СВЕТОВОЙ ПРИБОР

Полезная модель относится к области физики, а именно оптике, и может быть использована в световых приборах, где необходимо изменение поперечного сечения светового потока источника первичного излучения, выполненного, в том числе, на основе лазера.
В практике применения световых приборов возникает необходимость ограничения ширины действующих пучков источника первичного оптического излучения, которое осуществляется с помощью светоперераспределяющего устройства. В частности, ограничение световых пучков является необходимым условием при построении изображения трехмерного предмета оптической системой на плоскости. В зависимости от конструктивного исполнения светового прибора в качестве светоперераспределяющего устройства может быть один из элементов самого прибора, либо дополнительный элемент, называемый диафрагмой. Как известно, диафрагма - это непрозрачная перегородка, ограничивающая поперечное сечение световых пучков. (Физический энциклопедический словарь. М. Сов. энциклопедия. 1983.)
Диафрагмы бывают различного типа: апертурная, диафрагма поля зрения, диафрагма-аподизатор или мягкая диафрагма и т.п. В оптических приборах находят широкое применение, мягкие диафрагмы, отличительной особенностью которых является то, что в их сечении нет резких перепадов пропускания излучения. Часто используются круглые мягкие диафрагмы, у которых пропускание излучения имеет радиально симметричное распределение, непрерывно меняющееся от полного пропускания в центре - до полного ослабления интенсивности излучения вблизи периферии пучка. При этом наибольший перепад ослабления интенсивности излучения сосредоточен в относительно узкой периферийной части пучка. В результате диафрагма ослабляет лишь небольшую часть от всего пучка источника первичного оптического излучения, но, в тоже время, при соответствующем выборе ее характеристик, в прошедшем пучке отсутствуют дифракционные неоднородности интенсивности, в отличие от используемых диафрагм с резким переходом от полного пропускания к полному ослаблению.
Мягкие диафрагмы находят применение в световом приборе как с некогерентным источником первичного излучения, например, в микроскопах, где необходимо рассматривать выделенный участок малого размера и при этом устранить дифракционные явления на границах этого участка, так и в световых приборах, в которых источником первичного оптического излучения является лазер. В последнем случае диафрагмы используются с целью улучшения качественных характеристик генерируемого излучения.
Известны световые приборы на основе лазеров, в которых применяются мягкие диафрагмы, конструкция которых основана на различных принципах построения: фотоокисление редкоземельной примеси во флюорите (С.Г. Лукишова, Н.Р. Минуэй Мендез, Е.В. Тулайкова. Исследование мягкой диафрагмы на основе фотоокисления редкоземельной примеси во флюорите, используемой в качестве внутрирезонаторного элемента ИАГ: Er3+ - лазера. Квантовая электроника, 21, №2, стр. 126-128 (1994)), многослойные диэлектрические зеркала с плавным изменением коэффициента отражения по сечению (Budzinski Ch., Grunwald R., Pinz I. Et. al. Proc. SPIE, 1500, paper №25 (1991)) и др. (Г. Лукишова, И.К. Красюк, П.П. Пашинин, A.M. Прохоров. Аподизация световых пучков как метод повышения яркости лазерных установок на неодимовом стекле. Труды ИОФАН, 7, стр.92-147 (1987)).
Известен световой прибор (Мягкая диафрагма для лазеров. Патент RU 2163386), выбранный в качестве прототипа, содержащий источник первичного оптического излучения, выполненный на основе лазера со светоперераспределяющим устройством, представляющим собой мягкую диафрагму, состоящую из кюветы с двумя окнами, последовательно расположенными по направлению распространения лазерного излучения и которые соединены проставочным кольцом. Между окнами кюветы размещен вкладыш из оптически прозрачного материала в виде выпукло-вогнутого мениска. В образовавшиеся с окнами кюветы два зазора залиты специальные жидкости. Зазор между плоским окном и выпуклой поверхностью мениска заполнен раствором, поглощающим излучение, тем самым меняется пропускание излучения: от максимального значения при минимальной толщине раствора - до некоторой минимальной величины, принимающей значение на периферии мягкой диафрагмы. Другой зазор между поверхностью и другим окном заполняется прозрачной для лазерного излучения жидкостью. В известной конструкции обеспечение требуемых характеристик генерируемого излучения достигается путем подбора жидкостей с определенными показателями преломления и коэффициентами поглощения, а также формы выпукло-вогнутого мениска, его размеров и состава материала.
В тоже время структура светового пучка в поперечном его сечении меняется в процессе работы лазера в условиях переменной и высокой тепловой нагрузки на активный элемент (О. Звелто. Принципы лазеров. Москва, с. 581, 2008). При изменении тепловой нагрузки на активный элемент лазера пространственное распределение моды выходного излучения искажается, что приводит к снижению качества выходного излучения. При варьировании диаметра мягкой диафрагмы около размеров моды лазерного излучения диафрагма вносит потери в моды высокого порядка и, тем самым, способствует генерации одной основной неискаженной поперечной моды. Требуемый размер мягкой диафрагмы при различных тепловых нагрузках заранее неизвестен. Поэтому, только варьируя размерами мягкой диафрагмы около размеров основной моды может быть достигнуты оптимальные условия генерации излучения наивысшего качества в сочетании с высокой лазерной эффективностью. Известная конструкция не позволяет обеспечить изменение оптических характеристик мягкой диафрагмы в процессе работы лазера. Такие изменения требуют конструктивной переработки светового прибора.
Таким образом, основным недостатком устройства, выбранного в качестве прототипа, является использование в световом приборе светоперераспределяющего устройства на основе мягкой диафрагмы, конструкция которой не позволяет осуществлять регулировку профиля показателя поглощения в плоскости поперечного сечения светового потока, формируемого источником первичного оптического излучения.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, состоит в устранении указанного недостатка за счет выполнения мягкой диафрагмы на основе взаимного локального оптического контакта, по крайней мере, двух оптических элементов, с возможностью изменения геометрических размеров образованного оптического контакта.
Технический результат, получаемый от полезной модели, заключается в расширении эксплуатационных возможностей, повышении качества характеристик устройства.
Заявляемый световой прибор, как и устройство, выбранное в качестве прототипа, содержит источник первичного оптического излучения и, по крайней мере, одно светоперераспределяющее устройство в виде мягкой диафрагмы. В отличие от прототипа светоперераспределяющее устройство выполнено в виде комбинации, по крайней мере, двух оптических элементов, последовательно расположенных по направлению распространения светового потока, формируемого источником первичного оптического излучения и проходящего сквозь них, причем формообразующая поверхность, хотя бы одного из оптических элементов, изготовлена с возможностью обеспечения, по крайней мере, одного локального оптического контакта с другим оптическим элементом, при этом светоперераспределяющее устройство дополнительно снабжено
устройством изменения площади зоны указанного оптического контакта.
Световой прибор может также содержать оптические элементы светоперераспределяющего устройства, выполненные в виде двух линз, с плоской и выпуклой формообразующими поверхностями каждая, локальный оптический контакт которых образован по их оптической оси выпуклыми поверхностями, причем плоские поверхности параллельны друг другу и наклонены по отношению к оптической оси светового потока, формируемого источником первичного оптического излучения.
В светоперераспределяющем устройстве светового прибора может быть дополнительно установлена между линзами по их оптической оси, по крайней мере, одна линза с двумя выпуклыми формообразующими поверхностями, при этом локальные оптические контакты образованы ее двумя выпуклыми формообразующими поверхностями с выпуклыми формообразующими поверхностями линз по их оптической оси.
В предлагаемом световом приборе устройство изменения площади зоны локального оптического контакта может быть выполнено с возможностью обеспечения независимого изменения площади каждой зоны.
Кроме этого, в светоперераспределяющем устройстве в промежутки между формообразующими поверхностями линз вне области локального оптического контакта может быть помещено поглощающее и/или рассеивающее излучение вещество.
На фиг. 1 представлено схематическое изображение варианта конкретного исполнения светового прибора. В данном конкретном случае световой прибор состоит из источника первичного оптического излучения 1, выполненного на основе лазера; светоперераспределяющего устройства, представляющего собой мягкую диафрагму и состоящего из комбинации двух контактирующих оптических элементов на основе плоско-выпуклых линз 2, 3; устройства изменения площади зоны оптического контакта 4. Линзы 2 и 3 последовательно расположены по направлению распространения светового потока, формируемого источником первичного оптического излучения 1 и приведены в соприкосновение выпуклыми формообразующими поверхностями. Формообразующие сферические поверхности линз 2 и 3 обработаны с отклонением от сферичности поверхности значительно меньшем, чем длина волны излучения, поэтому при их соприкосновении возникает локальный оптический контакт. При этом, в месте соприкосновения линз образуется зона локального оптического контакта 5 (пунктирная линия) в виде круга, а вне зоны соприкосновения - промежуток 6, который заполнен поглощающей жидкостью. Центр круга расположен на оптической оси 10 светового прибора. Плоские поверхности линз 2 и 3 наклонены на угол α по отношению к оптической оси 10. С помощью устройства изменения площади зоны оптического контакта 4, линзы 2 и 3 прижимаются друг к другу с определенным усилием. Известно, что размер зоны локального оптического контакта 5 определяется силой, с которой прижаты сферические поверхности линз 2 и 3. При увеличении силы взаимного прижатия линз 2 и 3, размер зоны локального оптического контакта 5 (в данном случае диаметр круга) возрастает и, наоборот, при ослаблении - происходит его уменьшение. Устройство изменения площади зоны оптического контакта 4 обеспечивает заданную величину силового воздействия на линзы 2 и 3. Площадь зоны оптического контакта в зависимости от величины усилий прижатия, упругих свойств материала и радиуса кривизны поверхности линз может быть вычислена (например, см. www.soprotmat.ru/lectuprugost 2.htm, формула 2.60).
Кроме этого, на фиг. 1 указаны: первичный пучок светового потока 7, выходной пучок светового потока 8 и отраженный пучок светового потока 9.
Заявляемое устройство работает следующим образом. Источник первичного оптического излучения, выполненный на основе лазера 1, генерирует осесимметричный первичный пучок светового потока 7, который направляется на линзу 2 и, пройдя сквозь нее, центральная часть пучка попадает в зону локального оптического контакта 5, имеющую форму круга, а внешняя часть пучка падает на промежуток между сферическими поверхностями линз 6, который заполнен поглощающей излучение жидкостью. Линзы 2 и 3 изготовлены из материала с одинаковым показателем преломления, поэтому в зоне локального оптического контакта 5 отсутствуют потери излучения и центральная часть пучка проходит сквозь нее не искажаясь, без поглощения и рассеяния. Периферийная часть пучка, напротив, поглощается жидкостью, находящейся в промежутке между сферическими поверхностями линз 6, причем по мере удаления от оптической оси 10 поглощение увеличивается пропорционально толщине поглощающего слоя. Толщина поглощающего слоя определяется зазором между сферическими поверхностями линз, который увеличивается от нулевого значения в области оптического контакта и плавно возрастает при удалении от этой области. В результате световой прибор работает как мягкая диафрагма, а именно: первичное оптическое излучение беспрепятственно проходит сквозь область оптического контакта, а вне области оптического контакта излучение в поперечном сечении плавно ослабляется. Таким образом, отрезается та часть пучка излучения, структура которой признана пространственно некачественной, а сквозь линзу 3 проходит выходной пучок светового потока 8, обладающий более качественными характеристиками. Меняя величину силового воздействия на линзы 2 и 3 с помощью устройства изменения площади зоны оптического контакта 4, можно, соответственно, менять диаметр зоны локального оптического контакта 5, подстраивая ее размеры под конкретные размеры той части светового пучка, которую необходимо сохранить без изменения при прохождении сквозь мягкую диафрагму.
Известно, что при распространении излучения в двух контактирующих между собой средах с разным показателем преломления, часть излучения отражается от границы их раздела. В большинстве случаев отражение в сторону источника первичного оптического излучения нежелательно. В связи с этим, плоские поверхности линз 2 и 3 наклонены на угол α, по отношению к оптической оси 10 светового прибора. Величина угла выбрана такой, чтобы исключить попадание пучка, отраженного светового потока 9 на оптические элементы источника первичного оптического излучения.
Световой прибор может быть выполнен также на основе источника первичного оптического излучения в виде твердотельного лазера, в котором мягкая диафрагма расположена внутри его резонатора. Установлено, что в зависимости от тепловой нагрузки на активный элемент в нем образуется термическая линза (W. Koechner. Solid-State Laser Engineering. Fig. 7.25, Springer-Verlag Heidelberg, 1996), искажающая распределение интенсивности в поперечном сечении пучка выходного излучения и приводящая, в конечном итоге, к снижению лазерной эффективности. При внесении внутрь резонатора селективных искусственных потерь происходит блокировка развития генерации в области вносимых потерь, а также частичное перераспределение излучения в область с наименьшими потерями. (Б.Р. Белостоцкий, и др. Основы лазерной техники, Москва, Сов. Радио, 1972). Мягкая диафрагма, расположенная внутри резонатора лазера, воздействуя на процесс генерации аналогичным образом, перераспределяет некоторую часть излучения в область минимальных потерь и одновременно гасит развитие генерации для другой части, что в целом приводит к улучшению его пространственных характеристик. Однако, параметры образованной термической линзы зависят от уровня мощности накачки. Поэтому в зависимости от величины тепловой нагрузки на активный элемент лазера необходимо обеспечить соответствующее изменение конфигурации профиля поглощения излучения мягкой диафрагмой. В отличие от известных приборов, в заявляемом устройстве с помощью устройства изменения площади зоны оптического контакта обеспечивается установление необходимого профиля поглощения излучения в соответствии с изменением уровня накачки, позволяющее оптимально компенсировать искажения, вносимые образовавшейся термической линзой. В результате оптимизации характеристик мягкой диафрагмы в лазере достигаются условия генерации с минимальной расходимостью излучения (в идеале генерируется одна поперечная мода лазера), уменьшается расходимость лазерного излучения, повышается параметр качества излучения.
Таким образом, заявляемая полезная модель решает поставленную задачу: осуществлять регулировку профиля показателя поглощения в плоскости поперечного сечения светового потока, формируемого источником первичного оптического излучения. Это расширяет возможности использования заявленных световых приборов при создании оптических систем связи (О.Е. Наний, А.Н. Туркин. Оптические методы в информатике. М., Издательство Университетская книга. 2010), при передаче энергии на большие расстояния, при создании регулируемых диафрагм для микроскопии с размерами, соизмеримыми с длиной волны света и др., достигая заявленного технического результата, который заключается в расширении эксплуатационных возможностей при повышении качества характеристик устройства.
Промышленная применимость заявляемого решения подтверждается возможностью его многократного воспроизведения в процессе изготовления.
Световой прибор разработан для изготовления с использованием стандартного оборудования, современных технологий и комплектации.