АПОХРОМАТИЧЕСКИЙ РАСШИРИТЕЛЬ ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА ТРЕХВОЛНОВОГО Nd:YAG ЛАЗЕРА

Полезная модель относится к лазерной технике и может быть использована для создания передающих устройств лазерной дальнометрии, оптической локации и связи, в системах зондирования турбулентных сред, в газоаналитических и спектрометрических системах.
Использование многоволновых лазеров позволяет создавать измерительные и диагностические системы с улучшенными точностными, эксплутационными, габаритными и стоимостными характеристиками, так как данные лазеры по сравнению с несколькими дискретными обеспечивают более высокую стабильность разности длин волн генерации, одинаковую флуктуацию и фазовую структуру излучения, совмещение оптических осей зондирующих сигналов. В настоящее время среди источников многоволнового излучения широко используется Nd:YAG лазер. Уникальными свойствами этого лазера являются не только возможность перестройки длины волны излучения от УФ до ближнего ИК диапазона, но и возможность получения лазерных импульсов высокой энергии и достижения высокой мощности в непрерывном режиме работы. Эти свойства делают многоволновый Nd:YAG лазер основным источником излучения для решения различных контрольно-измерительных, промышленных, медицинских и научно-исследовательских задач. Чтобы максимально реализовать указанные преимущества многоволнового лазера, необходима разработка последующей за лазером оптической системы, способной без перестройки функционировать одновременно на разных длинах волн. Обычно за лазером размещается система коллимации лазерного излучения - расширитель лазерного пучка, позволяющий уменьшить расходимость лазерного излучения, формировать пучок большей апертуры с минимизацией аберраций не только монохроматических, но и хроматических при многоволновом режиме работы.
2
Известно, что хроматизм отсутствует в зеркальных системах. В качестве расширителя лазерного пучка можно использовать телескопические системы, состоящие из двух внеосевых параболических зеркал, но данные системы очень дорогие и сложны в юстировке. Апохроматическую коррекцию можно осуществить и за счет использования марок стекол с особым ходом частной дисперсии. Однако в УФ области спектра каталог используемых материалов весьма ограничен, поэтому необходимо искать пути апохроматизации с помощью схемных решений, обеспечивающих достижение высокой степени коррекции остаточного хроматизма при изготовлении линз оптической системы из оптических материалов, имеющих хорошее пропускание в УФ области спектра. Одним из методов устранения хроматизма является подбор марок стекол линз оптической системы совместно с использованием воздушного промежутка между ними в качестве коррекционного параметра (Родионов С.А. Основы оптики // СПб., ГИТМО (ТУ), 2000. - 173 с). Указанный метод является перспективным для оптических систем УФ диапазона, т.к. в этой спектральной области хорошее пропускание обеспечивают только кварц и кристаллы (например, CaF и MgF2).
2
2
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), но наиболее близким к заявляемой полезной модели по конструктивным и эксплуатационным характеристикам является ахроматический расширитель двухволнового Nd:YAG лазера, выполненный в виде обратной системы Галилея (Патент КИ №89727, публикация 2009 г, МКИ О02 В23/00). В этом расширителе отрицательный компонент выполнен из кварца, а положительный объектив представляет собой двухлинзовый компонент, состоящий из двояковыпуклой положительной линзы, выполненной из кристалла CaF, и отрицательного мениска, выполненного из кварца. Пара оптических материалов “кварц-CaF” корректируют первичный хроматизм, но апохроматизацию (коррекцию для трех длин волн) выполнить в таком схемном решении не удается.
Заявляемая полезная модель предназначена для коллимации излучения трехволнового Nd:YAG лазера, генерирующего на первой (λ=1,064 мкм), третьей (λ=0,355 мкм) и четвертой (λ=0,266 мкм) гармониках. Расчет оптической схемы системы коллимации лазерного излучения должен учитывать первоначальную расходимость светового пучка, выходящего из лазера. Для коммерческих типов лазеров угол расходимости может меняться в пределах нескольких угловых минут.Поэтому необходимо разработать универсальную схему коллимации лазерного излучения, позволяющую управлять коллимацией выходящего пучка с учетом первоначальной расходимости лазера в пределах от нуля до 2 мрад.
Цель полезной модели: повышение качества лазерного пучка путем формирования лазерного пучка большей апертуры с минимизацией аберраций при одновременной работе системы на трех длинах волн: 1,064; 0,355 и 0,266 мкм без ее перефокусировки с учетом первоначальной расходимости пучка, находящейся в пределах от нуля до 2 мрад.
Поставленная цель достигается тем, что предложенное устройство - апохроматический расширитель лазерного пучка для УФ и ИК областей спектра, построенный по обратной схеме Галилея и состоящий из отрицательного двухлинзового компонента оптически связанного с положительным трехлинзовым объективом, причем отрицательный двухлинзовый компонент состоит из отрицательного кварцевого мениска, обращенного выпуклой поверхностью к торцевой поверхности лазера и отрицательной линзы, изготовленной из MgF2, а положительный трехлинзовый объектив содержит положительный кварцевый мениск, положительную линзу, изготовленную из MgF2 и отрицательную кварцевую линзу. Возможность коллимировать пучок с различной первоначальной расходимостью обеспечивается изменением воздушного промежутка между отрицательным двухлинзовым компонентом и положительным трехлинзовым объективом в пределах +/-0,3 мм при расчетной расходимости пучка в 1 мрад.
На фиг. 1 изображена оптическая схема расширителя лазерного пучка, где 1 - отрицательный двухлинзовый компонент, 2 - положительный трехлинзовый объектив. Устройство работает следующим образом: лазерный пучок от источника излучения (твердотельного Nd:YAG лазера) с первоначальной расходимостью в 1 мрад 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 7,6 раза пучка по сравнению с падающим пучком лазерного излучения. Выбор оптического материала обеспечил как возможность апохроматизации оптической схемы расширителя, т.е. компенсации хроматических аберраций для трех длин волн, так и высокий коэффициент пропускания в рабочих диапазонах длин волн. Кварц является нелюминисцирующим, радиационно-оптически устойчивым материалом, прозрачным, как и кристалл MgF2, в ультрафиолетовой, видимой и ИК-областях спектров. Трудоемкая задача оптимизации параметров оптических элементов схемы и минимизация аберраций для трех длин волн была решена с помощью всемирно известного программного комплекса «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 измерить интенсивность Штреля в пятне рассеяния. Для длины волны λ=1,064 мкм число Штреля St=0,99; для λ=0,355 мкм - St=0,96; для λ=0,266 мкм - St=0,93, что свидетельствует о дифракционном качестве формируемого волнового фронта. Остаточный хроматизм положения для трех рабочих длин волн не превышает 2 мкм (фиг. 2), а S-образная форма графика характеризует высокую степень коррекции хроматизма положения.
Точный выбор величины воздушного промежутка между отрицательным компонентом и объективом позволяет учесть расходимость лазерного пучка, изменяющуюся от 0 до 2 мрад.
Технические характеристики оптической системы апохроматического расширителя лазерного пучка трехволнового Nd:YAG лазера:
Источник излучения - Nd:YAG лазер;
Угол расходимости лазерного излучения - от 0 до 2 мрад;
Рабочие длины волн (λ) - 1,064; 0,355 и 0,266 мкм;
Диаметр входного пучка - 8 мм;
x
x
Увеличение расширителя лазерного пучка - 7,5-7,7;
Общая длина системы - 510 мм.
Параметры линз приведены в следующей таблице.
Радиус (мм)
Толщина по оси (мм)
Материал
Световой Диаметр (мм)
13
3,5
Кварц
8,0
9
3
7,2
-40
3
MgF<sub>2</sub>
7,4
-126
330,8
7,9
144,5
10
Кварц
63,2
402
130
63,0
148,2
15
MgF<sub>2</sub>
65,2
-97,9
5
64,7
-90,6
10
Кварц
61,5
425,75
61,6
Таким образом, в представленном апохроматическом расширители лазерного пучка трехволнового Nd:YAG лазера достигнут поставленный ранее технический результат - обеспечена возможность одновременной работы без перефокусировки для длин волн: 1,064 мкм; 0,355 мкм и 0,266 мкм с уменьшением первоначальной угловой расходимости лазерного пучка более чем в 7,5 раз, что обеспечивается комплексным исправлением монохроматических и хроматических аберраций.