УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ РАВНОМЕРНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА
DEVICE FOR SHAPING UNIFORM DISTRIBUTION OF INTENSITY OF LASER BEAM

Изобретение относится к измерительной технике и технической физике, в частности - к устройствам для формирования равномерного распределения интенсивности лазерного пучка в поперечном его сечении, и может быть применено для калибровки и поверки средств измерений параметров лазерного пучка, содержащих многоэлементные измерительные преобразователи с высоким пространственным разрешением.
Из уровня техники известны устройства для формирования равномерного распределения интенсивности лазерного пучка в поперечном его сечении. Одним из формирователей такого типа является фотометрический шар [Гуревич М.М. Фотометрия (теория, методы и приборы). Л.: Энергоатомиздат, 1983.], представляющий собой сферу, внутренняя поверхность которой выполнена из диффузно отражающего материала. Такой формирователь имеет ряд недостатков: отклонение излучения от диффузного, отраженного от покрытия внутренних стенок; сложность нанесения качественного покрытия на внутренние стенки сферы; зависимость характеристик покрытия от факторов окружающей среды; потеря части падающего и отраженного излучения, связанная с наличием отверстий в фотометрическом шаре; необходимость установки дополнительного экрана для защиты от прямого попадания излучения на приемную площадку поверяемого средства измерения; значительное ослабление рассеиваемого внутри сферы потока излучения. Устранение этих недостатков приводит к усложнению технологии изготовления интегрирующих сфер, а также к тому, что они становятся более громоздкими. Наиболее близким аналогом предлагаемого устройства для формирования равномерного распределения интенсивности лазерного пучка в поперечном его сечении среди диффузных формирователей является устройство, содержащее линзу из диффузно пропускающего стекла, одна поверхность которой выпуклая, а вторая плоская, фотометрический цилиндр (ФЦ), внутренняя поверхность которого выполнена из диффузно отражающего стекла (покрытия), например, из молочного стекла МС-20, причем плоская поверхность диффузно пропускающей линзы прикреплена к входному окну полого цилиндра, а центр симметрии диффузно пропускающей линзы лежит на оси симметрии полого цилиндра [Иванов B.C., Золотаревский Ю.М., Котюк А.Ф., Либерман А.А. и др. Основы оптической радиометрии. - М.: Физматлит, 2003, раздел 18.4]. По результатам исследования устройство при определенном подборе размеров и материалов для ФЦ в пределах части его выходного окна создает распределение с высоким уровнем равномерности относительной интенсивности ≈0,95…0,99 (приведенной к наибольшему значению). Однако в данном техническом решении не учтены характеристики ослабления ФЦ, что делает неоптимальным его применение с указанными в нем параметрами. Так, для определения коэффициентов преобразования многоэлементных измерительных преобразователей лазерного пучка при проведении калибровки или поверки важно обеспечить не только необходимые характеристики равномерности, но и требуемый уровень энергии (мощности), приходящийся на один его элемент.
Техническая задача, решаемая заявляемым изобретением, состоит в создании устройства для формирования равномерного распределения интенсивности лазерного пучка в поперечном его сечении, способного обеспечить распределения интенсивности с заданной степенью равномерности с наибольшим значением интенсивности в зоне выходного окна.
Технический результат, достигаемый при реализации заявленного устройства, заключается в повышении уровня интенсивности излучения лазерного пучка в зоне выходного окна при высокой степени его равномерности (0,96…0,99).
1
2
Данный технический результат обеспечивается предлагаемым устройством для формирования равномерного распределения интенсивности лазерного пучка в поперечном его сечении, включающим соосно расположенную по ходу лазерного излучения диффузно пропускаюпгую линзу, полый фотометрический формирователь (ФМФ), внутренняя поверхность которого выполнена из диффузно отражающего покрытия, имеющий входное и выходное окна, причем диффузно пропускающая линза закреплена на входном окне ФМФ, отличающимся тем, что устройство дополнительно содержит двояковогнутую линзу и диффузно пропускающую пластину, а полый ФМФ выполнен в виде усеченного конуса, а диффузно пропускающая линза имеет выпукло-вогнутую форму, при этом центр симметрии двояковогнутой линзы и диффузно пропускающей линзы лежит на оси симметрии полого усеченного ФМФ, а диффузно пропускающая пластина закреплена на выходном окне полого усеченного ФМФ, причем двояковогнутая линза расположена перед диффузно пропускающей линзой так, что обеспечивает полную засветку диффузно пропускающей линзы, а геометрические параметры полого усеченного ФМФ с радиусами оснований R, R и высотой L выбраны из соотношений:
2
1
2
2
R=r/ρ; R=1,2R, L=10R/3,
2
где , Δ - коэффициент равномерности, выбранный из диапазона , r<R - радиус зоны выходного окна.
Предлагаемое устройство содержит двояковогнутую линзу, выполненную, например, из оптического стекла К-8, диффузно пропускающую выпукло-вогнутую линзу, выполненную, например, из молочного стекла МС-23, закрепленную на входном окне полого усеченного (ФМФ), выполненного, например, из металла (дюралюминиевый сплав Д16), внутренняя поверхность которого покрыта диффузно отражающим покрытием, например светотехнической эмалью марки АК-243.
С целью обеспечения дополнительного выравнивания распределения интенсивности диффузно пропускающая пластина выполнена, например, из молочного стекла МС-23.
Двояковогнутая линза расположена перед диффузно пропускающей линзой на расстоянии, необходимом для ее полной засветки, и может быть закреплена либо путем жесткого соединения с ФМФ в единой конструкции, либо автономно.
Устройство представляет пассивный формирователь равномерного распределения интенсивности лазерного пучка, в котором осуществляется выравнивание распределения интенсивности за счет многократных диффузных отражений излучения от внутренней поверхности ФМФ и его прохождения через диффузно пропускающие линзу и пластину. Параметры двояковогнутой линзы и ее расположение обеспечивают полную засветку диффузно пропускающей линзы и ФМФ. Схема заявляемого устройства формирования равномерного распределения интенсивности лазерного пучка в поперечном его сечении в предпочтительном варианте его осуществления представлена на чертеже. Устройство содержит соосно расположенные по ходу лазерного излучения от источника 1 двояковогнутую линзу 2, изготовленную из оптического стекла К-8, диффузно пропускающую выпукло-вогнутую линзу 3, изготовленную из молочного стекла МС-23, закрепленную на входном окне полого ФМФ 4, выполненного из металла (дюралюминиевый сплав Д16) с внутренней поверхностью 5, покрытой светотехнической эмалью АК-243, и диффузно пропускающую пластину 6 из молочного стекла МС-23, закрепленную на выходном окне ФМФ. На выходе пластины 6 установлен калибруемый или поверяемый данным устройством многоэлементный измерительный преобразователь 7.
max
Исследование данного устройства, представленное в таблице, показало, что геометрические параметры ФМФ, обеспечивающие наибольшее значение относительной интенсивности E при высокой равномерности, соответствуют соотношениям:
1
2
, где R, R - входной и выходной радиусы усеченного ФМФ соответственно и , где L - высота ФМФ. Значение интенсивности при отсутствии ФМФ приблизительно в 1,8 раза меньше. Распределение относительной интенсивности лазерного пучка Е(ρ) в пределах зоны выходного окна диффузно пропускающей линзы 6, радиуса r, предназначенного для установки калибруемого или поверяемого многоэлементного измерительного преобразователя 7, может быть аппроксимировано квадратичной зависимостью вида:
,
где , .
Оптимальные параметры ФМФ определяются следующим образом:
2
- исходя из требуемой степени равномерности Δ на границе многоэлементного измерительного преобразователя, радиуса r, выбранной из промежутка , находят значения ρ и радиус R ФМФ по формулам:
, ;
2
- определяют высоту ФМФ из соотношения L=10R/3;
1
1
2
- определяют радиус R ФМФ: R=1,2R.
max
Как видно из таблицы, при значениях параметров m=0,3; γ=1,2 достигается наибольшее значение относительной интенсивности E=0,351 отн. ед. при высокой степени равномерности, если ρ≤0,4.
Устройство работает следующим образом. Лазерное излучение от источника 1 падает по нормали на центр двояковогнутой линзы 2, обеспечивающей полную засветку диффузно пропускающей выпукло-вогнутой линзы 3. Такая ее форма обеспечивает выравнивание распределения интенсивности на краях за счет более интенсивного поглощения в центре и создания условий более эффективного использования ФМФ. Проходя линзу 3, излучение распределяется внутри ФМФ 4 по закону, близкому к закону Ламберта. Часть излучения достигает диффузно пропускающей пластины 6 без отражения от внутренней поверхности полого ФМФ, а другая часть - после многократных отражений от его внутренней поверхности. Поскольку внутренняя поверхность цилиндра выполнена из диффузно отражающего покрытия, то в каждой ее точке излучение также будет распределяться по закону Ламберта. В результате на входе диффузно пропускающей пластины 6 формируется распределение интенсивности, близкое к равномерному. Диффузно пропускающая пластина 6 осуществляет дополнительное выравнивание распределения интенсивности излучения, поступающего на калибруемый или поверяемый многоэлементный измерительный преобразователь 7.
Таким образом, параметры предлагаемого устройства оптимизированы как по степени равномерности, так и уровню интенсивности излучения.