ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ВИДЕ КВАЗИПАРАЛЛЕЛЬНОГО ПУЧКА
OPTICAL DEVICE TO GENERATE LASER QUASIPARALLEL-BEAM RADIATION

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в геодезии, машиностроении, приборостроении, медицине, спорте и других областях науки и техники, где возникает необходимость создания квазипараллельных лазерных пучков, которые на определенных длинах трасс измерений и рабочих зон осуществляют взаимодействие лазерного излучения с различными средами.
Известно устройство для контроля отклонений положения объектов от прямолинейности, содержащее лазер, коллимирующее устройство в виде телескопической системы, фотоэлектрический анализатор, блоки обработки, регистратор и сканатор, установленный на оптической оси между объективом и фокальной плоскостью [1].
П
Недостатком этого устройства является неравноточность геодезических измерений на измеряемых трассах и появление дополнительных погрешностей (в различных лазерных технологиях) в связи с изменением диаметра лазерного пучка (d) при свободном его распространении на измеряемых трассах и рабочих зонах.
П
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для измерения поперечных смещений, в котором для коллимации лазерного излучения используется телескопическая система с возможностью производить фокусировку лазерного излучения путем смещения окуляра в сторону объектива на величину, соответствующую минимальному размеру диаметра лазерного пучка (d) в определенных сечениях измеряемых трасс.
Устройство содержит последовательно расположенные лазер, формирователь лазерного пучка в виде телескопической системы и анализатор смещений. После формирователя пучка введен оптический мостик, состоящий из последовательно расположенных светоделительного элемента, отражателя и полупрозрачного элемента [2].
тс
тc
тc
К недостаткам этого устройства следует отнести отсутствие возможности выбора оптимального увеличения Г телескопической системы, определяющего величину диаметра пучка на выходе телескопической системы (d). Эмпирические подходы к выбору оптимального значения d не приводят к формированию квазипараллельного пучка на трассах, что способствует неравноточности измерений на трассах.
Целью изобретения является повышение точности работы устройства на основе сформированного им квазипараллельного пучка, имеющего в начале, и концах трассы, и рабочих зонах одинаковые диаметры по определенному энергетическому уровню.
Указанная цель достигается тем, что оптическое устройство для формирования лазерного излучения в виде квазипараллельного пучка, содержащее последовательно и соосно установленные лазер, первую положительную или отрицательную линзу, работающие в качестве окуляра и, вторую - положительную оптическую систему - (объектив), составляющие совместно телескопическую систему. При этом оптическая система (объектив) выполнена в виде двух положительных линз, установленных вплотную друг к другу, причем передняя фокальная плоскость первой линзы объектива совпадает с исходной перетяжкой формируемого лазерного пучка, а задняя фокальная плоскость второй линзы - с перетяжкой сформированного лазерного пучка в середине трассы. Кроме того, на месте двух линз может быть установлена одна линза с фокусным расстоянием
1
где f - переднее фокусное расстояние первой линзы, a  - заднее фокусное расстояние второй линзы.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых на фиг.1 приведена принципиальная схема оптического устройства для формирования лазерного излучения в виде квазипараллельного пучка с двумя линзами, а на фиг.2 - с одной плоской положительной линзой.
А
Б
В
1
2
лп
На чертежах показаны: лазер 1, установленный на станине 2 совместно с телескопической системой 3, включающей объектив, выполненный в виде блока из двух (Л; Л) или одной (Л) плоских положительных линз 4, укрепляемых в ложементе (на чертеже не показан), окуляр 5 и место перетяжек пучка 6 и 7, переднее фокусное расстояние - f, фокусное расстояние - f′, которое равно половине длины трассы или рабочей зоны L. Место перетяжки 6 или 7 определяют путем оценки величины расходимости лазерного пучка в любом его сечении при совпадении которого с перетяжкой 6 или 7 расходимость лазерного пучка ψ не превысит дифракционную расходимость лазерного пучка:
где λ - длина волны лазерного излучения,
п
2
ω - диаметр лазерного пучка на энергетическом уровне 1/е.
п
Согласно волновому подходу диаметр лазерного пучка на энергетическом уровне ω равен диаметру перетяжки 6 лазерного пучка, под которым понимается минимальное сечение лазерного излучения, волновой фронт которого плоский. Такой перетяжкой 6 можно считать лазерное излучение на выходе плоского зеркала твердотельного, газового или полупроводникового лазера. При этом последний тип лазера может быть выполнен в виде лазерного блока, в который встроена миниатюрная телескопическая оптическая система, на выходе которой может быть сформирована перетяжка лазерного пучка.
ол
лп
Наличие перетяжки определяют условием 2,44·λ/ω=Ψ.
А
Б
1
А
2
Б
Это уравнение соответствует линиям волнового фронта. Линзы 4 (блок Л; Л) установлены таким образом, чтобы переднее фокусное расстояние f линзы Л совпадало с перетяжкой 6, а фокусное расстояние f линзы Л было равно половине длины трассы или рабочей зоны L (перетяжка 7).
Работает устройство следующим образом.
А
oпт
А
Б
В
oпт
А
Б
В
Б
А
Б
В
3
Излучение лазера 1, сформированное в виде перетяжки 6, образованной после фокусировки линзой окуляра 5, распространяется под влиянием дифракции в виде расходящегося пучка, достигая размера на одной из линз 4 (например, Л) размеров  где D - диаметр пучка на линзах 4 (Л; Л и Л). Диаметр пучка (D) после прохождения линз 4, например (Л; Л или Л), не меняется, а волновой фазовый фронт становится плоским. Пройдя через линзу 4 (Л), волновой фазовый фронт становится вогнутым и формирует перетяжку 7 на середине расстояния L. Описанный процесс не изменится при замене линз 4 (блока Л и Л) одной линзой 4 (Л) с фокусным расстоянием f
А
Б
А
Б
В
которое соответствует определению суммарной оптической силе двух совмещенных линз (блока Л и Л). При изменении длины трассы измерений L в ложемент объектива (на чертежах не показан) вставляются линзы 4 [блок линз (Л и Л) или линза Л] из кассетного набора с фокусными расстояниями, радиусами кривизны и диаметрами, соответствующими заданной длине трассы измерений.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №742708, М.кл. G01C 1/00 от 15.09.77 г.
2. Авторское свидетельство СССР №781567, М.кл. G01C 1/00 от 18.12.87 г. (прототип).