Способ фокусировки лазерного излучения и устройство для его осуществления

Способ фокусировки лазерного излучения и устройство для его осуществления

Реферат

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано при доставке сфокусированного лазерного пучка на объект (например, при создании лазерных технологических комплексов).

Известны способы фокусировки лазерного излучения, основанные на преобразовании параллельного пучка света в пучок кольцевого сечения с последующим его сведением в заданную точку.

Устройства для реализации способов выполнены на базе оптически сопряженных аксиконов, см. L.W.Casperson and M.S.Shekhani. Breakdown in a Radial-Mode Focusing Element. Appl. Opt., v.13, № 1, 1974, p.p.104-108 и W.R.Edmonds. The Reflakxicon, a New Reflective Optical Element, and Some Applications. Appl. Opt, v.l2, №8, 1973, p.p.1940-1945.

Наиболее близким техническим решением(прототипом) к предлагаемому изобретению является способ фокусировки лазерного излучения, включающий преобразование параллельного пучка лазерного излучения сплошного сечения в пучок кольцевого сечения для последующего его сведения в заданную точку, см. пат. РФ № 2240615 (по заявке № 2003110805/06 от 16. 04.2003 г.), МПК G 21 K 1/00.

Устройство для реализации вышеуказанного способа содержит оптически сопряженные входной и выходной аксиконы, выполненные в виде наружного и внутреннего тел вращения каждый, при этом внутренние тела вращения аксиконов смонтированы на концах полого стержня, связанного с наружными телами вращения аксиконов через пилоны, а полость стержня разделена на два отсека поперечной перегородкой с соплами для подачи хладоагента в упомянутые отсеки.

Недостатком приведенного технического решения является пониженная плотность мощности в фокусируемом пучке лазерного излучения, обусловленная наличием острия (точечного контакта) на внутреннем теле вращения входного аксикона, приводящего к перегреву последнего (ввиду затрудненности теплоотвода) при высоких уровнях мощности плотности фокусируемого излучения и, как следствие, к прогрессирующему разрушению внутреннего тела входного аксикона от его вершины к периферии (для исключения вышеуказанного отрицательного явления вершину внутреннего тела входного аксикона необходимо притуплять плоскими поперечными лысками, что приводит к снижению энергетики в фокальном пятне и уменьшает верхний предел уровня плотности мощности фокусируемого лазерного излучения).

Технический результат от использования предлагаемого технического решения заключается в повышении плотности мощности фокусируемого пучка лазерного излучения.

В соответствии с предлагаемым изобретением вышеуказанный технический результат достигается тем, что в способе фокусировки лазерного излучения, включающем преобразование параллельного пучка лазерного излучения сплошного сечения в пучок кольцевого сечения для последующего его сведения в заданную точку, перед преобразованием параллельного пучка лазерного излучения сплошного сечения в пучок кольцевого сечения, из параллельного пучка лазерного излучения сплошного сечения вырезают его центральную часть круглого сечения для последующей ее подачи в заданную точку сведения пучка кольцевого сечения.

В устройстве для фокусировки лазерного излучения, содержащем оптически сопряженные входной и выходной аксиконы, выполненные в виде наружного и внутреннего тел вращения каждый, при этом внутренние тела вращения аксиконов смонтированы на концах полого стержня, связанного с наружными телами вращения аксиконов через пилоны, а полость стержня разделена на два отсека поперечной перегородкой с соплами для подачи хладагента в упомянутые отсеки, внутренние тела вращения аксиконов и перегородка стержня выполнены со сквозными осевыми отверстиями, при этом диаметр отверстия внутреннего тела вращения входного аксикона соизмерим с диаметром пятна сфокусированного лазерного излучения, а осевые отверстия перегородки стержня и внутренних тел вращения аксиконов изолированы от отсеков стержня полыми герметичными элементами.

Кроме того, полые герметичные элементы выполнены в виде тонкостенных трубок, смонтированных коаксиально осевым отверстиям внутренних тел вращения аксиконов и перегородки стержня.

Кроме того, внутренний диаметр тонкостенных трубок, диаметры отверстия перегородки стержня и внутреннего тела вращения выходного аксикона равны или больше диаметра отверстия внутреннего тела вращения входного аксикона.

На чертеже представлено устройство для реализации предлагаемого способа.

Устройство содержит оптически сопряженные входной и выходной аксиконы, выполненные в виде конусообразных наружных 1, 2 и внутренних 3, 4 тел вращения. Внутренние тела вращения 3, 4 аксиконов смонтированы на концах подого стержня 5, связанного с наружными телами вращения 1, 2 аксиконов через пилоны 6 и корпус 7. Полость стержня 5 разделена поперечной перегородкой 8 на два отсека 9, 10, в которые подается хладагент (для охлаждения внутренних тел аксиконов) через каналы 11, 12 посредством сопел 13, 14, предусмотренных на перегородке 8. Выход хладагента осуществляется через каналы 15, 16 (входные и выходные каналы для хладагента конструктивно целесообразно выполнять внутри пилонов 6).

На внутренних телах вращения 3, 4 аксиконов устройства выполнены осевые отверстия 17, 18, а в перегородке 8 стержня 5 предусмотрен осевой канал (отверстие) 19, при этом последний герметично соединен посредством тонкостенных трубок 20, 21 с отверстиями 17, 18 внутренних тел вращения 3, 4 аксиконов. Диаметр d внутреннего тела вращения - 3 входного аксикона выполнен соизмеримым с диаметром пятна сфокусированного пучка лазерного излучения (оптимально - равным диаметру эффективного пятна сфокусированного лазерного излучения в точке F).

Для свободного прохода центральной части (зоны) пучка лазерного излучения внутренние диаметры трубок 20, 21, диаметр канала 19 перегородки 8 стержня 5 и диаметр отверстия внутреннего тела вращения 4 выходного аксикона выполнены равными или больше диаметра d осевого отверстия внутреннего тела вращения 3 входного аксикона.

Реализация предлагаемого способа с помощью приведенного устройства осуществляется следующим образом.

Параллельный пучок I лазерного излучения сплошного круглого сечения подают на внутреннее тело вращения 3 (с конической отражающей поверхностью) входного аксикона, которое после отражения от поверхности последнего с помощью наружного тела вращения 1 входного аксикона преобразуют в пучок II кольцевого сечения для подачи на наружное тело вращения 2 выходного аксикона. После отражения от поверхности наружного тела вращения 2 пучка II осуществляют его сведение в заданную точку F с помощью внутреннего тела вращения 4 выходного аксикона (точка F размещена в фокальной плоскости устройства и имеет диаметр эффективного пятна сфокусированного (сведенного) излучения, равный d). При подаче излучения на внутреннее тело вращения 3 входного аксикона из пучка I вырезают (выделяют) его центральную часть (область) III с диаметром d в поперечном сечении с помощью осевого отверстия 17 тела 3 (диаметр отверстия 17 выбирают из условия соизмеримости с диаметром пятна сфокусированного (сведенного) излучения пучка II).

Вырезанную из пучка I часть III излучения пропускают через отверстие трубки 20, канал 19, отверстие трубки 21 и подают в точку F сведения пучка II для суммирования с последним.

Отвод тепла от внутренних тел 3, 4 аксиконов осуществляют путем прокачки хладагента (охлаждающей жидкости) через отсеки 9, 10 посредством входных 11, 12 и выходных 15, 16 каналов гидросистемы (в графических материалах условно не показано).

Из вышеприведенного следует, что предложенное техническое решение имеет преимущество по сравнению с известным, а именно:

- за счет полного использования энергии светового пучка (включая его центральную часть) повышается плотность мощности в фокальном пятне сведенного в заданную точку излучения;

- отсутствие острой вершины на внутреннем теле входного аксикона уменьшает степень нагрева тела и улучшает теплоотвод, что позволяет производить фокусировку пучка лазерного излучения с повышенной плотностью мощности.

Следовательно, при использовании изобретение дает технический результат, заключающийся в возможности использования лазерных пучков с повышенной плотностью мощности световой энергии.

1. Способ фокусировки лазерного излучения, включающий преобразование параллельного пучка лазерного излучения сплошного сечения в пучок кольцевого сечения для последующего его сведения в заданную точку, отличающийся тем, что перед преобразованием параллельного пучка лазерного излучения сплошного сечения в пучок кольцевого сечения, из параллельного пучка лазерного излучения сплошного сечения вырезают его центральную часть круглого сечения для последующей ее подачи в заданную точку сведения пучка кольцевого сечения.

2. Устройство для фокусировки лазерного излучения, содержащее оптически сопряженные входной и выходной аксиконы, выполненные в виде двух отражающих конических поверхностей каждый, при этом одна отражающая коническая поверхность аксиконов смонтирована на концах полого стержня, связанного с другой отражающей конической поверхностью аксиконов через пилоны, а полость стержня разделена перегородкой с соплами для подачи хладагента в упомянутые отсеки, отличающееся тем, что отражающие конические поверхности аксиконов, смонтированные на концах полого стержня, и перегородка стержня выполнены со сквозными осевыми отверстиями, при этом диаметр осевого отверстия отражающей конической поверхности аксиконов, смонтированных на концах полого стержня, соизмерим с диаметром пятна сфокусированного лазерного излучения, а осевые отверстия перегородки стержня и отражающих конических поверхностей аксиконов, смонтированных на концах полого стержня, изолированы от отсеков стержня полыми герметичными элементами.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что полые герметичные элементы выполнены в виде тонкостенных трубок, смонтированных коаксиально отражающим коническим поверхностям аксиконов на концах полого стержня и осевому отверстию перегородки стержня.