Система для концентрации лазерного излучения

«Система для  концентрации лазерного излучения»

 

Цель  работы: углубление знаний по разделу «Системы преобразования лазерных пучков», приобретение практических навыков расчета простейших систем для концентрации лазерного излучения.

Задание для  работы

Выполнить габаритный расчет системы,. исследовать аберрационные свойства системы, выполнить аберрационную коррекцию всей системы.

 

Системы для  концентрации лазерного излучения  предназначены для получения наибольшей поверхностной плотности потока излучения на площадке малых размеров. Если оптическая система безаберрационная и лазерный пучок имеет идеальное распределение интенсивности, можно получить предельный дифракционный кружок рассеяния, диаметр которого равен:

 

,

где k - диафрагменное число фокусирующего объектива.

В общем случае диаметр пятна δ значительно больше дифракционного, определяется назначением системы и равен:

 

,

где 2w - угол расходимости лазерного пучка.

Для получения  пятна малых размеров нужна оптическая система с малым фокусным расстоянием. Если взять обычный объектив, то у него расстояние от последней поверхности до места фокусировки будет приблизительно равно или меньше фокусного расстояния объектива, что очень неудобно в эксплуатации. Место фокусировки лазерного излучения должно находиться на значительном расстоянии от объектива. Для решения этой задачи используются или двухкомпонентные системы в виде перевернутого телеобъектива, или трехкомпонентные, состоящие из перевернутой телескопической системы и линзы.

Принципиальная  оптическая схема трёхкомпонентной системы для концентрации лазерного  излучения приведена на рисунке 1.1.

 

Рисунок 1.1. Принципиальная оптическая схема трехкомпонентной системы

для концентрации лазерного излучения.

 

Основными оптическими характеристиками системы для концентрации лазерного излучения являются:

· фокусное расстояние f ' ,

· диаметр входного зрачка D , равный диаметру выходного торца лазера,

· угловое поле в пространстве предметов 2w , равное или несколько большее расходимости лазерного пучка,

· расстояние от третьего компонента до места фокусировки a' _F' .

 

Задачей габаритного  расчёта является определение оптических сил и основных характеристик всей системы и каждого её компонента. Основные

формулы для габаритного  расчёта:

 

                                         (1.1)

где: A' – задняя апертура системы;

w – угловой размер предмета;

d – линейный размер изображения - диаметр площадки для фокусировки лазерного излучения;

f'₃ – фокусное расстояние третьего компонента, можно принять приблизительно равным заднему отрезку системы f '₃ » a'_F' ;

Г – угловое увеличение телескопической системы, состоящей из первого и второго компонента, которое равно:

 

                                                                    (1.2)

где: f'₁ – фокусное расстояние первого компонента;

f'₂ – фокусное расстояние второго компонента.

Расстояние  между компонентами телескопической  системы  d₂ равно:

 

d₂ = f'₁+ f'₂                                                                  (1.3)

 

При выполнении габаритного  расчета оптической системы определяются основные  характеристики системы  по формулам 1.1-1.3.

Диафрагменное число k связывает между собой фокусное расстояние первого компонента и диаметр входного зрачка:

 

Относительные отверстия первого и второго  компонентов равны и определяются как:

 

,

где D' - выходной зрачок телескопической системы, равный  .

Относительное отверстие третьего компонента равно .

При исследовании аберрационных свойств компонентов необходимо принимать во внимание следующее: сферическая аберрация первого и третьего компонентов рассчитывается в прямом ходе, задняя апертура для них определяется по формулам:

 

 

Сферическая аберрация  второго компонента определяется в  обратном ходе, задняя апертура второго  компонента равна:

 

.

 

Для того, чтобы  в области аберраций третьего порядка была исправлена

сферическая аберрация во всей системе, необходимо, в соответствии с формулой

выполнение  следующего условия

 

,                                           (1.4)

где - сферическая аберрация первого, второго и третьего компонентов.

Сначала нужно  выполнить все линзы плосковогнутыми  или плосковыпуклыми из стекла К8 и проверить выполнение условия (1.4). Первая линза должна иметь максимальную сферическую аберрацию и для этого ее нужно поставить плоской стороной к параллельному ходу лучей, а вторая и третья линзы должны иметь минимальную сферическую аберрацию, следовательно, они должны быть обращены выпуклой стороной к параллельному ходу лучей. Если условие (1.4) не выполняется, тогда нужно менять стекла, сохраняя при этом фокусные расстояния компонентов за счет изменения радиусов кривизны. После того, как условие (1.4) будет приблизительно выполнено, необходимо составить всю систему и определить суммарную сферическую аберрацию. Если качество изображения будет неудовлетворительное (волновые аберрации более 0,25λ) необходимо при выполнении аберрационной коррекции всей системы произвести оптимизацию, использовав в качестве параметров все радиусы кривизны.

Оптическая  схема с указанием необходимых параметров и размеров приведёна на рис.1.2.

 

Длина волны: λ = 0,448мкм

Эквивалентное фокусное расстояние: f '=137,51мм

Диаметр входного зрачка: D = 8мм

Угловое поле в  пространстве предметов: 2‧ω=10′

 

 

Рисунок 1.2. Принципиальная оптической схема

 

Выводы:

Сделан  аналитический обзор научно-технической  литературы, который включает в себя основные свойства оптической системы для концентрации лазерного излучения.

Были рассмотрены  аберрационные  свойства системы, приведен теоретический метод габаритного расчета системы и выполнена аберрационная коррекция системы. 
Также приведена принципиальная схема оптической системы для концентрации лазерного излучения.

 

Аберра́ция оптической системы — ошибка или погрешность изображения в оптической системе, вызываемая отклонением луча от того направления, по которому он должен был бы идти в идеальной оптической системе. Аберрацию характеризуют различного вида нарушения гомоцентричности^[1] в структуре пучков лучей, выходящих из оптической системы.

Величина  аберрации может быть получена как  сравнением координат лучей путём  непосредственного расчёта по точным геометро-оптическим формулам, так  и приближённо — с помощью формул теории аберраций.

При этом возможно характеризовать аберрацию  как критериями лучевой оптики, так и на основе представлений волновой оптики. В первом случае отступление от гомоцентричности выражается через представление о геометрических аберрациях и фигурах рассеяния лучей в изображениях точек. Во втором случае оценивается деформация прошедшей через оптическую систему сферической световой волны, вводя представление о волновых аберрациях. Оба способа описания взаимосвязаны, описывают одно и то же состояние и различаются лишь формой описания.

Как правило, если объектив обладает большими аберрациями, то их проще характеризовать  величинами геометрических аберраций, а если малыми, то на основе представлений волновой оптики.

Апертура (лат. apertura — отверстие) в оптике — характеристика оптического прибора, описывающая его способность собирать свет и противостоять дифракционному размытию деталей изображения. В зависимости от типа оптической системы эта характеристика может быть линейным или угловым размером. Как правило, среди деталей оптического прибора специально выделяют так называемую апертурную диафрагму, которая сильнее всего ограничивает диаметры световых пучков, проходящих через оптический инструмент. Часто роль такой апертурной диафрагмы выполняет оправа или края одного из оптических элементов (линзы, зеркала, призмы).

Числовая апертура, входная, выходная, угловая, числовая, апертурный  угол,

Апертура объектива — диаметр D светового пучка на входе в объектив и целиком проходящего через его апертурную диафрагму. Эта величина также определяет дифракционный предел разрешения объектива. Для оценки разрешающей способности в угловых секундах используется формула 140/D, где D - апертура объектива в миллиметрах.