Устройство для фокусировки оптического излучения в кривую линию (его варианты)

Устройство для фокусировки оптического излучения в кривую линию (его варианты)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

1. Устройство для фокусировки оптического излучения в кривую линию, выполненное в виде фазового оптического элемента, отличающеес я тем, что, с целью улучшения качества фокусировки путем обеспечения равномерного распределения интенсивности сфокусированного полихроматического излучения вдоль кривой, фазовый оптический элемент выполнен в виде кривого зеркала, форма поверхности которого определяется выражением U,v ,U2+V2 Z(U,V) ( x(T(U,V))cJU+ +y, (T(U,V))dV), где Z(U,V) высота зеркальной поверхности оптического элемента в точке (U,V) фокусатора (); R - радиус фокусируемого пучка; U,V - координаты точки элемента в системе координат OUV с началом координат в центре оптического элемента и осью OZ, направленной нормально к его плоскости; XQ(t),y(t) -величины, определяющие параметрическое задание фокальной кривой, (t) (t), , причем x|(t)+y2 (t)e1; Функция T(U,V) - решение уравнения io(T)U+y (T)V-(T)0, где (т) - функция, обратная к 2-5F)) а S9 W где L - длина фокальной кривой; б - параметр гауссова распределения интенсивности падающего излучения, в котором интенсивность на расстоянии г от центра пропорциональна ехр(- -); f - фокусное расстояние элемента. 2. Устройство для фокусировки оптического излучения в кривую линию, выполненное в виде фазового оптического элемента, отличающеес я тем, что, с целью улучшения каоо о со со

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ х, (Т) V+y. (Т) V-д(Т) =О, ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (2 1) 3790098/24-10 (22) 26.09.84 (46) 15.04.87. Бюл. № 14 (71) Институт общей физики АН СССР и МГУ им. М.В.Ломоносова (72) А.В.Гончарский, В.А.Данилов, В.В.Попов, И.Н.Сисакян, В.А.Сойфер и В.В.Степанов (53) 535.312(088.8) (56) Оптика лазеров. Тезисы докладов

IV Всесоюзной конференции. Л., 1983, с. 269.

"Appl. 0pt"., v. 12. ¹ 10, 1973, р. 2328. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОКУСИРОВКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В КРИВУЮ ЛИНИЮ (ЕГО ВАРИАНТЫ) (57) 1. Устройство для фокусировки оптического излучения в кривую линию, выполненное в виде фазового оптического элемента, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью улучшения качества фокусировки путем обеспечения равномерного распределения интенсивности сфокусированного полихроматического излучения вдоль кривой, фазовый оптический элемент выполнен в виде кривого зеркала, форма поверхности которого определяется выражением

U,u

02 .>.V2

Z(U,V) †(х (T(U,V))dU+

+y, (l (V, V) ) d V) где Z(U,V) — высота зеркальной по— верхности оптического элемента в точке (V,V) фокус атора (U2 +V2а R2 );

„„SU„„1 03961 А1 (50 4 G 02 В 5/10, G 02 В ".7/4

R — радиус фокусируемого пучка;

U,V координаты точки элемен та в системе координат

0UV с началом координат в центре оптического элемента и осью OZ, направленной нормально к его плоскости; х (t),у (Г) — величины, определяющие параметрическое задание фокальной кривой, П=х (t)

V=y (t), 0-t-.L, Z=f причем х2 (t)+y2 (t): — 1;

Функция T(U,V) — решение уравнения где g (Т) — функция, обратная к

L R2 -1

Т(р)= — — — (1-ехр(— — 2)) х

2-„а

U

252 R-2 "Ц2 х е erf (— — — )dv

202

Э где I. — длина фокальной кривой;

Й вЂ” параметр гауссова распределения интенсивности падающего излучения, в котором интенсивность на расстоянии r от центра пропорциональна

r2 ехр (- — -)

Э

f — фокусное расстояние элемента.

2. Устройство для фокусировки оптического излучения в кривую линию, выполненное в виде фазового оптического элемента, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью улучшения ка1303961 чества фокусировки путем обеспечения равномерного распределения интенсивности сфокусированного монохроматического излучения вдоль кривой, фазовый оптический элемЕнт выполнен в виде отражающей зонной пластинки, рельеф зон которой описывается выражением ф)(1

7(1 U2 + )(2

Z(U V) = — — — — — — — — х (Т(() V) )d U2 К 2 о

+v, (т(р,v)dv)), где Z(U,V) — высота рельефа зон оптического элемента в точке (U,V) ф кусатора (U + 2< .Rã .

U,V — координаты точки элемента в системе координат

OUV с началом координат в центре оптического эле мента и осью OZ, направленной нормально к его плоскости;

R — радиус фокусируемого пучка;

Ъ вЂ” длина волны падающего монохроматического излучения;

Изобретение относится к области создания сложных оптических элементов, служащих для преобразования волновых фронтов оптического излучения, и может быть использовано в установках, служащих для обработки различного рода изделий сфокусированным лазерным излучением.

Цель изобретения — улучшение качества фокусировки путем обеспечения равномерного распределения интенсивности сфокусированного полихроматического или монохроматического излучения вдоль кривой.

На фиг. 1 изображено устройство для фокусировки; на фиг. 2 — сечение фазовой зонной пластинки (по п.2 формулы изобретения); а на фиг. 3 амплитудные маски оптических элементов, осуществляющих фокусировку опти- 20 ческого излучения в некоторые кривые.

f — фокусное расстояние элемента; х,(t),у,(t) — величины, определяющие параметрическое задание фокальной кривой

U=x.(t)

V=y (t), Oct 1, Е=f причем х (t)+y (t)=- 1 функция T(U,V) — решение уравнения х (T) U+y (Т) Ч-g (Т) =О, где ((Т) — функция, обратная к

L к р () = — — -(1 — ехр (- — —,)

-12(б г

2 2

$52 Рг цг

) е erf(— — -)dU

2бг где 1 — длина фокальной кривой;

0 — параметр гауссова распределения интенсивности падающего излучения, в котором интенсивность на расстоянии r от центра пропорциональна гг ехр(- — -) .

2бг

В соответствии с первым вариантом устройства для фокусировки фазовый оптический элемент выполнен в нем в виде кривого зеркала, форма поверхности которого описывается выражением

t u,v1

112 >.т г

Z(UýV) =(2 x (T(U,,V) )d U+

+y, (T(U,V) )d V) —, I где Z(U,V) — высота зеркальной поверхности оптического элемента в точке. (U,V) фокусатора (U2 +3

U u V — координаты точки элемента в системе координат

OUV с началом координат в центре оптического элемента и осью OZ, направленной нормально к его плоскости;

1303961

К вЂ” радиус фокусируемого пучка; х (t),y,(t) — величины, определяющие параметрическое задание фокальной кривой

V=x (t)

V=>(,(t), Octa.L, Z=f х2 ()+ 2 (t)=1

15

20 где 1. — длина фокальной кривой;

6 — параметр гауссова распределения интенсивности падающего

25 излучения, в котором интенсивность на расстоянии r от центра пропорциональна

z2 ехр (- — — )

2Дг — фокусное расстояние элемента.

При использовании монохроматического излучения (п. 2 формулы изобретения) фазовый оптический элемент выполнен в виде отражающей зонной пластинки, рельеф зон которых описывает- 35 ся выражением (u,v)

1 U2 +V2

Z(U V) = — — — — — — х (Т(U V) )d U+

2gf 2 J 0 o 40

+y (7(U,v))d vj%, где Z(U,V) — высота рельефа зон опти— ческого элемента в точке (U,V) фокусатора (U +

+Ч2а R2 ) h — длина волны падающего монохроматического излучения, выражение jAj означает дробную часть числа А. (3) 50

Таким образом, однозначно определен прообраз каждой точки кривой и

55 тем самым отображение области фокусатора на фокальную кривую определяется функцией Т(П,V) — решением уравнения х, (Т) U+y (Т) V-р(Т) =О

Устройство работает следующим образом.

Криволинейное зеркало (фиг. 1), уравнение поверхности которого дается выражением

Z(U, V) =-p (U, V) / 2, причем „у„ функция T(U,V) — решение уравнения х (Т) U+y (Т) V-nC (T) =O; где g (Т) — функция, обратная к

Т R2 -1

Т() =- — — (1-ехр (— —: — ) ) /

-Г

25 )

2 62

R 1

26 г Пг к е erf (—,— --) Jv

2 г

Ф где (U,V) — эйконал излучения, обеспечивающего требуемую фокусировку в точках на поверхности оптического элемента, фокусирует излучение в заданную кривую линию.

Для определения функции с,(U,V) отметим, что задание функции cp(U,V) в плоскости фокусирующего элемента (фокусатора) определяет отображение области фокусатора в фокальную плоскость Z=f по формулам

x(U,V)=U+fq„(U,V), y(U,V)=V+fcp (U,V).

Использование (2) позволяет доказать, что в случае фокусировки излучения в гладкую кривую, заданную своей натуральной параметризацией

V=x (с)

y=y (t) O=t

Z=f прообразом каждой точки (х (),y (t)

f) этой кривой при отображении (2) является прямая, уравнение которой х, (t) V+yo (t) V (") =0 °

Условие равномерного распределения интенсивности сфокусированного излучения по фокальной кривой и задание распределения интенсивности падающего на фокусатор излучения по области оптического элемента позволяет однозначно определить функцию g (t).

Условие баланса энергии приводит к следующему выражению для функции

Т(), обратной к P (t) Г

L R2 -<

Т()= — — -(1-ехр(- — -)) J x

2б .„ 2-„ г ц2 6г R2 Пг се erf — — — d U.

2б

3десь предполагается, что интенсивность падающего на фокусатор излучения имеет гауссово распределение с параметром5, т.е. интенсивность излучения на расстоянии r от центра г2 пучка пропорциональна ехр (— 2 —,) .

7303961

Использование (2) позволяет теперь определить производные х o(T(U V) ) -U.

„(и ) о

fU

v. (Т(и V) ) -V

Уо

-1 )(Можно показать, что определенные таким образом функции (p и <.(„ позволяют определить эйконал

10 (U,v)

U2 +1(2

q (Б,V)=(+ х (ТК,V)МU+

+y, (T(U,V) )d V)-, (4)

f 75 обеспечивающий фокусировку оптического излучения в кривую с равномерным распределением интенсивности.

При использовании монохроматического излучения устройство может быть выполнено в виде отражающей фазовой зонной пластинки, рельеф зон которой определяется следующим образом.

Поскольку эйконал монохроматического излучения длиной волны "h опреде- 25 лен с точностью до аддитивной константы, кратной (, то зеркальная по— верхность, форма которой описывается выражением (m=1,2,...,N)

z (v, v) =,—; — — (- q, (v, v)) j

mg 1 формирует отраженное поле, полностью аналогичное зеркальной поверхности (1). Здесь 1) (П,V) определяется выражением (4). Это позволяет исполь35 зовать для фокусировки монохроматического излучения в кривую линию с равномерным распределением интенсивности сфокусированного излучения отражательную фазовую зонную пластинку, 40 рельеф зон которой описывается выражением (5). Общая глубина рельефа такой зонной пластинки составляет п)Ъ/2. Рельеф зонной пластинки условно изображен на фиг. 2. В формуле (5)

m=1 дает рассматриваемое решение.

Оптические фазовые элементы предлагаемой формы, решающие задачу фокусировки оптического излучения в кривую линию, могут быть изготовлены различными, существующими в настоящее время технологическими методами, например, механическими, фотолитографическими, ионного травления, методами создания намывного рельефа. Изготов55 ление подобных оптических элементов требует высокой точности и связано с применением самой современной тех— ники.

В качестве примера устройства для фокусировки оптического излучения в кривую линию были расчитань. и изготовлены методами намывного рельефа отражательные фазовые зоннь)е пластинки, фокусирующие излучение СО -лазера (9=10,6 мкм) с радиусом пучка 1

2 см в кривые линии длиной 1 — 5 см при фокусном расстоянии до 100 см.

На фиг. 3 изображены амглитудные маски оптических элементов и результаты фокусировки при помощи этих элементов, Величина почернения амплитудной маски пропорциональна высоте рельефа зеркальной поверхности (по п. 2 формулы изобретения).

Отметим, что предложение о нормальном падении излучения на оптический элемент, использованное при выводе формулы (1) и (5), не является принципиальным. В случае, когда из— лучение падает на оптический элемент под углом О к его нормали, задачу фокусировки решает гладкая зеркальная поверхность (по п. 1 формулы изобретения) ()),(Бсоз9 V) (6)

2cos8 или отражательная фазовая зонная пластина, рельеф зон которой описывается вь(ражением () % Ц),(БсозЯ Ч) ()

2(os8

Здесь падающее ((излучение состав(Г ляет угол ; — 8 с осью ОБ.

Точно так же не является принципиальным предположение о гауссовом распределении интенсивности излучения в падающем пучке

)(2 +1„2

I(U V) ехр(- — — — -)

2б2

Аналогичные оптические элементы могут быть созданы и при произвольном распределении I(U,V) интенсивности излучения в падающем пучке. При этом является возможным получение произвольного непрерывного распределения интенсивности I(t) сфокусиро— ванного излучения вдоль кривой. Для этого достаточно определить зависимость T(g) из уравнения т

JJz(v,v)dvdv t z(r)d ==II Т(П,V)dUgV, 1303961 где G определяется х (Т)U+y (Т)V — Д(0 (S)

Здесь предполагается, что

j Х() Jt=1 о

Аналогично описанным выше элементам, работающим на отражение, задача фокусировки излучения в кривую может быть решена при помощи оптических элементов, работающих на прохождение.

При этом толщина прозрачного оптического элемента с точностью до константы определяется выражением

M(Ucos 8 V)

Z(U V) = — — — - —-ncos 8, -cos 8 (9) либо

Г q (Ucos 9,V) 5

Z(U,V) = - — — — — -- — —— псоз8, -cos8 (10) s in0 —.— =n

sin 8, где и — показатель преломления вещества элемента;

10 6, — угол, определяемый уравнением

1303961

Фиг.5

Редактор А.Ревин Техред Л.Сердюкова Корректор Н.Король

Заказ 1306/46 Тираж 522 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул.Проектная, 4