ПАНКРАТИЧЕСКАЯ ФОКУСИРУЮЩАЯ СИСТЕМА
PANCRATIC FOCUSING SYSTEM

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано при создании мощных лазерных систем для фокусировки лазерного излучения на удаленные мишени.
Одним из важных аспектов разработки технологии дистанционной обработки материалов лазерным излучением, в частности, лазерной резки металлов на расстояниях в несколько десятков метров от источника является создание панкратической фокусирующей системы, способной обеспечить фокусировку лазерного излучения на необходимой дистанции в предельно малое световое пятно, причем не от одного источника, мощность которого может быть недостаточной для эффективного разрушения мишени, а от нескольких источников с точным сведением лазерных пучков. В качестве мощных лазеров, пригодных для указанных технологических применений, выступают лазеры, генерирующие излучение мощностью в несколько киловатт. Технология дистанционной резки металлов незаменима, например, в случаях возникновения аварии и пожара на фонтанирующей газовой скважине. Для ликвидации аварии необходимо, как правило, провести комплекс работ по резке поврежденного оборудования и металлоконструкций. Специфика этих работ заключается в высокой температуре пространства, окружающего область горящего факела. В данных условиях применение обычных аппаратов для резки металла в непосредственной близости от места аварии затруднительно и небезопасно. Поэтому возникает необходимость использования лазерной резки, так как это позволяет проводить работы, находясь на безопасном расстоянии от области с высокой температурой. Оптическая система, предназначенная для доставки излучения от источника(ов) к области обработки, должна быть простой, надежной, обеспечивать пятно фокусировки на мишени с размерами, близкими к дифракционному пределу, и не быть подверженной перепадам температур, возникающим при работе мощных лазерных источников и в результате воздействия факторов окружающей среды.
Известен трехкомпонентный варифокальный объектив (патент США №3937562,   G02B 15/00, опубл. 10.02.1976), включающий три установленных по ходу луча оптических компонента. Фронтальный компонент обладает положительной силой и выполнен с возможностью перемещения вдоль оптической оси объектива. Промежуточный компонент обладает отрицательной оптической силой и выполнен с возможностью перемещения вдоль оптической оси объектива. Задний компонент обладает положительной оптической силой и выполнен неподвижным. Задний компонент включает пять линз, из которых все, кроме второй, выполнены в виде синглетов и все, кроме третьей, обладают положительной оптической силой.
Данный объектив непригоден для использования в системах фокусировки мощного лазерного излучения.
Известен объектив с плавным изменением фокусного расстояния (А.С. СССР  №720395,  G02B 15/14,  опубл. 05.03.1980), содержащий компонент с постоянным фокусным расстоянием, два коллектива и оборачивающую систему, расположенную между коллективами с возможностью перемещения вдоль оптической оси. В данном объективе коллективы расположены во внефокальных областях и установлены с возможностью перемещения вдоль оптической оси в направлении, противоположном направлению перемещения оборачивающей системы с одинаковой скоростью, в 6-10 раз меньшей скорости перемещения оборачивающей системы.
1
3
2
3
3
2
- (
Известна формирующая система для лазерного излучения (А.С. СССР №1755242,   G02B 15/163, опубл.15.08.1992), включающая три компонента, причем первый компонент выполнен в виде двояковогнутой линзы и установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Второй компонент содержит две положительные и расположенную между ними отрицательную линзы, обладает положительной оптической силой и установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Третий компонент состоит из двух линз, первая из которых положительная, а вторая выполнена в виде отрицательного мениска, обращенного вогнутостью к предмету. Фокусное расстояние первого компонента F составляет -(0.09-0.15)F, а второго компонента F 0.9-1.1)F, где F - фокусное расстояние третьего компонента. Во втором компоненте радиусы кривизны смежных поверхностей первой положительной и отрицательной линз составляют 0.25-0.35 фокусного расстояния F, а их отношение не превышает 1.2, причем отрицательная и вторая положительная линзы изготовлены из материалов с разностью показателей преломления не более 0.04-0.07 и разностью коэффициентов дисперсий не менее 22-27.
Известна формирующая оптическая система для лазерного излучения (патент РФ  №67296,  G02B 15/173, опубл. 10.10.2007), включающая три компонента, первый и второй из которых по ходу луча выполнены с оптическими силами противоположного знака и установлены с возможностью перемещения вдоль оптической оси, а третий компонент выполнен фокусирующим с положительной оптической силой. Третий фокусирующий компонент выполнен в виде одиночной линзы, первый компонент выполнен с положительной оптической силой и состоит по меньшей мере из одной собирающей - выпуклой линзы, а второй компонент выполнен с отрицательной оптической силой и состоит по меньшей мере из одной рассеивающей - вогнутой линзы.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению и принятым за прототип является устройство для фокусировки излучения лазера (патент РФ  №2398665,  В23К 26/073, опубл. 10.09.2010), включающий три компонента, первый и второй из которых по ходу луча установлены с возможностью перемещения вдоль оптической оси, первый и третий по ходу луча выполнены с положительной оптической силой, а второй выполнен с отрицательной оптической силой.
Недостатком прототипа является ограниченная функциональная пригодность, обусловленная отсутствием возможности его использования для фокусировки излучения многоканального лазера, и низкая долговременная стабильность термооптических характеристик.
Технический результат заявляемого изобретения состоит в повышении точности настройки параметров лазерного излучения на мишени при одновременном увеличении передаваемой мощности излучения, а также в повышении надежности устройства для фокусировки излучения многоканального лазера и расширении его технологических возможностей.
Сущность изобретения состоит в том, что панкратическая фокусирующая система включает лазер наведения и по меньшей мере два одинаковых объектива, расположенных таким образом, что их оптические оси пересекают оптическую ось лазера наведения в одной точке, а расстояния от оптической оси лазера наведения до оптических осей объективов одинаковы, причем каждый объектив состоит из последовательно расположенных по ходу луча плоскопараллельной пластины, установленной с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной меридиональной плоскости панкратической фокусирующей системы, и трех линзовых компонентов, первый из которых содержит последовательно расположенные отрицательную и положительную линзы и установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси объектива, второй - выполнен в виде отрицательной линзы и установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси объектива, а третий - выполнен в виде положительной линзы и установлен неподвижно. Плоскопараллельные пластины, первые и вторые линзовые компоненты объективов кинематически синхронизированы друг с другом. Вход каждого объектива оптически сопряжен с выходной плоскостью каждого из каналов лазера. При этом все оптические компоненты объективов выполнены из кварцевого стекла.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1  показана оптическая схема заявляемой системы, на фиг.2 - элементы ее кинематической схемы, а на фиг.3 - зависимость отклонения центра лазерного пятна на мишени от оси лазера наведения в зависимости от дистанции фокусировки, выраженная в абсолютных единицах (фиг.3а) и в процентном отношении к размеру пятна (фиг.3б).
На фиг.1 показаны: 1 - плоскость выходного окна многоканального лазера, 2 - плоскопараллельная пластина, 3, 4 - отрицательная и положительная линзы первого линзового компонента объектива, 5 - второй линзовый компонент объектива, 6 - третий линзовый компонент объектива, 7 - лазер наведения.
На фиг.2. дополнительно показаны 8 - привод синхронного поворота плоскопараллельных пластин во всех объективах, входящих в заявляемую систему, и 9 - привод синхронного перемещения первых и вторых линзовых компонентов объективов.
I
II
III
Пример наилучшей технической реализации заявляемой панкратической фокусирующей системы имеет следующие параметры: длина волны излучения λ=1.071 мкм, дистанции фокусировки L=29.5-75 м, количество объективов N=3. Объективы расположены на окружности радиусом R=127.2 мм с разворотом в меридиональной плоскости на 10.5 угловых минуты к оси лазера наведения. Оси объективов сведены в точку, отстоящую от выходных окон объективов на расстояние 41.72 м. Фокусные расстояния линзовых компонентов объектива, рассчитанных для кварцевого стекла, равны F=103.1 мм, F=-121.8MM и F=953.4 мм соответственно. В качестве лазера наведения предлагается использовать лазер, генерирующий излучение в видимом диапазоне спектра.
В таблице 1 приведены расчетные значения дистанций фокусировки и соответствующие конструктивные параметры объективов, а именно: расстояние D5 от опорной плоскости объектива до его первого линзового компонента, расстояние D9 между первым и вторым линзовыми компонентами, расстояние D11 между вторым и третьим линзовыми компонентами объектива.
Все компоненты объективов выполнены из материала с высокими термооптическими характеристиками (кварцевого стекла) при сохранении минимального количества самих компонентов.
Заявляемое изобретение работает следующим образом.
Перед началом работы оптический вход каждого объектива фокусирующей системы оптически сопрягают с выходом каждого из каналов многоканального лазера. Включают лазер наведения 7 и по его лучу ориентируют объективы в пространстве таким образом, чтобы излучение многоканального лазера после их прохождения было направлено в сторону облучаемой мишени. При перефокусировке с меньшей на большую дистанцию первый линзовый компонент каждого объектива синхронно с первыми линзовыми компонентами остальных объективов движется к лазеру, второй - в противоположную сторону с той же скоростью, что и первый, а третий остается на месте. Сведение и фокусировка пучков излучения многоканального лазера в одну точку, расположенную на оси лазера наведения 7, достигаются синхронным поворотом плоскопараллельных кварцевых пластин 2. Все переменные параметры объективов определяются независимой переменной t:
φ=-9+18t (угл. град),
D5=21.6-8t (мм),
D9=10+16t (мм),
D11=795-8t (мм),
Поворот плоскопараллельных пластин 2 определен для рабочего интервала дистанций и соответствует значениям переменной t=0, …, 1.0, при этом дистанция фокусировки принимает значения от 29.5 м до 75 м. Вне рабочего интервала угол поворота равен 0. При значении t=1.585 объективы фокусируются на бесконечность. Численные величины заднего отрезка объективов получены для значений параметра t=-0.5, …, 1.6. В этом же интервале значений определены величины воздушных промежутков между компонентами.
Качество изображения объективов в диапазоне изменения t [-0.5; 1.6] при угле поворота плоскопараллельной пластины φ=0 дифракционное, а RMS волнового фронта составляет менее 0.07 λ.
Таким образом, совокупность признаков, указанных в формуле изобретения, обеспечивает в заявляемом изобретении достижение технического результата, а именно повышение точности настройки параметров лазерного излучения на мишени при одновременном увеличении передаваемой мощности излучения, а также  повышение надежности устройства для фокусировки излучения многоканального лазера и расширение его технологических возможностей. Расчетным путем доказано, что предложенная система способна обеспечить высокую эффективность лазерной резки на расстояниях в несколько десятков метров от многоканального лазера.