Проектирование линзовой афокальной насадки для маломощного лазера

Особенности проектирования линзовой афокальной насадки для маломощного He–Ne лазера с возможностью управления расходимостью выходного лазерного излучения. Способы обеспечения его дискретного изменения с помощью механической смены линз объектива.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Задание к курсовому проекту

Спроектировать линзовую афокальную насадку для маломощного (менее 10 мВт) He - Ne лазера с возможностью управления расходимостью выходного лазерного излучения (предусмотреть дискретное изменение расходимости излучения с помощью механической смены линз объектива).

Исходные данные:

афокальный лазер насадка расходимость

Параметр	Значение
Расходимость излучения лазера	2щ = 10'
Требуемая расходимость излучения после оптической системы	2щ =5' (Iслучай)
	2щ =1' (IIслучай)
Диаметр выходного зрачка	D' = 6 мм

Введение

Основой любого оптического прибора, в том числе и лазера, является оптическая система, которая представляет собой совокупность оптических деталей (линз, зеркал, призм, плоскопараллельных пластин, клиньев), установленных друг относительно друга в определённом порядке в соответствии с расчётом, обеспечивающих определенное формирование пучков световых лучей.

Сегодня лазеры (оптические квантовые генераторы) в значительной степени определяют научно - технический прогресс во всех областях деятельности человека. Они широко используются в современных контрольно-измерительных устройствах, вычислительных комплексах, системах локации и связи, медицине, металлургии, экологии научных исследованиях(химических, биологических, физических), и т.д.

Важной характеристикой лазера является расходимость его выходного излучения. Для управления этим параметром применяют афокальные насадки.

Цель данного курсового проекта - спроектировать линзовую афокальную насадку для оптического квантового генератора (ОКГ) с возможностью управления расходимостью выходного лазерного излучения.

1. Теоретическая часть.

В основе афокальной насадки для ОКГ лежит телескопическая система Галилея.

Телескопическая система называется афокальной потому, что её фокусное расстояние равно бесконечности, а оптическая сила равна нулю. Пучки лучей, поступающие на вход системы, считаются параллельными, так как входные зрачки этих систем несоизмеримо меньше расстояний, на которых находятся наблюдаемые объекты.

Схема телескопической системы состоит, как минимум, из двух компонентов - объектива и окуляра, каждый из которых может быть оптической поверхностью или представлять сложную комбинацию оптических элементов.

Телескопические системы для ОКГ применяют для выполнения следующих основных задач:

· уменьшения угла расходимости лучей выходящих из ОКГ (т.е. для коллимации);

· удаления от лазера места фокусировки излучения и превращения его в пятно достаточно малых размеров (т.е. для фокусировки) (рис.1).

Рис.1 Оптическая система применяемая для удаления от лазера места фокусировки излучения.

К особенностям лазерных пучков в ОКГ можно отнести их:

· их форму - она имеет специфическую структуру (наличие «узкой» горловины или «перетяжки», наименьший диаметр которой меньше выходного отверстия ОКГ) (рис.2). В «перетяжке» волновой фронт принимается за плоский и ее можно рассматривать как выходной зрачок ОКГ.

Рис. 2. Структура лазерных пучков.

· их расходимость излучения - лучи света выходящие из ОКГ характеризуются наибольшим углом расхождения, что позволяет рассматривать выходное отверстие ОКГ как зрачок, из которого выходят осевые и наклонные пучки (рис.3).

Рис.3. Ход лучей в афокальной насадке

· большую мощность излучения - поэтому не рекомендуется внутри насадки создавать промежуточные действительные изображения для предотвращения тепловых явлений.

Если, в случае необходимости обработки материала, сразу после выходного торца установить линзу с фокусным расстоянием f?, то она будет фокусировать излучение в пятно диаметром:

(1)

Однако, однолинзовая система менее предпочтительна из-за близкого расположения места обработки ОКГ. На практике принимают комбинированную оптическую систему, состоящую из афокальных насадок, обеспечивающих малую величину эквивалентного фокусного расстояния fэ и большое расстояние от оптической системы до места фокусировки излучения (рис.1).

(2)

В тоже время дифракция излучения ограничивает наименьшее значение пятна фокусировки .

(3)

Использование афокальной насадки позволяет расширить пучок лучей и уменьшить расходимость излучения. Следуя из формулы (3) такой пучок можно сфокусировать в пятно меньшего размера, следовательно, достигнуть большей интенсивности лазерного излучения в точке фокусировки.

2. Конструкторская часть.

Проектирование любой оптической системы начинается с выбора и обоснования ее принципиальной схемы и исходных данных. В последующем расчёт оптической системы разбивают на два основных этапа: первый - этап габаритного расчета, второй - коррегирования или исправления аберраций оптической системы.

На первом предполагают, что полученная оптическая система будет идеальной, т. е. система, которая каждую точку в пространстве предметов изображает в виде точки в пространстве изображений, сохраняя пространство масштаба в пределах всего изображения предметов. На этом этапе используемые зависимости относятся к параксиальной области. Отдельные компоненты системы принимают за бесконечно тонкие, устанавливают общую схему оптической системы, т. е. определяют число отдельных компонентов, их приблизительные геометрические размеры, взаимное расположение, фокусные расстояния, а также положение и величины входных и выходных зрачков. В случае необходимости выполняют перерасчёт отдельных имеющихся узлов. На этом этапе так же выбирают конструкцию всей оптической системы. Результат расчета можно считать приемлемым, если основные оптические характеристики отдельных компонентов не выходят за пределы установленных на практике. При расчете оптической системы следует стремиться к использованию готовых компонентов, освоенных в производстве, т.к. это значительно удешевляет прибор и ускоряет его изготовление.

На втором этапе расчёта определяют конструктивные параметры элементов оптической системы - радиусы кривизны, толщину линз, марки приблизительных стекл и т. д. Для упрощения данного курсового проекта эти параметры оптических элементов выбираются из справочных данных, т.е. этап коррегирования не выполняется.

После габаритного расчета конструируют оправы оптических элементов и корпус системы, а также выбирают вспомогательные элементы (защитное стекло, наглазник) и способы их крепления.

2.1. Габаритный расчёт.

В соответствии с исходными данными в проектируемой афокальной насадке должно быть предусмотрено дискретное изменение расходимости выходного излучения, путем смены системы объективных линз. Для этого выбирают расчет двух оптических систем с одинаковыми окулярами, но разными объективами.

2.1.1. Выбор типа окуляра.

Расчёт начинается с выбора типа окуляра, как наиболее сложного компонента всей проектируемой системы.

Основу разрабатываемого оптического прибора составляет оптическая схема Галилея. В телескопической системе по данной схеме организации окулярная часть представляет собой систему отрицательных линз. Ввиду того, что проектируемая афокальная насадка должна обладать простой конструкцией и малыми массогабаритными показателями, а также предназначена для эксплуатации с маломощным ОКГ (менее 10 мВт), то целесообразно применить однолинзовый отрицательный окуляр, реализованный по схеме рис.4.

По типу выбранного окуляра определяем увеличение и диаметр выходного зрачка проектируемой оптической системы.

2.1.2. Определение увеличения и диаметра выходного зрачка проектируемой оптической системы.

Ввиду малости углов распространения пучков в системе, можно воспользоваться следующим соотношением:

(4)

Для каждого случая оптической системы определяем увеличение:

Диаметр выходного зрачка проектируемой оптической системы можно найти исходя из выражения:

,(5)

где увеличение телескопической системы Гтс представлено как отношение величины входного зрачка системы D (который равен выходному зрачку оптического квантового генератора D=6 мм) к величине выходного зрачка D':

(6)

На следующем этапе расчёта определяем фокусные расстояния объектива и окуляра.

2.1.3. Фокусное расстояние окуляра.

Исходя из аберрационных соображений, не следует устанавливать относительное отверстие окуляра более чем 1:3 или 1:2 [9]. Принимая в проекте относительное отверстие равное 1:3,определяем фокусное расстояние окуляра:

,(7)

тогда

(8)

Согласно нормальному ряду значений [9] округляем до наиболее близкой величины равной 20 мм. Полученному ф...