Способ управления импульсным оптическим излучением
METHOD FOR CONTROLLING PULSED OPTICAL RADIATION

Изобретение относится к оптике, а именно к той ее области, которая разрабатывает способы и устройства управления параметрами светового, преимущественно, лазерного, излучения с использованием деформируемых элементов. Оно может быть применено в технологических операциях резки и сварки, в медицинских приложениях, связанных с воздействием на биологические ткани, а также в системах дистанционного переноса энергии светового излучения.
Одним из направлений техники световых пучков является создание приспособлений, предназначенных для различных преобразований электромагнитного излучения видимого или близких диапазонов. Они представляют собой совокупности оптических элементов, использующих явления отражения и преломления, а также волновые свойства света (зеркала, призмы, линзы, поляризаторы, дифракционные решетки и т.п.) [Тудоровский А.И. Теория оптических приборов, М.: Изд. Академии наук СССР, 1948. 659 с.]. К приборам, воздействующим на оптическое излучение, относятся также модуляторы, изменяющие его временные характеристики; примером модулятора, использующего механический принцип, является устройство, описанное в патенте [Мышкин В.Ф., Ижойкин Д.А., Ушаков И.А., Хан В.А. Устройство для модуляции монохроматического оптического излучения. Патент 2517823 от 27.07.2012, Бюл. Изобретения. Полезные модели. № 15, 2014]. Данные приспособления не повышают плотности потока электромагнитной энергии, хотя формирование концентрированных пучков важно для решения многих практических задач. Источником излучения, обеспечивающим наименьшую расходимость пучка, т.е. достаточно высокую плотность энергии на большом удалении от источника, является лазер, причем особое место в технике отводится импульсным лазерам, манипулирование характеристиками которых позволяет создавать удобные режимы, применяемые, например, для сверления отверстий [Forsman A.C., Lundgren E.H., Dodell A.L., Komashko A.M., Armas M.S. A nanosecond pulse format for improved laser drilling // Photonics Spectra (preprint), V. 41. 2007. 11 p.]. Однако при любых вариантах использования лазеров у этих приборов сохраняются определенные недостатки. Они, как и другие источники света, создают расходящийся луч, то есть в том случае, если предполагается действие света на удаленный объект, плотность энергии в нем может оказаться мала, и, кроме того, даже на близком расстоянии лазеры не всегда обеспечивает достаточную для выполнения операций обработки концентрацию светового пучка.
5
2
9
2
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ управления оптическим излучением, заключающийся в установке фокусирующей оптики на пути распространения генерируемого лазером светового потока [Дудкин В.И., Пахомов Л.Н. Квантовая электроника, СПб: Изд. Политехнического университета, 2012. 495 с. Гл. 24 “Технологические применения лазеров”, С. 421 – 429]. На схеме, относящейся к его описанию, изображена система доставки излучения в устройстве обработки материалов лазерным лучом, включающая ряд упомянутых выше элементов, и завершающаяся устройством фокусировки. Ее эквивалентной оптической схемой является лазер и расположенная на пути создаваемого им луча фокусирующая линза. По приведенным сведениям, данный способ позволяет получить плотности энергии от 10 Вт/см (начало плавления) до 10 Вт/см (испарение образцов). Следует отметить, что данный способ предполагает применение как непрерывного излучения, так и световых импульсов с длительностями от миллисекунд до пикосекунд, причем указывается, что использование коротких импульсов позволяет во многих операциях повысить прецезионность и воспроизводимость лазерного воздействия.
К недостаткам прототипа относятся невозможность обеспечить фокусировку на дальних расстояниях, а также регулировку положения фокуса в больших пределах. Действительно, оптическая система прототипа включает преломляющие поверхности, точность обработки которых имеет ограничения. Оценим то, какую кривизну должны иметь оптические поверхности для обеспечения заданного фокусного расстояния, воспользовавшись формулой для тонкой сферической линзы:
, (1)
0
n – показатель преломления окружающей среды;
f – отсчитываемое от центра линзы фокусное расстояние;
n – показатель преломления материала линзы;
1
R – радиус кривизны поверхности, которая ближе к источнику света (положителен, если поверхность выпуклая);
2
R – радиус кривизны поверхности, которая дальше от источника света (отрицателен, если поверхность выпуклая).
0
1
2
Если положить n = 1 (воздух), и ввести обозначения, которые показаны на Фиг. 1, иллюстрирующей геометрические характеристики линзы, для двояковыпуклой линзы 1 с одинаковой кривизной поверхностей (R = R = R) из (1) можно получить
, (2)
δ – максимальное отклонение оптической поверхности от плоскости, ограничивающей выпуклую часть линзы (параметр, характеризующий выпуклость);
r – радиус линзы.
При выводе (2) было учтено то, что отношение  для реальных линз мало, и квадратный корень  допускает разложение в ряд. Для большинства используемых в прикладной оптике материалов показатель преломления n может считаться приблизительно равным 1.5. Тогда, согласно (2), для типичных значений r = 2 см и f = 10 см, δ оказывается равным 2 мм, что соответствует средним значениям выпуклости обычных линз. При увеличении f уменьшится δ, и при необходимости перенести сконцентрированное излучение, например, на расстояние 100 м потребуется изготовить линзу с δ ~ 2 мкм. Дальнейшее увеличение дистанции делает этот параметр еще меньшим, т.е. задача изготовления такой линзы становится практически невыполнимой. Оптическая система, состоящая более чем из одной линзы, допускает регулировку положения фокуса в определенных пределах, однако эти пределы задаются фокусными расстояниями использованных в системе элементов и составляют, как правило, десятки сантиметров. В соответствии со сделанным рассмотрением, никакая регулировка положения фокуса на больших дистанциях невозможна. Таким образом, прототип действительно обладает перечисленными выше недостатками.
Технической задачей настоящего изобретения является увеличение расстояния, на котором может быть получено импульсное оптическое излучение высокой плотности при возможности управления положением области его высокой концентрации, т.е. повышение эффективности работы оптической системы, создающей высокоэнергетические световые пучки. Поставленная задача решается тем, что в управляющем элементе в виде пластины или линзы, расположенном на пути распространения излучения возбуждают упругие колебания, изменяющие кривизну его поверхности и посредством этого сдвигающие фокус управляющего элемента, синхронизированные с импульсами оптического излучения таким образом, чтобы его фокусировка происходила на заданном расстоянии от источника излучения.
Действие способа поясняется следующими графическими изображениями.
Фигура 1. Геометрические характеристики двояковыпуклой линзы:
1 – линза,
R – радиус кривизны оптической поверхности,
r – радиус линзы,
δ – параметр, характеризующий выпуклость оптической поверхности.
Фигура 2. Фокусирующее действие управляющих элементов в виде пластины (а) или линзы (б):
2 – управляющий элемент,
3 – оптическое излучение (световой пучок),
4 – колеблющаяся поверхность управляющего элемента,
5 – направление колебаний,
6 – сфокусированное оптическое излучение,
f – фокус,
f' – смещенный фокус.
Фигура 3. Временнáя диаграмма упругих колебаний (а) и подаваемой на управляющей элемент последовательности оптических импульсов (б):
7 – возможный сдвиг импульсной последовательности относительно гармонических упругих колебаний,
t – время,
T – период упругих колебаний,
имп
T – период поступления оптических импульсов,
τ – длительность оптического импульса,
δ – параметр, характеризующий выпуклость оптической поверхности,
I – интенсивность оптического излучения.
Фигура 4. Пример реализации управляющего элемента:
2 – управляющий элемент,
4 – колеблющаяся поверхность управляющего элемента,
5 – направление колебаний,
8 – кольцо,
9 – пьезоэлемент,
δ – параметр, характеризующий выпуклость оптической поверхности.
Физический принцип, положенный в основу предлагаемого способа состоит в том, что фокусировка излучения обеспечивается управляющим элементом 2, работающим в динамическом режиме (Фиг. 2). Вначале покажем его действие в случае плоскопараллельной пластины (которая может рассматриваться как линза с бесконечным радиусом кривизны, R = ∞ , и соответственно, с бесконечно удаленным фокусом, f = ∞). Пусть, как это демонстрирует Фиг. 2а, на пути распространения оптического излучения 3 помещен данный элемент 2, в котором, согласно формуле изобретения, возбуждены упругие колебания. Если они совершаются так, как изображено на рисунке, т.е. на диаметре пластины укладывается половина длины волны колебаний, и все точки ее поверхности движутся в одну сторону (или же по-другому, но так, что точки движутся в одном направлении в освещенной части поверхности), образующееся искривление 4 создает конфигурацию, подобную линзе (смещения в направлении 5). Методы возбуждения и численные характеристики колебаний даны в приведенных ниже примерах конкретного исполнения, показывающих возможность создания динамической линзы с меняющейся во времени кривизной поверхности. Математически ее форма может отличаться от обеспечивающей идеальную фокусировку параболы (так, часто встречающимся решениями задачи об упругих колебаниях цилиндра являются функции Бесселя), но это не означает отсутствие у описываемой ими поверхности фокусирующих свойств. За счет неизбежных отклонений от заданной формы преломляющей поверхности и/или при использовании непараболических поверхностей, во всех реальных оптических системах присутствуют аберрации, и тем не менее, они способны создавать существенное увеличение концентрации светового потока 6. Функция Бесселя на рабочем участке (апертура оптической системы) может иметь меньшее расхождение с параболой, чем сфера, т.е. возможна такая ситуация, когда динамическая линза будет обладать даже лучшими фокусирующими свойствами, чем обычная. Кроме того, конструкция элемента может быть специально подобрана так, чтобы при возбуждении его колебаний функция, описывающая искривленную поверхность, была близка к параболе.
Другой случай, предусмотренный формулой изобретения, а именно изменение фокусировки при возбуждении колебаний в линзе с конечными радиусами оптических поверхностей показан на Фиг. 2б. Общий физический принцип действия способа здесь не отличается от рассмотренного выше, но фокус управляющего элемента перемещается уже не из бесконечности, а из положения f, находящегося от элемента на конечном расстоянии, в новое положение f', заданное мгновенной конфигурацией поверхности.
Оба варианта отличаются от прототипа тем, что колеблющаяся поверхность занимает все промежуточные конфигурации от стационарной (соответствующего такому состоянию управляющего элемента, в котором колебания не возбуждены) до конфигурации с максимальным значением отклонения δ. Это означает, что могут быть выбраны такие моменты времени t, когда оптическая поверхность имеет желательную, в том числе, сколь угодно малую, кривизну. Согласно выражению (2), чем меньше δ, тем на большее (в пределе, в рамках геометрической оптики, на бесконечное) расстояние передвигается фокус. Иначе говоря, по сравнению с прототипом обеспечивается увеличение фокусного расстояния.
имп
Поскольку управляющий элемент представляет собой динамический объект с периодически изменяющейся кривизной поверхности, постольку и его фокус занимает зависящее от времени положение в пространстве. Чтобы концентрация световой энергии происходила в определенном месте, оптическое излучение на него следует подавать в виде коротких импульсов, таких, чтобы за время их действия фокус не успевал сместиться на значительное расстояние. Данное утверждение поясняется Фиг. 3, на которой приведены временные диаграммы колебательного процесса (Фиг. 1а) и последовательности поступающих световых импульсов (Фиг. 1б). Если для периода упругих колебаний T и длительности светового импульса τ выполнено условие T >> τ, то, как видно из Фиг. 3, на протяжении действия импульса значительного перемещения фокуса не происходит. Если импульсная последовательность синхронизирована с периодом упругих колебаний, т.е. имеет равный или кратный период T и подается так, что момент поступления импульса соответствует заданному положению фокуса, реализуется поставленная задача получения концентрированного светового потока на заранее определенной дистанции от оптической системы. Перемещением импульсной последовательности во времени 7 этой дистанцией можно управлять (Фиг. 3б). Отметим, что периодически совершающееся упругое колебание является стабилизированным, так как оно должно задаваться внешним генератором фиксированной частоты, а частота в технике является параметром, поддерживаемым с высокой точностью. Описанные выше преобразования могут быть совершены не только над излучением лазера, но, как это следует из основанного на рефракции принципа действия линзы, над световым потоком любого другого источника, работающего в импульсном режиме (например, светодиода), поэтому формула изобретения содержит указание на оптическое излучение в общем виде.
Изобретение поясняется примерами.
Пример 1. Способ управления излучением пикосекундного импульсного лазера при использовании плоскопараллельной пластины в качестве управляющего элемента. На пути распространения лазерного излучения устанавливается управляющий элемент 2, конструкция которого показана на Фиг. 4 (Фиг. 4а – вид спереди, Фиг. 4б – вид сбоку). Элемент представляет собой круглую стеклянную пластину с показателем преломления n = 1.5, радиусом r = 2 см и толщиной d = 0.5 см. Пластина охватывается плотно насаженным и закрепленным по ободу кольцом 8 из твердого материала, в котором выполнены прорези с пьезоэлементами 9, также плотно соединенными с кольцом (их количество может отличаться от показанного на Фиг. 4). Переменным напряжением, подаваемым с генератора гармонических колебаний, в пьезоэлементах возбуждаются упругие колебания, изменяющего их толщины. За счет этого создаются изменения длины окружности кольца и связанные с ними периодические сжатия и растяжения пластины. Последние приводят к возникновению колебаний оптической поверхности, которые в центре пластины описываются выражением
, (3)
0
δ – амплитуда колебаний;
t – время;
ν – частота колебаний;
ϕ – фаза колебаний (для дальнейшего рассмотрения несущественная).
0
0
0
имп
имп
имп
-4
-11
-11
Применяя необходимое количество пьезоэлементов, нетрудно получить изменения радиуса пластины на величину ~ 1 мкм. Аппроксимируя форму оптической поверхности (на положительном полупериоде колебаний имеющей вид двояковыпуклой линзы) сферическими сегментами, получаем оценку δ ~ 1 мкм. Тогда, согласно формуле (2), при достижении максимального значения кривизны фокусное расстояние f  200 м. (Отметим, что амплитуда δ может быть увеличена и, соответственно, фокусное расстояние уменьшено, использованием больших напряжений, управляющих пьезоэлементами, или, например, возбуждением упругих колебаний на частоте, соответствующей акустическому резонансу пластины). Поскольку значения δ находятся в интервале от 0 до δ (рабочим является положительный полупериод упругих колебаний), фокус будет располагаться на оптической оси системы на дальностях от десятков метров до (в указанном выше геометрическом приближении) бесконечности, в зависимости от того, с какой задержкой синхронизованы импульсы излучения и напряжение генератора. Если качестве источника излучения выбирается пикосекундный лазер (например, Nd:YAG EKSPLA с T = 5·10 с и τ = 3·10 с, [Сетевой ресурс: https://www.czl.ru/catalog/lasers/ekspla/]), можно полагать T << τ. Скорость движения центра оптической поверхности V легко получить из выражения (3): ; очевидно, что ее максимальное значение , и при T = T, ν = 1/T = 2 кГц оценивается, как  ~ 1 см/с. Следовательно, наибольшая величина, на которую δ может измениться во время действия импульса  ~ 10 см, т.е. оно пренебрежимо мало. Таким образом, задача получения управляемого cфокусированного светового потока на значительном удалении от оптической системы оказывается решенной.
0
0
max
-5
-5
Пример 2. Способ управления излучением импульсного светодиода при использовании линзы в качестве управляющего элемента. На пути распространения оптического излучения устанавливается устройство, конструкция которого соответствует показанной на Фиг. 4 с заменой плоскопараллельной пластины на двояковыпуклую линзу с δ = 500 мкм, r = 2 см, d = 0.5 см и n = 1.5. В соответствии с выражением (2) она обеспечивает фокусное расстояние f = 40 см. С учетом незначительности различия геометрических характеристик слабовыпуклой линзы и пластины, оценочная величина δ может быть принята такой же, как в предыдущем примере. Если световой импульс подается в моменты времени, когда отклонения оптической поверхности максимальны, т.е. равны ± δ  (вблизи экстремумов гармонической функции, Фиг. 3а) фокус, согласно (2), смещается в положения f΄ = 40 ± 0.08 см, следовательно, им можно управлять в пределах примерно полутора миллиметров. Приняв для стандартного светодиода [Сетевой ресурс: http://www.electrosad.ru/Electronics/SPower.htm] ν = 1 кГц и τ = 10 так же, как и ранее, нетрудно получить  ~ 10 см, что отвечает пренебрежимо малой области размытия фокуса в сотые доли миллиметра (причем это сильно завышенная оценка, так как в области экстремумов V << V). Данный пример демонстрирует возможность регулировки потока на небольшой дистанции для выполнения тонких операций.
Эффективность предлагаемого изобретения состоит в том, что оно позволит управлять световыми потоками таким образом, чтобы создавать повышенную концентрацию оптической энергии на заранее заданных, в том числе, значительных расстояниях от источников излучения, а также достаточно простыми средствами осуществлять точное перемещение области фокусировки. Главный недостаток существовавших до этого методов дистанционного воздействия на объект, заключавшийся в невозможности сделать эту дистанцию большой, а также в невозможности простого манипулирования положением фокуса, окажется устраненным. Ожидается, что предлагаемое изобретение будет способствовать внедрению в технику, использующую деформируемые оптические элементы, нового подхода, связанного с созданием динамических деформаций в виде упругих колебаний.