eng
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2023.17.5.366.370
Представлена конструкция оптической системы для фокусировки лазерного пучка с предельно малым размером пятна в широком диапазоне дистанций от 50 м до 2 км. Трудности с управлением лазерным пучком и его фокусировкой снижены за счет использования схемы с расширителем лазерного пучка.
Представлена конструкция оптической системы для фокусировки лазерного пучка с предельно малым размером пятна в широком диапазоне дистанций от 50 м до 2 км. Трудности с управлением лазерным пучком и его фокусировкой снижены за счет использования схемы с расширителем лазерного пучка.
Теги: collimator freeform laser beam expander laser beam focusing коллиматор расширитель лазерного пучка фокусировка лазерного пучка фриформ
Фокусирующая система лазера
И. П. Шишкин, А. П. Шкадаревич,
НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО, Минск, Республика Баларусь
Представлена конструкция оптической системы для фокусировки лазерного пучка с предельно малым размером пятна в широком диапазоне дистанций от 50 м до 2 км. Трудности с управлением лазерным пучком и его фокусировкой снижены за счет использования схемы с расширителем лазерного пучка.
Ключевые слова: фокусировка лазерного пучка, коллиматор, расширитель лазерного пучка, фриформ
Статья получена:10.05.2023
Статья принята: 24.07.2023
Введение
Оптические системы фокусировки лазерного пучка обеспечивают эффективность применения оптико-электронных систем в актуальных контурах связи и управления. Оптическая система целеуказания должна создавать на объекте наблюдения лазерное пятно предельно малого размера с удовлетворительной коррекцией аберраций, величина которых особенно важна на больших дистанциях.
В первом приближении величину лазерного пятна можно представить как сумму геометрического и аберрационного пятен:
∅ = ∅a + ∅г.
Геометрическое пятно ∅г вычисляется по формуле:
∅г = ∅в · Д / fк,
где ∅в – диаметр волокна лазера; Д – дистанция; fк – фокусное расстояние коллиматора.
Для выбранного лазера и заданного диапазона дистанций размер геометрического пятна будет зависеть только от фокусного расстояния коллиматора, величина которого, в свою очередь, ограничивается возможностью изготовления линз большого диаметра, габаритами механики и конструкцией механизма фокусировки. Аберрационное пятно будет определяться уровнем исправления аберраций в оптической системе.
Оптимальным решением для создания фокусирующей системы лазера является 2‑линзовая схема коллиматора, в которой линзы разделены воздушным промежутком. С помощью оптимизации 4‑х радиусов линз можно добиться удовлетворительной коррекции аберраций и получить предельно малое аберрационное пятно, величина которого в особенности важна на больших дистанциях, когда геометрическое пятно максимально. Фокусировка в коллиматоре осуществляется с помощью подвижки выходного торца волокна лазера.
Двухлинзовый коллиматор
В двухлинзовом коллиматоре форма и взаимное расположение линз оказывают существенное влияние на коррекцию аберраций. На рис. 1 представлены варианты конструкции коллиматора с фокусным расстоянием 1 м для лазера с углом расходимости θ = 100 мрад (числовая апертура Na = 0,1).
На рис. 2 показаны графики лучевых аберраций коллиматоров для осевой точки на бесконечности. При сравнении графиков видно, что аберрации во втором варианте в 10 раз меньше, чем в первом.
Диаметры пятен в размерности милиметров для лазера с диаметром волокна 25 мкм и коллиматора с фокусным расстоянием 1 м на различных дистанциях приведены в табл. 1.
Расширитель пучка
Чем больше фокус коллиматора, тем меньше геометрическое пятно, но при этом растут габариты конструкции, а значит, возникают трудности с управлением лазерным пучком и его фокусировкой. Cхема с расширителем лазерного пучка (рис. 3) позволяет существенно сократить длину коллиматора [1]. Одновременно упрощается механизм фокусировки за счет перемещения отрицательной линзы в расширителе пучка, который по сути является телескопом Галилея.
Конструкция коллиматора на рис. 3 включает коллимирующую линзу с фокусом 200 мм и телескоп с увеличением 5×. Таким образом, эквивалентный фокус коллиматора составит 1 м, а длина сократится практически вдвое. Для уменьшения количества линз, выходная линза телескопа сделана асферической. Если установить в параллельном ходе ломающее зеркало, то это решение можно использовать и для объединения пучков нескольких лазеров (по крайней мере двух).
Зеркальный коллиматор
Если применить зеркала в конструкции коллиматора, то можно максимально сократить его размеры. На рис. 4 представлен коллиматор, построенный по известной классической схеме двухзеркального астрономического объектива, в котором большое зеркало – параболическое (схема Ньютона), гиперболическое (схема Кассагрена) или эллипсоидальное (схема Грегори). Малое зеркало во всех схемах – плоское. В предлагаемой схеме большое зеркало – сферическое, а малое зеркало – параболическое.
Недостатком двухзеркального коллиматора является экранирование центральной зоны входного зрачка.
Эффективную площадь входного зрачка в обратном ходе можно вычислить через разницу площади зеркал:
,
где S1 и S2 – площадь зеркал; D1 и D2 – их диаметры. Площадь малого зеркала определяется как величиной вогнутого радиуса большого зеркала R2 (чем меньше радиус большого зеркала, тем меньше площадь малого зеркала и больше эффективная площадь входного зрачка), так и размером аберрационного пятна.
В табл. 2 приведены примеры соотношений радиуса большого зеркала R2, диаметра малого зеркала D1, габаритов и аберрационного пятна коллиматора с фокусным расстоянием 1 м и диаметром большого зеркала D2 = 200 мм. На рис. 5 показана зависимость размера точки от диаметра зеркала D1.
На рис. 6 показан пример трехзеркальной каскадной схемы коллиматора. Все зеркала имеют форму внеосевой асферики (фриформ), что позволяет обеспечить минимальный размер выходного пятна лазера без экранирования центральной зоны входного зрачка [2]. Световой диаметр выходного зеркала 3 и длина коллиматора (в плоскости рисунка) для эквивалентного фокуса 1 м составляет ~200 мм.
Работу 3х-зеркального коллиматора при фокусировке на бесконечность можно описать следующим образом. Пучок лазера с расходимостью 100 мрад попадает на зеркало 1 с фокусным расстоянием 200 мм, затем коллимированный пучок диаметром 40 мм с помощью зеркального телескопа (зеркало 2 и зеркало 3) с увеличением 5× преобразуется в коллимированный пучок диаметром 200 мм. Фокусировка на различные дистанции (50 м – 2 км) осуществляется при помощи подвижки выходного торца волокна лазера в пределах 3–20мм (в зависимости от конкретного расчета).
Заключение
Предложена оптическая система целеуказания, которая создает на объекте наблюдения лазерное пятно предельно малого размера на дистанциях до 2 000 метров. Расчеты показали, что выбор оптимальной конструкции коллиматора с использованием линз или зеркал c аферическими поверхностями (фриформ) позволяет создать компактную систему фокусировки, обеспечивающую минимальный размер лазерного пятна в широком диапазоне дистанций.
References
Patent RU2167444. 20.05.2001. A telescopic system for focusing laser radiation / Potapova N. I., Tsvetkov A. D.
Caron J., Baumer S. Progress in aberration theory fo freeform off-axis mirror systems. Proceedings International Optical Design Conference – 2021 (IODS‑2021). 2021; 120780G. https://doi.org/10.1117/12.2603625, 12078.
Об авторах
Шишкин Игорь Петрович, к. т. н, НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО, Минск, Республика Беларусь.
ORCID ID: 0000-0002-4592-1060
Шкадаревич Алексей Петрович, д. ф.‑ м. н., НТЦ «ЛЭМТ», БелОМО, Минск, Республика Беларусь.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
И. П. Шишкин, А. П. Шкадаревич,
НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО, Минск, Республика Баларусь
Представлена конструкция оптической системы для фокусировки лазерного пучка с предельно малым размером пятна в широком диапазоне дистанций от 50 м до 2 км. Трудности с управлением лазерным пучком и его фокусировкой снижены за счет использования схемы с расширителем лазерного пучка.
Ключевые слова: фокусировка лазерного пучка, коллиматор, расширитель лазерного пучка, фриформ
Статья получена:10.05.2023
Статья принята: 24.07.2023
Введение
Оптические системы фокусировки лазерного пучка обеспечивают эффективность применения оптико-электронных систем в актуальных контурах связи и управления. Оптическая система целеуказания должна создавать на объекте наблюдения лазерное пятно предельно малого размера с удовлетворительной коррекцией аберраций, величина которых особенно важна на больших дистанциях.
В первом приближении величину лазерного пятна можно представить как сумму геометрического и аберрационного пятен:
∅ = ∅a + ∅г.
Геометрическое пятно ∅г вычисляется по формуле:
∅г = ∅в · Д / fк,
где ∅в – диаметр волокна лазера; Д – дистанция; fк – фокусное расстояние коллиматора.
Для выбранного лазера и заданного диапазона дистанций размер геометрического пятна будет зависеть только от фокусного расстояния коллиматора, величина которого, в свою очередь, ограничивается возможностью изготовления линз большого диаметра, габаритами механики и конструкцией механизма фокусировки. Аберрационное пятно будет определяться уровнем исправления аберраций в оптической системе.
Оптимальным решением для создания фокусирующей системы лазера является 2‑линзовая схема коллиматора, в которой линзы разделены воздушным промежутком. С помощью оптимизации 4‑х радиусов линз можно добиться удовлетворительной коррекции аберраций и получить предельно малое аберрационное пятно, величина которого в особенности важна на больших дистанциях, когда геометрическое пятно максимально. Фокусировка в коллиматоре осуществляется с помощью подвижки выходного торца волокна лазера.
Двухлинзовый коллиматор
В двухлинзовом коллиматоре форма и взаимное расположение линз оказывают существенное влияние на коррекцию аберраций. На рис. 1 представлены варианты конструкции коллиматора с фокусным расстоянием 1 м для лазера с углом расходимости θ = 100 мрад (числовая апертура Na = 0,1).
На рис. 2 показаны графики лучевых аберраций коллиматоров для осевой точки на бесконечности. При сравнении графиков видно, что аберрации во втором варианте в 10 раз меньше, чем в первом.
Диаметры пятен в размерности милиметров для лазера с диаметром волокна 25 мкм и коллиматора с фокусным расстоянием 1 м на различных дистанциях приведены в табл. 1.
Расширитель пучка
Чем больше фокус коллиматора, тем меньше геометрическое пятно, но при этом растут габариты конструкции, а значит, возникают трудности с управлением лазерным пучком и его фокусировкой. Cхема с расширителем лазерного пучка (рис. 3) позволяет существенно сократить длину коллиматора [1]. Одновременно упрощается механизм фокусировки за счет перемещения отрицательной линзы в расширителе пучка, который по сути является телескопом Галилея.
Конструкция коллиматора на рис. 3 включает коллимирующую линзу с фокусом 200 мм и телескоп с увеличением 5×. Таким образом, эквивалентный фокус коллиматора составит 1 м, а длина сократится практически вдвое. Для уменьшения количества линз, выходная линза телескопа сделана асферической. Если установить в параллельном ходе ломающее зеркало, то это решение можно использовать и для объединения пучков нескольких лазеров (по крайней мере двух).
Зеркальный коллиматор
Если применить зеркала в конструкции коллиматора, то можно максимально сократить его размеры. На рис. 4 представлен коллиматор, построенный по известной классической схеме двухзеркального астрономического объектива, в котором большое зеркало – параболическое (схема Ньютона), гиперболическое (схема Кассагрена) или эллипсоидальное (схема Грегори). Малое зеркало во всех схемах – плоское. В предлагаемой схеме большое зеркало – сферическое, а малое зеркало – параболическое.
Недостатком двухзеркального коллиматора является экранирование центральной зоны входного зрачка.
Эффективную площадь входного зрачка в обратном ходе можно вычислить через разницу площади зеркал:
,
где S1 и S2 – площадь зеркал; D1 и D2 – их диаметры. Площадь малого зеркала определяется как величиной вогнутого радиуса большого зеркала R2 (чем меньше радиус большого зеркала, тем меньше площадь малого зеркала и больше эффективная площадь входного зрачка), так и размером аберрационного пятна.
В табл. 2 приведены примеры соотношений радиуса большого зеркала R2, диаметра малого зеркала D1, габаритов и аберрационного пятна коллиматора с фокусным расстоянием 1 м и диаметром большого зеркала D2 = 200 мм. На рис. 5 показана зависимость размера точки от диаметра зеркала D1.
На рис. 6 показан пример трехзеркальной каскадной схемы коллиматора. Все зеркала имеют форму внеосевой асферики (фриформ), что позволяет обеспечить минимальный размер выходного пятна лазера без экранирования центральной зоны входного зрачка [2]. Световой диаметр выходного зеркала 3 и длина коллиматора (в плоскости рисунка) для эквивалентного фокуса 1 м составляет ~200 мм.
Работу 3х-зеркального коллиматора при фокусировке на бесконечность можно описать следующим образом. Пучок лазера с расходимостью 100 мрад попадает на зеркало 1 с фокусным расстоянием 200 мм, затем коллимированный пучок диаметром 40 мм с помощью зеркального телескопа (зеркало 2 и зеркало 3) с увеличением 5× преобразуется в коллимированный пучок диаметром 200 мм. Фокусировка на различные дистанции (50 м – 2 км) осуществляется при помощи подвижки выходного торца волокна лазера в пределах 3–20мм (в зависимости от конкретного расчета).
Заключение
Предложена оптическая система целеуказания, которая создает на объекте наблюдения лазерное пятно предельно малого размера на дистанциях до 2 000 метров. Расчеты показали, что выбор оптимальной конструкции коллиматора с использованием линз или зеркал c аферическими поверхностями (фриформ) позволяет создать компактную систему фокусировки, обеспечивающую минимальный размер лазерного пятна в широком диапазоне дистанций.
References
Patent RU2167444. 20.05.2001. A telescopic system for focusing laser radiation / Potapova N. I., Tsvetkov A. D.
Caron J., Baumer S. Progress in aberration theory fo freeform off-axis mirror systems. Proceedings International Optical Design Conference – 2021 (IODS‑2021). 2021; 120780G. https://doi.org/10.1117/12.2603625, 12078.
Об авторах
Шишкин Игорь Петрович, к. т. н, НТЦ «ЛЭМТ» БелОМО, Минск, Республика Беларусь.
ORCID ID: 0000-0002-4592-1060
Шкадаревич Алексей Петрович, д. ф.‑ м. н., НТЦ «ЛЭМТ», БелОМО, Минск, Республика Беларусь.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Отзывы читателей
