АХРОМАТИЧЕСКИЙ РАСШИРИТЕЛЬ ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА ДЛЯ УФ И ИК ОБЛАСТЕЙ СПЕКТРА

Полезная модель относится к лазерной технике и может быть использовано для создания передающих устройств лидарных систем, в системах дальней оптической локации и связи.
Одной из актуальных задач в этих областях является направленная транспортировка энергии на большие расстояния лазерным излучением. Транспортирующий пучок должен быть мощным, большого диаметра и с максимально скомпенсированными аберрациями волнового фронта для достижения максимальных параметров по дальности, угловому разрушению и пространственной плотности энергии. Создание оптико-электронных систем, работающих на базе высокоэнергетической лазерной техники, требует использования весьма специфичных оптических и оптико-электронных блоков: расширителей лазерного пучка, оптико-электронных и акустооптических модуляторов, высокоразрешающих оптических проекционных систем, специальных голографических узлов и др. Следует отметить, что качество полученных измерений будет зависеть от характеристик выходящего из передающей системы лазерного пучка. При этом естественно, что лазерный пучок должен характеризоваться предельно возможной малой расходимостью для рабочих длин волн и высокой параллельностью выходящих лучей оптической визирной оси системы аппаратурного комплекса. Возможность реализации вышеуказанных требуемых параметров зависит от расширителей лазерного пучка. Для различных типов лазеров угол расходимости меняется от нескольких угловых минут до нескольких градусов. Для уменьшения угла расходимости лазерных пучков лучей (для их коллимации) используют телескопические системы, представляющие собой обратные системы Галилея или Кеплера. Предпочтительнее применять обратную систему Галилея, которая не дает промежуточное действительное изображение, недопустимое при использовании мощных лазеров.
Известны различные конструкции для коллимации лазерного излучения (Патент RU №2209455, публикация 2003 г, МКИ G02B 23/00; патент RU №76723, публикация 2008 г, МКИ G02B 23/00). В этих конструкциях не обеспечивается возможность работы в УФ области спектра и не предусмотрена возможность юстировки выходящего лазерного пучка лучей параллельно оптической визирной оси системы аппаратурного комплекса.
Наиболее близким по конструктивным характеристикам к заявляемой полезной модели относится расширитель лазерного пучка, выполненный в виде обратной системы Галилея (Запрягаева Л.А., Свешникова И.С. Расчет и проектирование оптических систем: Учебник для вузов.- М.: Логос, 2000. - 584 с., рис.4.23ж). В этом расширителе отрицательный компонент выполнен в виде одиночной двояковогнутой линзы, а положительный объектив представляет собой двухлинзовый несклеенный компонент, состоящий из положительной и отрицательной линз. Прототип предназначен для работы на одной длине волны. При расчете расширителя лазерного пучка исходными являются конкретные параметры лазерного пучка: его диаметр, угол расходимости и длина волны излучения лазера - λ. Заявляемая полезная модель предназначена для коллимации излучения твердотельного лазера на основе алюмоиттриевого граната, активированного неодимом, генерирующего на первой (λ=1,064 мкм) и четвертой (λ=0,266 мкм) гармониках. Работа оптической системы на сильно различающихся длинах волн накладывает дополнительное требование к разработке оптической схемы - это минимизация не только геометрических аберраций, выполненных при разработке прототипа, но и хроматических аберраций, а также оптимизация параметров оптических компонентов, позволяющая работать без перефокусировки расширителя на двух длинах волн. Условие ахроматизации и выбор для этой цели оптических материалов не учитывались при разработке оптической схемы прототипа, работающего в монохроматическом режиме.
Цель полезной модели: 1) повышение качества лазерного пучка путем формирования лазерного пучка большей апертуры с минимизацией аберраций при одновременной работе системы на двух длинах волн в УФ и ИК областях спектра без ее перефокусировки, 2) обеспечение возможности юстировки выходящего лазерного пучка лучей параллельно оптической визирной оси системы аппаратурного комплекса.
2
Поставленная цель достигается тем, что предложенное устройство - ахроматический расширитель лазерного пучка для УФ и ИК областей спектра, построенное по обратной схеме Галилея и состоящее из отрицательного компонента, выполненного из кварца в виде выпукло-вогнутой линзы, обращенной выпуклой поверхностью к торцевой поверхности лазера и положительного объектива, представляющего собой двухлинзовый несклеенный компонент с малым воздушным промежутком, состоящий из двояковыпуклой положительной линзы, выполненной из кристалла СаF, и отрицательного мениска, выполненного из кварца, причем первый радиуса кривизны отрицательного мениска объектива отличается от второго радиуса кривизны положительной линзы объектива на величину воздушного промежутка между ними, а возможность юстировки выходящего из расширителя лазерного пучка лучей параллельно оптической визирной оси системы аппаратурного комплекса осуществляется посредством наклонов и поворотов двух юстируемых плоских параллельно расположенных зеркал на выходе системы расширителя лазерного пучка.
На фиг.1 изображена оптическая схема расширителя лазерного пучка, где 1 - отрицательный компонент расширителя лазерного пучка, 2 - положительный двухлинзовый несклеенный объектив и 3, 4 - юстируемые плоские зеркала. На фиг.2 приведены конструктивные параметры ахроматического расширителя лазерного пучка.
2
Устройство работает следующим образом: лазерный пучок от источника излучения (твердотельного лазера) проходит через отрицательный компонент (1), расширяется и попадает на объектив (2), при совмещении задней фокальной точки отрицательного компонента с передней фокальной точкой положительного объектива происходит коллимация увеличенного в диаметре в 7,4 раза пучка по сравнению с падающим пучком лазерного излучения. Использование двух юстируемых плоских параллельно расположенных зеркал позволяет проводить подъюстировку оптической оси расширителя лазерного пучка с оптической визирной осью система аппаратурного комплекса. Выбор оптического материала обеспечил как возможность ахроматизации оптической схемы расширителя, т.е. компенсации хроматических аберраций для двух длин волн, так и высокий коэффициент пропускания в рабочих диапазонах длин волн. Кварц является нелюминисцирующим, радиационно-оптически устойчивым материалом, прозрачным, как и кристалл CaF, в ультрафиолетовой, видимой и ИК-областях спектров. Трудоемкая задача оптимизации параметров оптических элементов схемы и минимизация аберраций для двух длин волн была решена с помощью всемирно известного прикладного пакета программ ZEMAX. Анализ аберраций оптической схемы расширителя лазерного пучка проведен с использование модели параксиальной линзы с фокусным расстоянием 100 мм (тонкий положительный компонент, не вносящий дополнительных аберрационных искажений), позволяющей сфокусировать коллимированный пучок и затем измерить кружок рассеяния. В классической оптике наименьший размер кружка рассеяния может быть получен в случае работы «идеальной» оптической системы, у которой отсутствуют все виды аберраций и когда конечное качество на выходе системы определяется только дифракционными явлениями. Полученные диаметры пятна рассеяния соизмеримы с диаметром дифракционного кружка - кружка Эйри, что свидетельствует о дифракционном качестве оптической системы расширителя. Для длины волны λ=1,064 мкм диаметр пятна кружка рассеяния предлагаемого расширителя составляет 4,936 мкм, а диаметр дифракционного кружка кружка Эйри - 4,930 мкм. Для длины волны λ=0,266 мкм диаметр пятна кружка рассеяния - 1,34 мкм, диаметр дифракционного кружка Эйри - 1,19 мкм.
Из вышеизложенного следуют следующие преимущества оптической схемы расширителя:
- обеспечена возможность одновременной работы без перефокусировки для длин волн 1,064 мкм и 0,266 мкм с уменьшением первоначальной угловой расходимости лазерного пучка более чем в 7 раз;
- обеспечена возможность юстировки выходящего из расширителя лазерного пучка лучей параллельно оптической визирной оси системы аппаратурного комплекса;
- минимизирован сфокусированный блик, возникающий в результате отражения излучения от первой поверхности отрицательного оптического компонента расширителя лазерного пучка, приводящий к нежелательным последствиям, по этой причине отрицательная линза обращена выпуклой, а не вогнутой поверхностью к выходному торцу лазера.
- улучшена технологичность расширителя в связи с упрощением контроля качества изготовления оптических поверхностей расширителя лазерного пучка, поскольку первый радиус кривизны отрицательного компонента объектива отличается от второго радиуса кривизны положительного компонента двухлинзового объектива на величину воздушного промежутка между ними, что дает возможность провести интерференционный контроль сборки и качества изготовления поверхностей по кольцам Ньютона, не изготавливая дополнительно пробные стекла для контроля этих поверхностей объектива.