Конструкция расширителя или уменьшителя пучка имеет значение не во всех приложениях, но на выбор могут повлиять такие факторы, как более легкое выравнивание и более интуитивно понятный дизайн устройств Кеплера, а также компактные размеры устройств Галилея. Кроме того, Кеплеровское устройство фокусирует свет между двумя линзами, а затем выдает перевернутый пучок. Устройство Галилея поддерживает ориентацию пучка и предоставляет возможность выбора линз для уменьшения сферической аберрации в выходном пучке. Расширители и уменьшители пучка обычно используются только с коллимированными пучками, а не с расходящимися. За основу этих конструкций были взяты телескопы Кеплера и Галилея. Увеличение в обоих случаях равно фокусному расстоянию выходной линзы, деленному на фокусное расстояние входной линзы.
Характеристики Кеплеровской конструкции
В простейшей Кеплеровской конструкции две положительные линзы разделены расстоянием, равным сумме их фокусных расстояний (рисунок 1). Конструкция, основанная на телескопе Кеплера, никогда не будет короче суммы фокусных расстояний двух линз, а выходной пучок же, в свою очередь, перевернут относительно входного пучка.
Пучок попадает в фокус между двумя линзами. Это дает возможность пространственной фильтрации пучка. Например, в фокусе пучка можно разместить точечное отверстие для улучшения качества пучка. Вдали от фокуса диаметр пучка увеличивается по мере приближения к выходной линзе. Чтобы увеличить диаметр коллимированного пучка, создаваемого выходной линзой, необходимо отодвинуть выходную линзу дальше от фокуса. Поскольку расстояние между фокусом и выходной линзой равно фокусному расстоянию, это требует использования линзы с большим фокусным расстоянием.
Кеплеровская конструкция обычно не подходит для высокоэнергетических пучков от импульсных лазеров, используемых в некоторых режущих и других производственных приложениях. Например, фокусирующие импульсы с наносекундной длительностью и оптической мощностью около ~ 1 МВт или выше могут ионизировать воздух и создавать искру, что нежелательно снижает мощность импульса и может отрицательно повлиять на качество пучка.
Рисунок 1. Простейший Кеплеровский расширитель или уменьшитель пучка включает в себя две положительные линзы. Фокусные расстояния линз 1 и 2 равны f1 и f2 соответственно. Линзы разделены расстоянием, равным сумме их фокусных расстояний (f1 + f2), и выходной пучок переворачивается относительно входного пучка
Характеристики Галилеевской конструкции
Базовый телескоп Галилея также включает в себя две линзы, но одна отрицательная, а другая положительная (рисунок 2). Линзы расположены так, чтобы расстояние между ними равнялось разнице в их фокусных расстояниях, что приводит к более компактной конструкции, чем Кеплеровский подход.
Подход Галилея также можно использовать для минимизации сферической аберрации, вызванной расширителем или уменьшителем пучка. Все сферические линзы вызывают сферическую аберрацию, и одним из следствий этого является уширение фокуса пучка вдоль оптической оси. В случае положительной сферической линзы параллельные пучки падают ближе к фокусу внешнего периметра линзы в точку на оптической оси ближе к линзе, по сравнению с параллельными пучками, падающими около центра линзы. Поскольку отрицательная сферическая линза имеет противоположный эффект, отрицательная линза в конструкции Галилея может использоваться для компенсации сферической аберрации, вызванной положительной линзой.
Рисунок 2. Базовый Галилеевский расширитель или уменьшитель пучка включает в себя отрицательную линзу с фокусным расстоянием (f1) и положительную линзу с фокусным расстоянием (f2). Линзы расположены так, чтобы расстояние между ними было равно разнице их фокусных расстояний (f2 - f1). Галилеевские конструкции не фокусируют свет между двумя линзами, не сохраняют ориентацию пучка и короче Кеплеровских конструкций
Когда устройство используется в качестве расширителя пучка, пучок меньшего диаметра падает на отрицательную линзу. Расходящийся пучок, создаваемый отрицательной линзой, увеличивается в диаметре по мере приближения к положительной линзе вместо фокусировки между двумя линзами. Этот расходящийся пучок можно описать как пучок с виртуальным фокусом, который расположен на противоположной стороне отрицательной линзы, как показано на рисунке 2. Поскольку положительная линза находится на расстоянии одного фокусного расстояния (f2) от этого виртуального фокуса, положительная линза выводит коллимированный пучок, который не переворачивается по сравнению с входным пучком. Если пучок не осесимметричен, выходная ориентация пучка может быть важна для определенных приложений.
Коэффициент расширения
Расширители и уменьшители пучка предназначены для приема и получения коллимированных пучков. Хоть пучки и коллимированы, их диаметр изменяется по мере распространения из-за эффектов дифракции. В идеале перетяжка входного пучка расположена на расстоянии одного фокусного расстояния от входной линзы, как показано на рисунках 1 и 2. В таком случае перетяжка выходного пучка находится на расстоянии одного фокусного расстояния от выходной линзы. Если перетяжка входного пучка не находится на расстоянии одного фокусного расстояния от входной линзы, положение перетяжки выходного пучка, диаметр перетяжки выходного пучка и/или расходимость выходного пучка могут не соответствовать расчетным значениям.
Расширители и уменьшители пучка влияют на диаметр перетяжки (2Wo) и угол расходимости (θ) пучка. Изменение этих двух параметров можно оценить, используя коэффициент расширения пучка (m) устройства. Диаметр перетяжки выходного пучка рассчитывается путем умножения коэффициента расширения пучка на диаметр входного пучка. Угол расходимости выходного пучка рассчитывается путем деления угла расходимости входного пучка на коэффициент расширения пучка.
Когда устройство включает в себя две линзы, формула для расчета коэффициента расширения пучка одинакова как для Кеплеровской, так и для Галилеевской конструкции. Коэффициент расширения пучка равен фокусному расстоянию выходной линзы, деленному на фокусное расстояние входной линзы. Устройства, показанные на рисунках 1 и 2, являются расширителями пучка, когда свет падает на линзу 1 с фокусным расстоянием f1. В этом случае вторая линза имеет фокусное расстояние f2, а коэффициент расширения пучка (m12) равен:
Если устройства на рисунках 1 и 2 используются в качестве уменьшителей пучка, свет падает с противоположного направления на линзу 2. Тогда линза 1 является выходной линзой, а коэффициент расширения пучка становится m21, который равен f1, деленному на f2.
© Thorlabs
Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по поставке лабораторного и научного оборудования производства Thorlabs на территории РФ
В статье описывается усовершенствование метода лазерно-водоструйной обработки: добавление коаксиально-кольцевой аргоновой струи, мгновенно очищающей отверстие от образующегося осадка. Таким образом сохраняется высокий объем абляции при создании глубоких отверстий в сложно обрабатываемых материалах.
В обзоре сравниваются наиболее востребованные модели наносекундных лазеров производства Litron Lasers и СОЛАР ЛС, в том числе лазеры с модуляцией добротности с высокой и сверхвысокой энергией импульса, высокой частотой повторения импульсов, компактные лазеры и лазеры с диодной накачкой.
г. Санкт-Петербург, улица Савушкина 83, корп. 3
