2. Фокусировка лазерного излучения одиночными линзами.

В большинстве случаев лазерная обработка осуществляется с использованием в качестве фокусирующей оптики одиночных линз, устанавливаемых коаксиально с лазерным излучением. При этом главная плоскость фокусирующей линзы располагается перпендикулярно оси лазерного излучения.

В соответствии с предыдущими рассуждениями вычисление аберрационной составляющей размера фокального пятна сводится к расчету сферической аберрации.

Значение суммы

вычисляется в предположении, что линза располагается в воздушной среде с коэффициентом преломления n=1.

. (21.18)

Здесь - тангенс угла наклона диаметрального луча после преломления на первой оптической поверхности линзы с радиусом кривизны , вычисляется по формуле:

. (21.19)

Для тонкой линзы, с учетом (21.10), (21.19) преобразуется к виду

, (21.20)

где .

Тогда диаметр фокального пятна, обусловленный поперечной аберрацией, будет равен

. (21.21)

Наименьшее значение диаметра фокального пятна, обусловленного аберрацией, соответствует минимальному значению , которое имеет место при условии

. (21.23)

Из формулы (21.21) следует, что величина аберраций зависит от диаметра лазерного излучения D.

В лазерных установках малой мощности излучение имеет незначительное поперечное сечение и аберрации невелики.

В современных технологических установках большой мощности диаметр лазерного излучения составляет десятки миллиметров, вследствие чего аберрационные характеристики фокусирующих систем приобретают важное значение.

Подставляя в формулу (21.15) значения составляющих, получим диаметр фокального пятна:

(21.24)

Порядок расчета фокусирующей системы.

1. Определить диаметр луча на выходном зеркале резонатора лазера.

2. Определиться величина расходимости лазерного излучения.

3. Выбираем материал линз с заданным показателем преломления n.

4. Определяем величину соотношения радиусов линзы "C", обеспечивающую наименьшие аберрации.

5. Вычисляем тангенс угла наклона луча и затем параметр .

6. Записываем выражение для .

7. Продифференцируем .

8. Получим выражение для при .

9. Вычислить .

10. По известным , n, вычислить радиус кривизны первой оптической

поверхности .

11. Вычислить радиус второй поверхности.

12. Вычислить минимальный диаметр фокального пятна.

Материалы для изготовления линз.

Одиночные коаксиальные линзы используются для фокусировки лазерного излучения небольшой мощности, менее 1,0 кВт.

Изготавливают линзы чаще всего из оптически прозрачных искусственных монокристаллов. Это могут быть оптические монокристаллы из хлористого натрия (NaCl), хлористого калия (KCl), фтористого натрия (NaF), бромистого калия (KBr), бромисто-йодистого таллия марки KRS-5 и бромисто-хлористого таллия марки KRS-6, фтористого бария ( ).

Менее распространены оптические линзы из германия (Ge), селенида цинка (ZnSe), теллуристого кадмия (CdTe), кремния (Si), арсенида галлия (GaAs). Эти материалы имеют большой коэффициент преломления и, как следствие, большие потери на отражение. Поэтому на линзы из таких материалов наносятся просветляющие интерференционные покрытия.

Самыми простыми и дешевыми в изготовлении являются линзы из монокристаллов KCl и NaCl. Они имеют небольшие показатели преломления и коэффициенты отражения. Поэтому их можно использовать без просветляющих покрытий.

Существенным недостатком этих материалов является их гигроскопичность, низкая механическая прочность и фотохимическая стойкость.

Оптические ывыавыа для изготовления лазерных линз в видимом и ближнем ИК.

25,1

Механические конструкции лазеров.

Механические узлы лазера имеют большое значение при его конструктивном воплощении и в значительной мере определяют его массогабаритные и эксплуатационные параметры.

В большинстве лазерных конструкций механические узлы можно разделить по своему функциональному назначению на две группы:

1. Элементы несущей конструкции лазера

2. Узлы юстировки параппр О.Р.

Несущие конструкции лазеров.

В зависимости от требований, предъявляемых к лазеру, их несущие конструкции можно сгруппировать следующим образом:

1. Конструкции типа оптической скамьи;

2. Стержневые конструкции;

3. Моноблочные конструкции.

Основное назначение несущей конструкции: обеспечение стабильности оптических параметров лазера ( угловая стабильность расположения отражателей, стабильность длины оптического пути лазерного излучения).

Основные требования: высокая термостабильность, виброустойчивость, механическая прочность, жесткость, технологичность и экономичность, малые габариты, вес.

1.Несущая конструкция типа оптической скамьи была исторически первой, применяемой в лазерной технике. В дальнейшем она стала широко использоваться для Т.Т.Л.

1-блок активной среды; 2-узел юстировки; 3-несущая конструкция.

В нашей конструкции узел активной среды и узел юстировки монтируются на

рейтерах-ловами, которые укрепляются на оптической скамье или другом достаточно жестком и комнатном одномерном основании.

Это основание может иметь как замкнутый (прямоугольный, треугольный, квадратный, реже трубчатый), так и не замкнутый (П-образный, швеллер, тавр или двутавр) профиль.

Достоинством такой конструкции является универсальность, простота замены узлов, легкий доступ ко всем элементам схемы.

Недостатки: большие габариты и вес, склонность к термическим и механическим разъюстировкам.

Стержневая конструкция в наше время является наиболее распространенной.

Высокая жесткость конструкции из 3-х, 4-х стержней достигается за счет равномерного расположения стержней вокруг оптической оси лазера и соединения их между собой, по крайней мере, в 3-х, 4-х сечениях: на концах стержней узлами юстировки 2, а в средней части узлами крепления активной среды 1.

1-сечения узлов юстировки; 2-сечения крепления А.О.; 3-стержни.

Для уменьшения термической разъюстировки О.Р. стержни несущей конструкции изготавливают из специального железоникилиевого сплава – инвара, который имеет низкий ТКЛР ( ). Там, где требования к частотной стабильности лазера несколько ниже, можно применять материалы, которые приспосабливаются к температурным изменениям медленно и равномерно так, что угловая юстировка зеркал не меняется. Для этой цели пригодны тиоаиола алюминиевые авщав или дюралевые конструкции. Такая конструкция, благодаря своей массивности, медленно реагирует на термические возмущения. Хорошая теплопроводность этих материалов обеспечивает равномерный нагрев всей конструкции, тем самым, уменьшая угловую разъюстировку О.Р. и, как следствие, повышая частотную стабильность лазера.

Разновидностью стержневой конструкции можно считать несущий трубчатый корпус из инвара с вентиляционными отверстиями.

Достоинства: простота изготовления, компактность, малый вес, доступность к узлам и деталям.

К недостаткам следует отнести более низкую ремонтоспособность чем в первом случае.

О.Р., как правило помещают в кожухи из хорошо проводящих тепло материалов, которые выполняют роль апва, влаго и тепловых экранов, обеспечивающих равномерный нагрев деталей.

В моноблочной конструкции лазером используется несущий корпус из стеклянного материала, который имеет соответствующие сверления для размещения активной среды и оптически обработанные торцы для посадки отражателей О.Р.

1-блок активности среды; 2-отражатели; 3-несущий корпус.

К торцам крепятся отражатели резонатора. Как правило это тонкие пленки нанесенные на кварцевую подложку. После сборки такой блок вакумируют и подвергают термотренировке. Для исключения термической разъюстировки в качестве материала корпуса используют кварц, или чаще сигнал с нулевым ТКЛР.

Такая конструкция может длительно работать в любых климатических условиях при сильных вибрациях тепловых и ударных нагрузках.

Широкому распространению моноблочных конструкций препятствует их высокая стоимость. Последнее связано с необходимостью высокоточной оптической обработки посадочных поверхностей и одноразовостью использования, т.к. замена активной среды по окончании срока службы затруднительна.