser-beam-expanders-fig-1

Рисунок 1. Схема Кеплера

laser-beam-expanders-fig-2

Рисунок 2. Схема Галилея

Сила увеличения (Magnifying Power, MP), обратная увеличению, рассчитывается по известному фокусному расстоянию объектива и окуляра:

Рисунок6

 

Если сила увеличения больше единицы, изображение в телескопе увеличенное. Если меньше единицы - уменьшенное.

Расширение оптических пучков

В устройствах расширения лазерного пучка излучение падает на окуляр и выходит через объектив. В конфигурации Кеплера параллельный входной пучок фокусируется в пятно на промежутке, заключенном между объективом и окуляром. Световая энергия внутри концентрируется в пятно фокусировки (рис. 3) и нагревает воздушную прослойку между объективом и окуляром, что приводит к возникновению нелинейных эффектов и аберраций. Особенно это заметно в высокомощных лазерах. Снизить влияние ионизации позволяют расширители пучков в конфигурации Галилея, именно они применяются в большинстве приложений (рис. 4). Конфигурация Кеплера оптимальна для пространственной фильтрации излучения.

laser-beam-expanders-fig-3

Рисунок 3. Устройство расширения пучка по схеме Кеплера.

laser-beam-expanders-fig-4

Рисунок 4. Устройство расширения пучка по схеме Галилея

Устанавливая расширитель пучка в оптическую схему, необходимо точно рассчитать угол расходимости выходного пучка. В параксиальном приближении расходимости пучка эквивалентно соотношение между диаметрами (перетяжками) входного и выходного пучков:

Рисунок7

Тогда для силы увеличения (MP) можно записать следующее:

Рисунок8

Вышеуказанные формулы ясно отражают зависимость между диаметрами входного и выходного пучков, из чего следует вывод: уменьшение диаметра перетяжки приводит к появлению большего угла расходимости, и наоборот – при увеличении диаметра угол расходимости лучей снижается.

В дополнение приводится расчетная формула для определения диаметра выходного пучка на рабочем расстоянии L.

Рисунок9

Так как в качестве угла расходимости берется половинный угол, тангенс взят от удвоенного значения.

laser-beam-expanders-fig-5

Рисунок 5. Иллюстрация зависимости диаметра перетяжки выходного пучка от возрастающего с распространением волны угла расходимости

Подстановкой выражений для силы увеличения в уравнение расчета диаметра выходного пучка получаем:

Рисунок10

Приложение 1. Уменьшение плотности мощности падающего излучения

Одно из основных приложений устройств расширения оптических пучков – снижение мощности высокоинтенсивного лазерного излучения. Эта мера предохраняет поверхности оптических элементов от повреждений, продлевая срок службы.

Приложение 2. Уменьшение диаметра перетяжки пучка на определенном расстоянии

Этот неочевидный вывод доказывают эксперименты: диаметр входного лазерного пучка в расширителе растет до дифракционного предела, при этом пропорционально снижается интенсивность излучения и угол расходимости. Параллельность пучка на выходе сохраняется на определенном расстоянии, затем диаметр перетяжки начинает сжиматься.

Пример

Числовой пример, иллюстрирующий применение формул.

Дано

Сила увеличения MP: 10X
Диаметр исходного пучка: 1 мм
Начальный угол расходимости: 0.5 мрад
Рабочее расстояние L = 100 м

Расчет

Диаметр выходного пучка:

Рисунок11  

Фактически, применение устройства 10-кратного расширения-сжатия оптического пучка в 5 раз повышает эффективность всей схемы.

Приложение 3. Уменьшение диаметра пятна фокусировки.

Фокусировка лазерного пучка в пятно минимального диаметра – необходимое условие во множестве приложений лазерной оптики. Размер пятна обычно определяется как радиальное расстояние от центральной точки максимальной интенсивности в поперечном сечении до точки, где интенсивность падает до значения 1/e2 от исходного значения.

Рисунок12

λ: длина волны
f: фокусное расстояние линзы (объектива)
D: диаметр входного пучка
k: показатель преломления материала линзы
M2: фактор качества пучка, отклонение интенсивности реальной волны от значений гауссовой функции.

laser-beam-expanders-fig-6
Рисунок 6. К определению диаметра перетяжки пучка по уровню максимума интенсивности до 1/e2

 

Размер пятна в основном определяется эффектами дифракции и вкладами аберраций. На примере иллюстраций 7 и 8 видно, что сферическая аберрация данного пучка является основной. Для дифракции заметна следующая закономерность: чем короче фокусное расстояние, тем меньше размер пятна, при этом с увеличением диаметра входного пучка дифракционные ограничения выходного пучка практически снимаются и при обработке остается скомпенсировать только одну сферическую аберрацию.

Пусть диаметр входного пучка в расширителе увеличивается в m раз, тогда расходимость такого пучка уменьшается в m раз. В таком случае диаметр пятна фокусировки будет в m раз меньше диаметра пятна фокусировки «идеального» пучка.

Приложение 4. Оптимальный диаметр пучка

Различные расширители оптических пучков используются для стандартизации поперечных размеров, так как параметры, указанные в паспорте прибора, не всегда соответствуют требованиям приложения. Телескопические расширители применяются в том числе и для компенсации случайных отклонений.

 

laser-beam-expanders-fig-7

Рисунок 7. При малых диаметрах исходного пучка (по оси абсцисс, мм) пятно фокусировки ограничено по дифракции, с ростом диаметра дифракционные эффекты заменяет сферическая аберрация. Пример для излучения 532 нм, M2 = 1.1, фокусное расстояние 10 мм, показатель преломления 1.3

 

fig-3-aub  

Рисунок 8. Излучение, прошедшее через оптику с малыми фокусными расстояниями, больше всего подвержено влиянию сферических аберраций. С увеличением фокусного расстояния проявляются дифракционные пределы. Пример для излучения 532 нм, M2 = 1.1, диаметр исходного пучка 5 мм, показатель преломления 1.3

 

При выборе устройства расширения – сжатия полезно обратить внимание на следующие свойства:

Механизм фокусирования

Механизмы, с помощью которых пучок фокусируется в устройстве расширения, регулируют также и диаметр выходного пучка. Основные типы механизмов: скользящий и вращательный. Вращательные механизмы фокусирования (резьба) более доступны из-за простоты, однако менее точны в настройке. Отклонение выходного пучка нужно строго контролировать (рис. 9).

laser-beam-expanders-fig-8

Рисунок 9. Иллюстрация отклонения лазерного пучка, вызванного вращением фокусировочного кольца

Механические передачи, в основе которых – скольжение, распространены в прецизионных оптических приборах. Конструктивная сложность изготовления таких приборов увеличивает их стоимость, а погрешность сборки заметно снижает эффективность.

Внутренняя фокусировка

При сравнении схем телескопов Кеплера и Галилея отмечалось, что не все устройства расширения лазерных пучков универсальны. Схема Кеплера рекомендуется в работе с излучением малой интенсивности и для пространственной модуляции, поскольку внутренняя фокусировка может стать причиной повреждений оптических поверхностей. Схема Галилея подойдет для высокомощных лазеров. 

Отражательные и пропускающие устройства расширения пучков

В отражательные расширители пучков установлены вогнутые зеркала вместо пропускающих линз (рис. 10). Расширители пучков, работающие по такой схеме, встречаются гораздо реже, но имеют ряд исключительных преимуществ.

Такие устройства не вносят хроматической аберрации в излучение, благодаря этому применяются в работе с широкополосными источниками. В расширителях оптических пучков, работающих на пропускание, увеличение и коллимация выходного излучения зависят от длины волны.

Ахроматические свойства отражательных расширителей пучка оптимальны для применения с перестраиваемыми и фемтосекундными лазерами.

laser-beam-expanders-fig-9

Рисунок 10. В отличие от расширителей пучков, работающих на пропускание, вогнутые зеркала отражательного расширителя пучка не вносят хроматической аберрации. Отверстия в корпусе предназначены для крепления устройства на оптическом столе.

 

 

© Edmund Optics Inc.

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Edmund Optics на территории РФ


Последние статьи
Спектральный анализ эмиссии нанолазеров

Нанолазеры, генерирующие лазерное излучение в широком спектральном диапазоне при комнатной температуре, стали мощными инструментами для самых современных приложений в оптоэлектронике и нанофотонике...

Цилиндрические линзы

Современная классификация оптических линз невероятно обширна: множество форм преломляющих поверхностей, размеров, материалов, приложений. В этой статье рассматриваются свойства идеальных и реальных линз цилиндрической формы - функционального инструмента для коррекции астигматических аберраций в офтальмологии, микроскопии, лазерной индуцированной флуоресценции.

Выбираете светоделитель?

При падении волны на светоделительную пластину часть излучения отражается, а часть проходит сквозь неё. Доля прошедшего и отраженного света зависит от направления падающего пучка и состояния поляризации.

Термические свойства оптических подложек

Устойчивость оптических систем к температурным колебаниям различна и зависит от специального параметра – коэффициента теплового расширения. Кроме коэффициента теплового расширения часто указывается другая характеристика – зависимость коэффициента преломления вещества от температуры...

Поляризаторы

Человеческий глаз не способен различать линейную и круговую поляризации света, поэтому для определения состояния поляризации падающей световой волны применяется поляризационная оптика.

У Вас особенный запрос?
У Вас особенный запрос?
Весьма часто наши заказчики лучше нас знают, какое оборудование им нужно. В этом случае мы берём на себя общение с производителем, доставку и таможенную очистку, а также все вопросы гарантийного периода. Пожалуйста, заполните эту форму, и мы свяжемся с Вами, чтобы помочь решить любую Вашу задачу. Или позвоните нам по телефону +7(495)199-0-199
Форма заявки
Ваше имя: *
Ваше имя
Ваш e-mail: *
Ваш телефон: *
Ваш телефон
Наши
контакты
г. Москва, ул. Бутлерова, д. 17Б, офис 502

г. Санкт-Петербург, Коломяжский проспект, 33 корпус 2