Устройство для фокусировки лазерного излучения

Полезная модель относится к области лазерной техники и может быть использовано при доставке сфокусированного пучка на объект (например, при создании лазерных технологических комплексов).
Известны устройства для фокусировки лазерного излучения, выполненные на базе оптически сопряженных аксиконов [L.W. Casperson and M.S. Shekhani. Breakdown in a Radian-Mode Focusing Element. Appl. Opt., V. 13, №1, 1974, p. 104-108. W.R. Edmonds The Reflakxicon, a Reflective Optical Element, and Some Application. Appl. Opt., V 12, №8, 1973, p. 1940-1945].
Известно также устройство для фокусировки лазерного излучения, содержащее оптически сопряженные входной и выходной аксиконы, выполненные в виде коаксиально расположенных внутренних и периферийных конусообразных отражающих поверхностей, при этом внутренние конусообразные отражающие поверхности аксиконов смонтированы на концах стержня, связанного с периферийными конусообразными отражающими поверхностями аксиконов через пилоны [Патент RU 2240615 С1, МПК G21K 1/02. Опубл. 20.11.2004. Бюл. №32].
Недостатком приведенных технических решений является пониженная плотность мощности в сфокусированном пучке лазерного излучения, обусловленная отсутствием использования лучевой энергии центральной области подаваемого (фокусируемого) пучка лазерного излучения, обусловленная наличием острия на внутреннем теле вращения входного аксикона, приводящего к перегреву последнего (вследствие затрудненности теплоотвода) при высоких уровнях плотности мощности фокусируемого излучения.
Известно также устройство для фокусировки лазерного излучения, включающее, оптически сопряженные входной и выходной аксиконы, выполненные в виде коаксиально расположенных внутренних и периферийных конусообразных отражающих поверхностей, при этом внутренние конусообразные отражающие поверхности аксиконов смонтированы на концах стержня, связанного с периферийными конусообразными отражающими поверхностями аксиконов через пилоны, снабжено двумя плоскими отражающими элементами, а внутренние конусообразные отражающие поверхности аксиконов выполнены с осевыми цилиндрическими выступами, при этом диаметры вышеуказанных осевых выступов соизмеримы с диаметром фокального пятна сфокусированного лазерного излучения и выполнены с разнонаправленными зеркальными скосами на концах, оптически сопряженными через плоские отражающие элементы с фокальным пятном сфокусированного излучения [Патент RU 2307413 С1, МПК G21K 1/00. Опубл. 27.09.2007. Бюл. №27] - прототип.
Недостатком прототипа является относительно невысокий срок службы устройства, так как участки внутренних отражающих поверхностей, расположенных ближе к оси лазерного пучка, подвергаются воздействию существенно большей плотности мощности, чем участки поверхности, расположенные на периферии лазерного пучка, распределение мощности в котором, как правило, имеет вид гауссовой кривой. Неравномерный нагрев внутренних поверхностей приводит к постепенной деградации поверхностей и уменьшению срока службы устройства
Техническим результатом полезной модели является увеличения срока службы устройства для фокусировки лазерного излучения.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для фокусировки лазерного излучения, содержащем выходной аксикон, выполненный в виде коаксиально расположенных внутренней и периферийной отражающих поверхностей, при этом внутренняя отражающая поверхность аксикона смонтирована на конце стержня, соединенного с периферийной отражающей поверхностью аксикона через пилоны, соединенные со втулкой, во внутреннем объеме втулки перед стержнем соосно размещены одинаковые первая коническая линза и вторая коническая линза, расстояние между которыми определяют по формуле
где: L - расстояние между первой конической линзой и второй конической линзой;
П
d - диаметр первоначального сплошного лазерного пучка;
В
d - внутренний диаметр преобразованного кольцевого лазерного пучка;
α - угол у основания конической линзы;
n - показатель преломления материала конической линзы для длины волны лазерного излучения.
На чертеже изображено предлагаемое устройство для фокусировки лазерного излучения. Устройство содержит выходной аксикон в виде коаксиально расположенных внутренней 1 и периферийной 2 отражающих поверхностей. Отражающая поверхность 1 смонтирована на конце стержня 3, который связан с отражающей поверхностью 2 с помощью пилонов 4 через втулку 5, в которой соосно закреплены первая коническая линза 6 и вторая коническая линза 7, установленная от первой конической линзы 6 на расстоянии, обеспечивающем прохождение лазерного пучка в виде кольца на периферийную отражающую поверхность 2 выходного аксикона.
П
Устройство работает следующим образом. Параллельный лазерный пучок диаметром d подается на первую коническую линзу 6, которая преобразует его в пучок, расходящийся под углом
где β - угол, на который конической линзой отклоняются параллельные лучи лазерного пучка;
α - угол у основания конической линзы 6;
n - показатель преломления материала конической линзы 6 для длины волны лазерного излучения.
В
Далее второй конической линзой 7, выполненной из того же материала, что и первая коническая линза 6, и имеющей угол у основания α, расходящийся лазерный пучок преобразуется в параллельный кольцевой пучок с внутренним диаметром d, обеспечивающим прохождение лазерного пучка на периферийную отражающую поверхность 2. При этом центральная часть лазерного пучка с высокой плотностью мощности окажется на внешней стороне кольцевого пучка, а периферийная часть пучка с низкой плотностью мощности на внутренней стороне пучка. По законам геометрии легко показать, что расстояние между первой конической линзой 6 и второй конической линзой 7 должно быть
где: L - расстояние между первой конической линзой 6 и второй конической линзой 7. Далее периферийной отражающей поверхностью 2 кольцевой лазерный пучок направляется на внутреннюю отражающую поверхность 1, выполненную торообразной с параболической направляющей, которая фокусирует лазерный пучок в точку F. Центральная часть первоначального сплошного лазерного пучка с высокой плотностью мощности будет воздействовать на внутреннюю отражающую поверхность 1 большей площади, а периферийная часть первоначального сплошного лазерного пучка малой плотности мощности - на внутреннюю отражающую поверхность 1 меньшей площади, что приводит к снижению плотности мощности лазерного излучения на проблемных участках поверхности 1 при сохранении общей передаваемой мощности лазерного пучка и увеличению срока службы устройства фокусировки.
Следовательно, предложенное устройство для фокусировки лазерного излучения по сравнению с прототипом будет иметь больший срок службы при передаче одинаковой мощности лазерного пучка.