6 кластер (1060957), страница 2
Текст из файла (страница 2)
248, б). 105. Оптические системы для концентрации излучения лазера Для получения больших значений энергетической освещенности, создаваемой лазером, поток его излучении необходимо сконцентрировать в пятна минимальных размеров. Таким пятном, очевидно, может быть перетяжка лазерного пучка, преобразованного оптической системой. Из формулы (462) следует, что дли получения минимальных размеров 2у' перетяжки преобразованного пучка необходимо стремиться к уменьшению конфокального параметра г', лазерного пучка, трансформированного оптической системой. Согласно формуле (468) для данного лазера параметр г'„будет тем меньше, чем меньше фокусное расстояние оптической системы и чем больше расстояние между лазером и передним фокусом оптической системы.
Положение перетяжки преобразованного пучка определяют по формуле (466) или (467). При этом следует иметь в виду, что при использовании короткофокусных систем а„~) /', поэтому согласно (467) г' ж О„т. е. перетяжка преобразованного лазерного пучка получается вблизи задней фокальной плоскости.
Для полного использования потока излучения, создаваемого лазером, диаметр входного зрачка оптической системы должен быть не меньше диаметра сечения лазерного пучка в плоскости входного зрачка. Если в качестве оптической системы используетси тонкая линза (см. рис. 248, а), то ее диаметр определяется из условии (7 )~ 2у„ (469) где 2у, находят по формуле нан,' (463), в которой величина з принимается равной расстоянию от перетяжки до главяой г' плоскости линзы.
Из формул (463) и (469) следует, что лазер желательно располагать как можно ближе к ай оптической системе, чтобы получить минимальный диаметр рнс 24З днукннннонентнан система входного зрачка. В атем случае даже при использовании короткофокусной системы получается минимально возможное относительное отверстие (О//'), что создает более благоприятные условия аберрациоиной коррекции оптической системы. Таким образом, если задан диаметр пятна 2у', на котором должно быть сконцентрировано излучение лазера, то согласно формуле (462) необходимое значение конфокального параметра преобразованного пучка равно: г„' = пу'/Х.
(470) Выбрав тип лазера и определив для него конфокальный параметр г„, из конструктивных соображений задаемся величиной 2, определяющей положение перетяжки относительно передней фокальной плоскости оптической системы. Тогда согласно формуле (468) необходимое значение фокусного расстояния оптической системы будет равно: =- 1' 2к (2 + ай)/гк ' Диаметр оптической системы вычисляют по формуле (463) согласно условию (469).
При использовании короткофокусных систем плоскость, где концентрируется излучение лазера, получается на незначительном расстоянии от последней поверхности оптической системы, что может оказаться неудобным в эксплуатации, В этом случае целесообразно использовать двухкомпонентную систему, построенную по схеме реверсивного телеобъектива (рис.
249), у которой ир > /'. Применение двухкомпонентной системы является обязательным, если излучение лазера необходимо сконцентрировать в пятно малых размеров на зяачительном расстоянии 1!31. Расчет двух- компонентной системы можно выполнить по указанной выше методике путем последовательного использования формул (467), (468), (470) длн каждого компонента. 21 ° ЗМ 106.
Оптические системы для уменьшения расходимости лазерного пучка Несмотря на то что излучение лазера характеризуется высокой направленностью, передача его энергии на большие расстояния требует уменьшения рзсходимости лазерного пучка. Согласно формуле (464) для уменьшения угла расходимости необходимо увеличивать конфокальный параметр. Выполнение последнего требования путем использования в резонаторе зеркал малой кривизны нерационально, так как в этом случае возрастают дифрзкционные потери и лазер становится более чувствительным к разъюстировке. Рассмотрим возможность уменьшения расходимости лазерного пучка с помощью одного компонента, например одиночной линзы. Как следует нз формулы (468), для увеличения конфокального параметра преобразованного пучка перетяжка исходного пучка должна совпадать с передней фокальной плоскостью оптической системы (г = О), а сама система должна быть длиннофокусной.
Такое решение может оказаться неприемлемым из-за значительных габаритных размеров. Наиболее рациональной схемой для уменьшения расходнмости лазерного пучка является схема двухкомпонентной системы. Первый компонент этой системы может быть как положительным, так и отрицательным. Применение отрицательного компонента позволяет получить более компактную систему. Второй компонент положительный.
Необходимое угловое увеличение системы с учетом (464) определяют по формуле 7 =- 2в'/(2ы) = 2у/(2у') =- у г /г„', (471) где 2ы и 2ы' — угловая расходнмость лазерного пучка соответственно до и после оптической системы; 2у и 2у' — диаметр перетяжки соответственно входящего и преобразованного пучков; г„ и г„' — конфокальный параметр соответственно входящего и преобразованного пучка. Рассмотрим основные зависимости для расчета двухкомпонентной системы (рис. 250). Положение перетяжки и конфокальный параметр лазерного пучка, преобразованного первым компонентом, определяют по формулам (467) и (468): г( =- — гД /(з1+ з".~); (472) г~п = г о/( /(г) + гкы).
(473) Для получения минимальной расходимости лазерного пучка после второго компонента необходимо, чтобы изображение пере« тяжки, создаваемое первым компонентом, имело минимальные размеры и располагалось в передней фокальной плоскости вто* рого компонента (г, = О). Выполнение первого из указанных условий обеспечивается путем применения короткофокусного компо- 324 х чч и, Рнс. 250. Двухкомпонентиая система для уменьшения расходимостн пучка лазера пента.
Другнмн словами, задача, решаемая первым компонентом, аналогична рассмотренной в и. 105 задаче по концентрации лазерного излучения. Выполнение второго нз указанных условий означает, что задний фокус г1" первого компонента должен быть расположен относительно переднего фокуса гх второго компонента на расстоянии г~, определяемом по формуле (472). Это расстояние называют оптическим интервалом, который обозначается Ь, т. е. г( = 5. Следует иметь в виду, что в большинстве практнческнх случаев ги~ )) /(, поэтому величина Л сравнительно мала.
Таким образом, двухкомпонентная система, предназначенная для уменьшения расходнмостн лазерного пучка, близка к афокальной системе,. расфокуснрованной на величину Ь = г~. Лазерный пучок; преобразованный первым компонентом, следует рассматривать как пучок пространства предметов по отношенню ко второму компоненту, т.
е. 2у1 =- 2ут н г„"1 = акт. Тогда согласно фйрмуле (468) прн гв = 0 имеем: . ° , ° г х = /я /г,а = /х /гкь (474) Следовательно, угловое увеличение двухкомпонентной системы с учетом формул (47!), (473) н (474) будет равно: У = У' аю/г„х = (/1//х) ~/ г„1/(г~ + г„,). (475) Прн Ь = 0 имеем афокальную систему, угловое увеличение которой определяется нзвестной зависимостью: 7 = — /1//х (476) Так как выражение под знаком радикала формулы (475) всегда меньше единицы, то нз сравнения формул (475) н (476) следует, что угловое увеличение, а значит, н расходнмость лазерного 325 пучка для расфокусированной афокальной системы всегда меньше, чем для афокальной системы.
Таким образом, расчет двухкомпонентной системы для уменьшения расходимости лазерного пучка можно выполнять в следующей последовательности. Для данного лазера, у которого известны угловая расходимость 2м, конфокальный параметр г„= г,п и диаметр перетяжки 2у = 2у„из конструктивных или габаритных условий задаемся положением перетяжки г, относительно переднего фокуса г", первого компонента. Согласно условию (469) по формуле (463) определяем диаметр О, первого компонента. Выбираем фокусное расстояняе ~1 первого компонента из условия, чтобы его относительное отверстие О~/Д имело значение, при котором не возникают значительные трудности аберрационной коррекции системы.
По формуле (472) находим оптический интервал (Л = г(), по формуле (473) — конфокальный параметр лазерного пучка, преобразованного первым компонентом (г„'~ = г„,). Зная по техническим условиям необходимую угловую расходимость 2в' на выходе системы, по формуле (471) устанавливаем, угловое увеличение системы и согласно формуле (475) вычисляем фокусное расстояние второго (положительного) компонента: 1 — (а7) у ЕКД +кт Диаметр О, второго компонента определяется согласно условию (469) по формуле (481) с использованием эквивалентного конфокальнога параметра г„,.
В заключение отметим, что расчет оптических систем для согласования параметров лазерного. пучка с последукнцими оптическими элементами аналогичен расчету рассмотренных выше оптических систем, предназначенных для концентрации излучения лазера нли для уменьшения расходимости лазерного пучка. 107. Оптическая фотоэлектрическая система с лазером Высокая направленность и большая мощность излучения лазера обеспечивают широкие возможности его использова» ния для регистрации далеких объектов с помощью фотоэлектрических оптических систем, воспринимающих лазерное излучение, отраженное от объекта. Принципиальная схема такой системы приведена на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
