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 расходимости 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 дифракционные потери и лазер становится более чувствительным к разъюстировке.

Рассмотрим возможность уменьшения расходимости лазерного пучка с помощью одного компонента, например одиночной линзы. Как следует из формулы (468), для увеличения конфокального параметра преобразованного пучка перетяжка исходного пучка должна совпадать с передней фокальной плоскостью оптической системы а сама система должна быть длиннофокусной. Такое решение может оказаться неприемлемым из-за значительных габаритных размеров.

Наиболее рациональной схемой для уменьшения расходимости лазерного пучка является схема двухкомпонентиой 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

где угловая расходимость лазерного пучка соответственно до и после оптической системы; диаметр перетяжки соответственно входящего и преобразованного пучков; 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):

Для получения минимальной расходимости лазерного пучка после второго компонента необходимо, чтобы изображение перетяжки, создаваемое первым компонентом, имело минимальные размеры и располагалось в передней фокальной плоскости второго компонента Выполнение первого из указанных условий обеспечивается путем применения короткофокусного

Рис. 250. Двухкомпонентная система для уменьшения расходимости пучка лазера

компонента. Другими словами, задача, решаемая первым компонентом, аналогична рассмотренной в п. 105 задаче по концентрации лазерного излучения. Выполнение второго из указанных условий означает, что задний фокус первого компонента должен быть расположен относительно переднего фокуса второго компонента на расстоянии определяемом по формуле (472). Это расстояние называют оптическим интервалом, который обозначается т. е. Следует иметь в виду, что в большинстве практических случаев поэтому величина сравнительно мала.

Таким образом, двухкомпонентная система, предназначенная для уменьшения расходимости лазерного пучка, близка к афокальной системе, расфокусированной на величину

Лазерный пучок, преобразованный первым компонентом, следует рассматривать как пучок пространства предметов по отношению ко второму компоненту, т. е. Тогда согласно формуле (468) при имеем:

Следовательно, угловое увеличение двухкомпонентной системы с учетом формул (471), (473) и (474) будет равно:

При имеем афокальную систему, угловое увеличение которой определяется известной зависимостью:

Так как выражение под знаком радикала формулы (475) всегда меньше единицы, то из сравнения формул (475) и (476) следует, что угловое увеличение, а значит, и расходимость лазерного

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 конфокальный параметр и диаметр перетяжки из конструктивных или габаритных условий задаемся положением перетяжки относительно переднего фокуса первого компонента. Согласно условию (469) по формуле (463) определяем диаметр первого компонента. Выбираем фокусное расстояние первого компонента из условия, чтобы его относительное отверстие имело значение, при котором не возникают значительные трудности аберрационной коррекции системы.

По формуле (472) находим оптический интервал по формуле (473) — конфокальный параметр лазерного пучка, преобразованного первым компонентом Зная по техническим условиям необходимую угловую расходимость на выходе системы, по формуле (471) устанавливаем угловое увеличение системы и согласно формуле (475) вычисляем фокусное расстояние второго (положительного) компонента:

Диаметр второго компонента определяется согласно условию (469) по формуле (481) с использованием эквивалентного конфокального параметра

В заключение отметим, что расчет оптических систем для согласования параметров лазерного пучка с последующими оптическими элементами аналогичен расчету рассмотренных выше оптических систем, предназначенных для концентрации излучения лазера или для уменьшения расходимости лазерного пучка.