Способ для продольного перемещения перетяжки лазерного гауссова пучка постоянного диаметра без перемещения компонентов оптической системы (варианты)
METHOD FOR LONGITUDINAL DISPLACEMENT OF A WAIST OF A GAUSSIAN BEAM OF CONSTANT DIAMETER WITHOUT MOVEMENT OF COMPONENTS OF THE OPTICAL SYSTEM (VERSIONS)

Область техники
Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в приборостроении, медицине и других областях науки и техники, где возникает необходимость осевого непрерывного плавного перемещения выходной перетяжки лазерного гауссова пучка постоянного диаметра.
Уровень техники
Существуют различные способы формирования лазерного пучка с изменяемыми пространственными параметрами.
Известен способ перемещения перетяжки выходного лазерного пучка постоянного диаметра, реализуемый в устройстве Патент РФ 2411598 С2, содержащем лазер и два перемещающихся оптических компонента. Недостатком способа является необходимость использования системы перемещения двух компонентов, что усложняет конструкцию схемы; перемещение компонентов по заданному закону обеспечивает формирование пучка с требуемым диаметром перетяжки и диапазоном ее перемещения.
В работе  and Pavel  // Paraxial properties of three-element zoom system for laser beam expanders based on tunable-focus lenses // Opt. Express 23, 15635-15640 (2015) приводится расчет параксиальных параметров трехлинзового расширителя лазерного пучка с использованием двух линз с перестраиваемым фокусным расстоянием и последней третьей линзы - с постоянным фокусным расстоянием. Причем, двухлинзовая оптическая система формирует перетяжку пучка в требуемом сечении, его положение не меняется при перестройке фокусных расстояний линз, а диаметр перетяжки изменяется в заданном диапазоне.
Перечисленные способы и реализуемые на их основе устройства формирования лазерного гауссова пучка с изменяемыми пространственными параметрами требуют перемещения линз или использования многокомпонентной оптической системы.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является лазерная оптическая система, разработанная в работе J. , М. Lee, A. Morales, Т. Karg, Т. Esslinger, Т. Donner. Optical transport of ultracold atoms using focus-tunable lenses. New J. Phys. 16093028 (2014). В работе используется трехлинзовая оптическая система, в которой первая и третья линзы имеют постоянное фокусное расстояние, а у второй линзы фокусное расстояние изменяется, причем третья линза устанавливается на фокусном расстоянии от второй, т.е. обеспечивается постоянство угловой расходимости выходного гауссова пучка (неизменность диаметра перетяжки) и изменение положения (перемещения) выходной перетяжки.
Раскрытие изобретения
Задачей заявляемого изобретения является разработка способа, обеспечивающего изменение продольного положения перетяжки гауссова пучка при сохранении ее диаметра с помощью двухкомпонентной оптической системы без перемещения компонентов.
Сущность изобретения поясняет фиг. 1, на котором показана структурная схема двухкомпонентной лазерной вариосистемы для плавного изменения положения перетяжки выходного пучка, т.е. расстояние от входной до выходной перетяжки L=var, при сохранении ее диаметра . При этом компонентами оптической системы являются линзы с изменяемым фокусным расстоянием: .
p1
k1
Задача решается за счет того, что в способе плавного продольного перемещения перетяжки выходного пучка постоянного диаметра, реализуемое устройством, включающим последовательно установленные лазер, формирующий гауссов пучок с диаметром перетяжки 2h и конфокальным параметром z, двухкомпонентную оптическую систему из линз с изменяемым фокусным расстоянием, осуществляют согласованное изменение фокусного расстояния линз по закону , где , .
При этом положение выходной перетяжки изменяется по закону
,
а продольное увеличение лазерной вариосистемы α и диаметр выходной перетяжками  во всем диапазоне изменения фокусных расстояний линз остаются постоянными:
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена схема лазерной оптической системы с изменяющими фокусное расстояние линзами (Н, Н' - передняя и задняя главные точки линзы; F,F' - передний и задний фокусы линзы);
На фиг. 2 представлена лазерная вариосистема для продольного перемещения перетяжки гауссова пучка постоянного диаметра;
На фиг. 3 представлен закон изменения фокусных расстояний линз лазерной вариосистемы для продольного перемещения перетяжки гауссова пучка постоянного диаметра;
На фиг. 4 представлен закон изменения положения выходной перетяжки от фокусного расстояния первой линзы лазерной вариосистемы для продольного перемещения перетяжки гауссова пучка постоянного диаметра.
Осуществление изобретения
Пространственные параметры лазерного гауссова пучка на входе двухкомпонентной оптической системы, ее конструктивные параметры и пространственные параметры выходного пучка связаны следующими выражениями (фиг. 1) [Пахомов И.И., Цибуля А.Б. Расчет оптических систем лазерных приборов. М.: Радио и связь, 1986.152 с.] (фиг. 1):
диаметр выходной перетяжки ;
расстояние от входной до выходной перетяжки (длина лазерной оптической системы)
p1
k1
1
2
3
1
2
Здесь  - продольное увеличение двухкомпонентной лазерной оптической системы; 2h и z - диаметр перетяжки и конфокальный параметр пучка на входе оптической системы; d - расстояние от перетяжки входного пучка до первой линзы; d - расстояние между линзами; d - расстояние от второй линзы до выходной перетяжки;  - положение (дефокусировка) перетяжки входного пучка относительно переднего фокуса F первой линзы оптической системы;  - оптический интервал - расстояние между фокусами  и F линз;  и  - задние фокусные расстояния линз оптической системы.
2
Для лазерных гауссовых пучков пространственные параметры удовлетворяют инварианту [Пахомов И.И., Цибуля А.Б. Расчет оптических систем лазерных приборов. М.: Радио и связь, 1986. 152 с.]: , где  - конфокальный параметр выходного пучка. Значение инварианта лазерного гауссова пучка однозначно определяется длиной волны излучения λ и параметром качества пучка М. Все эти параметры пучка лазера, а также положение перетяжки, являются заданными перед разработкой лазерной вариосистемы.
1
2
Конструктивными параметрами лазерной вариосистемы являются , , d, d и L.
Задачей изобретения является разработка двухкомпонентной лазерной вариосистемы, формирующей гауссов пучок с требуемым диаметром перетяжки и осуществляющей плавное изменение ее положения на заданное расстояние при неизменности диаметра перетяжки.
2
1
Решение поставленной задачи достигается тем, что оптическое устройство для непрерывного плавного изменения положения перетяжки лазерного пучка включает последовательно расположенные источник лазерного излучения, формирующий гауссов пучок, оптическую систему из двух линз с перестраиваемым фокусным расстоянием, расположенных на расстоянии d, причем расстояние от перетяжки до первой линзы равно d. Изменение фокусных расстояний линз оптической системы для перемещения перетяжки гауссова пучка постоянного диаметра осуществляется по определенному закону. В таком устройстве нет необходимости перемещать компоненты, проводить трудоемкую операцию смены конфигурации и юстировку узлов оптической системы. При этом изменение фокусного расстояния компонентов оптической системы не представляет сложности, такие линзы в настоящее время являются коммерчески доступными, обладают высоким быстродействием, а кроме того, высокой точностью отработки фокусного расстояния [https://www.optotune.com/, http://www.corning.com/ru/ru.html, Blum М.,  М., С, Aschwanden М. (2011). Compact optical design solutions using focus tunable lenses. Paper presented at the Proceedings of SPIE - the International Society for Optical Engineering, 8167 doi:10.1117/12.897608].
p1
0
k1
2
Изобретение включает лазер 1 с длиной волны излучения λ, перетяжкой гауссова пучка 2 диаметром 2h, находящейся на расстоянии d от выходного торца лазера, конфокальным параметром z и параметром пучка М, лазерную вариосистему, состоящую из первой 3 и второй 4 линз с изменяемым фокусным расстоянием, на выходе которой формируется пучок с перетяжкой 5 диаметром  на расстоянии L от входной перетяжки (см. фиг. 2).
Плавное изменение положения перетяжки выходного пучка с сохранением ее диаметра за счет перестройки фокусных расстояний каждой линзы оптической системы становится возможным лишь при определенных сочетаниях конструктивных параметров схемы, определяющих закон изменения фокусных линз лазерной вариосистемы. Поэтому для выбранного лазерного источника с известными параметрами излучения решить указанную задачу позволяет оптическая система с вполне определенными конструктивными параметрами.
Особенность изобретения заключается в учете свойств источника излучения, представляющего лазерный гауссов пучок, выражений, описывающих его преобразование оптическими элементами и системами, использование аналитической связи между параметрами гауссова пучка и конструктивными параметрами формирующей двухкомпонентной оптической системой и получении условия плавного перемещения выходной перетяжки с сохранением диаметра, т.е. с постоянным увеличением лазерной вариосистемы. Полученная связь позволяет изменять положение перетяжки выходного пучка и обеспечивать неизменность диаметра формируемой перетяжки.
1
2
Конструктивные параметры начальной схемы лазерной оптической системы: задние фокусные расстояния первой  и второй  линзы, положение перетяжки пучка лазера относительно первой линзы d и расстояние между линзами d - выбираются так, чтобы обеспечить:
1. диаметр перетяжки формируемого гауссова пучка ;
2. продольное увеличение лазерной оптической системы ;
3. длину лазерной оптической системы .
2
3
При выполнении этих условий необходимо также обеспечить физическую реализуемость схемы, когда расстояние d между линзами положительное и формируется пучок с действительной перетяжкой, т.е. d>0.
Указанные конструктивные параметры лазерной оптической системы являются исходными данными для определения закона изменения фокусного расстояния линз, при котором изменяется положение выходной перетяжки формируемого пучка и обеспечивается неизменность его диаметра. Для этого фокусные расстояния первой и второй линзы необходимо изменять по нелинейному закону :
,
а
2
в котором оптический интервал Δ между компонентами оптической системы находится из решения уравнения Δ+2bΔ+с=0, где , , . Для Δ имеем следующее выражение: .
Расстояние L от входной до выходной перетяжки как функция фокусного расстояния первой линзы оптической системы определяется следующим образом (см. фиг. 2):
.
p1
Работает устройство следующим образом (фиг. 2). Излучение лазера 1 с перетяжкой 2 диаметром 2h последовательно преобразуется линзами 3 и 4 оптической системы, на выходе которой формируется перетяжка 5 диаметром . За счет изменения фокусного расстояния линз оптической системы по закону  обеспечивается плавное продольное перемещение выходной перетяжки 5 при постоянстве ее диаметра.
0
p1
2
Предпочтительный вариант применения изобретения для продольного перемещения выходной перетяжки диаметром  мкм с расстояния от входной перетяжки L=160,0 мм до L=260,0 мм (диапазон перемещения перетяжки 100 мм) при использовании лазера с λ=1,07 мкм, М=1,1, 2h=50 мкм приведен ниже:
×
1. Продольное увеличение лазерной вариосистемы α=4.
2. Конструктивные параметры лазерной вариосистемы для исходного (номинального) значения фокусного расстояния линз:
1
2.1. Расстояние от входной перетяжки до передней главной точки первого компонента d=50,0 мм.
2
2.2. Расстояние между задней главной точкой первого компонента и передней главной точкой второго компонента d=75,0 мм.
3
2.3. Расстояние от задней главной точки второго компонента до выходной перетяжки d=35,0 мм.
2.4. Фокусное расстояние первой линзы 34,95 мм.
2.5. Фокусное расстояние второй линзы 260,99 мм.
3. Конструктивные параметры лазерной вариосистемы (решение для Δ со знаком «+»)
На фиг. 3 представлен закон изменения фокусного расстояния линз оптической системы , а на фиг. 4 - закон изменения длины лазерной вариосистемы от фокусного расстояния первой линзы.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта №18-38-20155.
Источники информации
1. РФ 2411598 С2, кл. G11B 7/125, G02F 1/29, H01S 3/10, 2011 г.
2.  and Pavel  // Paraxial properties of three-element zoom system for laser beam expanders based on tunable-focus lenses // Opt. Express 23, 15635-15640 (2015).
3. J. , M. Lee, A. Morales, T. Karg, T. Esslinger, T. Dormer. Optical transport of ultracold atoms using focus-tunable lenses. New J. Phys. 16093028 (2014).
4. Пахомов И.И., Цибуля А.Б. Расчет оптических систем лазерных приборов. М.: Радио и связь, 1986. 152 с.
5. https://www.optotune.com/
6. http://www.corning.com/ru/ru.html
7. Blum, М., , М., , С., & Aschwanden, М. (2011). Compact optical design solutions using focus tunable lenses. Paper presented at the Proceedings of SPIE - the International Society for Optical Engineering,, 8167 doi:10.1117/12.897608