РЕГУЛИРУЕМЫЙ ОСЛАБИТЕЛЬ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
ADJUSTABLE OPTICAL RADIATION ATTENUATOR

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть применено при создании оптико-механических приборов, предназначенных для плавного регулирования ослабления оптического пучка, в частности, в фотометрических приборах, при измерении параметров излучения лазеров.
Известно устройство для плавного ослабления оптического пучка, содержащее вращающиеся диски, выполненные из поглощающего материала и имеющие различную толщину в разных сечениях, либо кварцевые или стеклянные диски, с нанесенной на них пленкой платины, палладия, никеля, титана, хрома или других металлов. Толщина пленки плавно изменяется по кругу от минимальной до максимальной равномерно или по определенному закону (см. ″Проектирование оптико-электронных приборов″ под общ. ред. д-ра техн. наук Ю.Г. Якушенкова, Москва: ″Машиностроение″, 1981 г., стр. 42-43).
Недостатками этих ослабителей является то, что для обеспечения равномерности ослабления по сечению пучка необходимо применение двух дисков, вращающихся синхронно в противоположных направлениях, а также, значительные габариты и масса.
3
Известно также плавно регулируемое оптическое фильтровое устройство, содержащее полимерную пленку переменной толщины, намотанную на барабан. Плавное ослабление оптического пучка, падающего по нормали на пленку, осуществляется путем перематывания пленки с одного барабана на другой (международная заявка №82/01423, опубл. 29.04.82 г., Мкл G02B 5/22).
Недостатком такого устройства является небольшой диапазон ослабления, малая лучевая прочность пленки, а также неравномерность ослабления по сечению пучка.
3
Наиболее близким к изобретению является непрерывно регулируемый оптический ослабитель, содержащий два оптических элемента, каждый из которых устанавливают на оси пучка излучения так, что плоскость его поверхности перпендикулярна этой оси. Каждый элемент имеет постоянную оптическую плотность в одном направлении и непрерывно изменяющуюся оптическую плотность во втором направлении, перпендикулярном первому. Непрерывно изменяющиеся оптические плотности двух элементов изменяются с одинаковой скоростью, но с противоположным знаком во втором направлении. Имеются средства для перемещения двух оптических элементов относительно друг друга в указанном втором направлении (Мкл G02B 5/22. Заявка Великобритании №2074339, опубл. 28.10.1981 г.).
Недостатком известного непрерывно регулируемого оптического ослабителя является сложность обеспечения синхронного перемещения двух оптических элементов в противоположных направлениях, высокие требования к взаимному расположению элементов в динамике, возможный разброс параметров этих элементов, что может привести к неравномерности ослабления по сечению и отклонению пучка от первоначального направления, значительные габариты подвижных частей устройства.
Целью изобретения является повышение равномерности ослабления по сечению пучка, уменьшение массы, габаритов и количества подвижных частей, повышение стабильности положения оптической оси пучка.
Указанная цель достигается тем, что в непрерывно регулируемом ослабителе оптического пучка, содержащем два оптических элемента из оптически поглощающего материала с постоянной оптической плотностью в одном направлении и непрерывно изменяющейся оптической плотностью во втором направлении, перпендикулярном первому, установленные с возможностью согласованного перемещения друг относительно друга в указанном втором направлении, один из указанных элементов выполнен из оптически прозрачного материала и жестко соединен, например склеен, со вторым, с равным показателем преломления, и дополняет его до плоскопараллельной пластинки, которые установлены неподвижно и, кроме того, введены дополнительно входное и выходное зеркала и триппель-призма, причем отражающие поверхности входного и выходного зеркал взаимно перпендикулярны и расположены на разных уровнях одно под другим, под углом 45° к боковой грани жестко соединенных элементов, параллельной указанному направлению с непрерывно изменяющейся оптической плотностью, связанных оптически и конструктивно перпендикулярно указанному направлению с триппель-призмой, установленной по другую сторону жестко соединенных оптических элементов, а входное и выходное зеркала совместно с триппель-призмой установлены с возможностью перемещения вдоль оси, параллельной указанному направлению.
Перечисленная совокупность существенных признаков предлагаемого изобретения при проведении патентного поиска авторами не обнаружена.
Существенное отличие предлагаемого изобретения на непрерывно-регулируемый ослабитель оптического пучка проявляется в совокупности следующих отличительных признаков:
3
- реализация ослабления оптического пучка за счет прохождения его через вышеуказанные жестко соединенные оптические элементы дважды, с инверсией вокруг собственной оси, что обеспечивает высокую равномерность ослабления по поперечному сечению пучка за счет компенсации неравномерности ослабления, приобретенной за один проход через указанные элементы. В известных схемах ослабителем используется однопроходное ослабление, при этом равномерность ослабления по поперечному сечению пучка достигается за счет использования двух ослабляющих подвижных элементов, согласованно перемещаемых с одинаковой скоростью во встречных направлениях (см. ″Проектирование оптико-электронных приборов″, под общей редакцией Ю.Г. Якушенкова, М. ″Машиностроение″, 1981 г. стр. 42-43 и заявку Великобритании №2074339, опубл. 28.10.1981 г., Мкл G02B 5/22). Обеспечение полной согласованности скоростей двух подвижных ослабляющих оптических элементов в известных решениях, а также параллельность их граней труднодостижимо, и в связи с этим, недостижима высокая равномерность ослабления по поперечному сечению пучка:
3
- использование неподвижно установленных склеенных оптических элементов и введенных входного, выходного зеркал и триппель-призмы, оптически и конструктивно связанных между собой и установленных с возможностью перемещения вдоль оси, параллельной направлению непрерывно изменяющейся оптической плотности вышеуказанного оптического элемента, что реализуется, например, в виде подвижной каретки. Такая новая совокупность признаков предлагаемого изобретения дает уменьшение числа подвижных частей и массо-габаритных характеристик в сравнении с известными схемами ослабителей (см. ″Проектирование оптико-электронных приборов″ под ред. Ю.Г. Якушенкова, М., ″Машиностроение″, 1981 г. стр. 42; заявка Великобритании №2074339, опубл. 28.10.1981 г. Мкл G02B 5/22).
Кроме того, использование входного и выходного зеркал и триппель-призмы реализует стабильность положения оптической оси пучка, что обеспечивается некритичностью к угловой разъюстировке указанных элементов. В известных схемах ослабителей (та же литература, что и указанная выше) стабильность положения оптической оси ослабляемого пучка обеспечивается наличием двух ослабляющих элементов, согласованно перемещаемых с одинаковой скоростью во встречных направлениях, что труднодостижимо.
На основании этого можно сделать вывод, что заявляемый непрерывно регулируемый ослабитель соответствует критерию существенные отличия, и обладает положительным эффектом и новизной.
На фиг. 1 и фиг. 2 изображена функциональная оптическая схема непрерывно регулируемого ослабителя оптического пучка, а также показан ход лучей в оптических элементах.
На фиг. 3 и фиг. 4 изображена одна из возможных конструкций оптико-механического устройства непрерывно регулируемого ослабителя оптического пучка.
Оптическая схема (фиг. 2) состоит из оптического элемента 1, выполненного из оптически поглощающего материала с постоянной оптической плотностью в одном направлении и непрерывно изменяющейся оптической плотностью во втором направлении, перпендикулярном первому, например клина, жестко соединенного с оптическим элементом 2, выполненным из оптически прозрачного материала, входного зеркала 3, триппель-призмы 4 и выходного зеркала 5. Жестко соединенные элементы 1 и 2 закреплены неподвижно на платформе 6 (фиг. 3, фиг. 4), которая служит также направляющей для каретки 7 с закрепленными на ней входным и выходным зеркалом 3 и 5, а также триппель-призмы 4. В торцевой части платформы 6 крепится электродвигатель 8 и редуктор 9, выходной вал которого соединен с микрометрическим винтом 10, расположенным в нижней части платформы 6, и связанным механически с кареткой 7.
Для уменьшения трения между кареткой 7 и платформой 6 введены подшипники 11.
Непрерывно регулируемый ослабитель оптического пучка работает следующим образом. Пучок лучей падает на входное зеркало 3, расположенное под углом 45° к оптической оси указанного пучка. На пути отраженного от входного зеркала 3 пучка лучей установлены неподвижно жестко соединенные оптические элементы 1 и 2, причем так, что оптическая ось пучка перпендикулярна направлению, в котором оптическая плотность элемента 1 непрерывно изменяется. После прохождения через жестко соединенные оптические элементы 1 и 2 пучок лучей ослабляется на некоторую величину. При этом направление оптической оси пучка не меняется за счет элемента 2, показатель преломления которого равен показателю преломления элемента 1. Следует ответить, что при этом ослабление по поперечному сечению пучка неравномерно, что определяется клиновидной формой оптического элемента 1. Для достижения равномерности ослабления по поперечному сечению пучка установлена триппель-призма 4, отраженный пучок лучей которой повернут вокруг собственной оси на 180°. Пройдя в обратном направлении, те же оптические элементы 2 и 1, но на другом по высоте уровне, равномерно ослабленный пучок лучей падает на зеркально отражающую поверхность выходного зеркала 5, отражаясь от которой выходит в том же направлении, куда направлена ось падающего пучка, но на более низком по высоте уровне. Кроме указанного воздействия на ослабляемый пучок триппель-призма 4 компенсирует также отклонение оптической оси пучка от первоначального направления, в случае разброса линейных и угловых параметров оптических элементов 1 и 2, а также отклонения в случае различия их показателей преломления.
Непрерывность регулировки ослабления оптического пучка достигается тем, что электродвигатель, установленный в торцевой части неподвижной платформы с закрепленными на ней оптическими элементами 1 и 2 вращает через редуктор 9 микрометрический винт 10, механически связанный с кареткой 7, и тем самым перемещает ее вдоль продольной оси ослабителя, параллельной направлению, в котором оптическая плотность элемента 1 постоянно изменяется.
Непрерывное перемещение каретки 7 в направлении, параллельном плавно изменяющейся оптической плотности элемента 1, приводит к тому, что оптическая ось конструктивно и оптически сопряженных входного зеркала 3, триппель-призмы 4 и выходного зеркала 5 (см. фиг.3, 4) смещается параллельно самой себе в направлении, параллельном изменяющейся оптической плотности элемента 1.
Таким образом, ослабляемый пучок при движении каретки 7 вдоль поглощающего элемента 1 попадает на все новые и новые его участки, непрерывно ослабляясь. Диапазон ослабления при этом определяется материалом и продольно-поперечными размерами элемента 1. Размеры же подвижной части - каретки 7 определяются лишь конструктивными требованиями и не зависит от параметров ослабителя.
Из конструктивных соображений возможен также и второй вариант, когда неподвижными являются оптические элементы 3, 4, 5, а элемент 1, с непрерывно изменяющейся оптической плотностью в одном направлении и постоянной оптической плотностью в другом направлении, а также жестко соединенный с ним оптический элемент 2, выполненный из прозрачного материала установлены на подвижной каретке 7. В этом случае конструкция электромеханического привода будет отличаться от конструкции, изображенной на фиг. 3 и фиг. 4.
На фиг. 3 римскими цифрами I и II показано соответственно начальное положение каретки, когда ослабление пучка равно 0, и конечное положение, когда ослабление пучка максимально.
В случае необходимости непрерывного ослабления монохроматического пучка лучей с λ=1,06 (мкм) в диапазоне 0-50 дБ, возможно применение следующих оптических поглощающих материалов - сине-зеленое стекло (СЗС-15, СЗС-17 и др.), нейтральные стекла, например НС-2, на которых и изготавливается элемент 1.
Для обеспечения ослабления пучка в указанном диапазоне оптический элемент 1 может быть выполнен в виде клина, причем, катетная грань, вдоль которой происходит перемещение каретки 7, может иметь длину 100 мм, тогда вторая катетная грань для стекла СЗС-15 перпендикулярна направлению, в котором оптическая плотность элемента 1 непрерывно изменяется, должна быть 24 мм.
Для стекла СЗС-17 и НС-2 эти величины соответственно равны 100 мм и 62 мм, 91 мм и 49,5 мм.
В случае необходимости непрерывного ослабления лазерного пучка в небольшом диапазоне, возможно использование в качестве средства для закрепления и перемещения указанных выше оптических элементов, после некоторой доработки столика для параллельного смещения оптического элемента с приводом от шагового двигателя ДШП-40-1. Величина осевого хода столика соответствует 18 мм. Поворот вала двигателя на один шаг (9°) соответствует линейному перемещению столика на 4,17 мкм (см. труды ордена Ленина Физического института им. П.М. Лебедева. Том 133 ″Взаимодействие лазерного излучения с термоядерными мишенями″, М., Наука, 1983, стр. 43).
Использование одного оптического элемента с постоянной оптической плотностью в одном направлении и непрерывно изменяющейся оптической плотностью в другом направлении в качестве поглощающего элемента, и жестко соединенного с ним аналогичного по форме и по показателю преломления второго элемента, выполненного из оптически прозрачного материала, служащего для компенсации отношения оптического пучка, проходящего через первый оптический элемент, а также введенных дополнительно входного, выходного зеркал и призмы, установленных с возможностью перемещения, выгодно отличает предлагаемую схему непрерывно регулируемого ослабителя оптического пучка от известного, так как повышается равномерность ослабления по поперечному сечению пучка, улучшается стабильность работы ослабителя вследствие упрощения механической части и уменьшения числа подвижных частей, обеспечивающих ослабление оптического пучка, уменьшается масса, габариты, снижаются требования к точности установки оптических элементов.
Предлагаемая схема непрерывно регулируемого ослабления оптического пучка может быть использована при создании широкого класса устройств, где необходима плавная регулировка интенсивности лазерного излучения с возможностью автоматизированного управления, как-то:
- фотометрические и спектральные приборы;
- медицинские и технологические лазерные установки;
- лазерные геодезические приборы
- голографические стенды
- лазерные стенды имитации обстановки функционирования оптико-электронных систем.