Под коллимацией понимается уменьшение расходимости собствен-но пучка лазерного излучения. Чтобы уменьшить естественную рас-ходимость лазерного излучения, необходимо его преобразовать таким образом, чтобы коллимированный пучок характеризовался большим значением конфокального параметра (2.4). Эту задачу можно решить двумя способами. Первое решение заключается в том, что некоторый оптический компонент располагается на таком расстоянии от перетяж-ки пучка лазера, чтобы размер пучка в плоскости установки компонента достиг размера, которым должна обладать перетяжка (а следовательно,
и конфокальной параметр) сколлимированного пучка. Выбирая фокус-ное расстояние этого компонента равным радиусу кривизны волнового
фронта пучка, падающего на компонент, мы получим в плоскости ком-понента плоский фронт, а значит и перетяжку нужного размера.
Второе решение заключается в использовании свойства линзы ото-бражать в фокальной плоскости дальнюю зону падающего на нее пучка. Меняя ход лучей на обратный, можно сказать, что фокальная плоскость линзы отображается в бесконечности, поэтому расходимость пучка за линзой определяется как:
| = | D Φ | . | (2.14) | |
| f ′ |
Поэтому для получения заданной расходимости необходимо распо-ложить перетяжку лазерного пучка в фокальной плоскости компонента,
а фокусное расстояние компонента выбрать в соответствии с (2.14). Не-трудно показать на конкретных примерах, что в обоих случаях нужно иметь компоненты с большим фокусным расстоянием и располагать их на значительном расстоянии от лазера.
Размеры коллимирующей системы можно сильно уменьшить, ис-пользуя два компонента. С помощью первого компонента получают пу-чок с возможно меньшей величиной перетяжки. Так как расходимость этого пучка сильно увеличивается, то необходимый размер теперь до-стигается на значительно меньшем расстоянии от перетяжки сфоку-сированного пучка. Фокусное расстояние второго компонента должно быть равно радиусу кривизны волнового фронта пучка, падающего на второй компонент. Из (2.6) следует, что:
| ′ | |||||
| f 2′=− d 2 | 1+ | R Ý1 | , | ||
| 4 d 2 |
где d 2 – расстояние от второго компонента до перетяжки пучка, образо-
ванного первым компонентом; R ′1 – конфокальный параметр пучка за
Ý
первым (перед вторым) компонентом.
Расходимость пучка за вторым компонентом в этом случае будет определяться как Θ′2 = π W λ02, где W 02 – размер пятна (перетяжки) в пло-
скости второго компонента. Если рассуждать исходя из второго спосо-ба, то второй компонент должен иметь фокусное расстояние f 2′ =− d 2, а
расходимость пучка за ним можно найти как Θ′ =2 W ′. Практически
2 f 2′
оба значения f 2′ и Θ′2 совпадают между собой, и в дальнейшем мы будем пользоваться вторым способом как более удобным для расчета.
Следовательно, коллимирующая оптическая система представляет собой двухкомпонентную систему. Задача первого компонента – фоку-сирование, и выбор параметров первого компонента осуществляется так, как было рассмотрено ранее. В коллимирующей системе первый компонент может быть как положительным, так и отрицательным (мни-мая перетяжка рассматривается как действительная). Применение от-рицательного компонента предпочтительнее по следующим причинам: уменьшаются габариты системы, легче исправляются аберрации, ис-ключается появление пятна очень маленького размера с большей плот-ностью мощности. Второй компонент должен быть длиннофокусным,
и чем больше фокусное расстояние, тем меньше расходимость колли-мированного пучка.
Коллимирующая двухкомпонентная оптическая система напомина-
ет телескопическую, а в некоторых случаях (при d 1 = f 1′) полностью с ней совпадает. Пользуясь свойством линзы отображать в фокальной плоскости дальнюю зону пучка, легко показать, что увеличение теле-скопической системы для лазерного пучка совпадает с увеличением в обычном смысле, т.е.
| γ Ë = ÃT = | f 1′ | = | Θ′2 | = | W 0ËÀÇ | , | ||||||||||||
| ′ | ||||||||||||||||||
| ΘËÀÇ | ′ | |||||||||||||||||
| f 2 | W 02 | |||||||||||||||||
| где ΘЛАЗ, W 0ЛАЗ | ′ | ′ | ||||||||||||||||
| расходимость и размер перетяжки пучка лазера; Θ2 | , W 02 | |||||||||||||||||
| – расходимость и размер перетяжки коллимированного пучка. | ||||||||||||||||||
| Действительно, так как W 01 = | , | а Θ 2 = | ′ | , | то | ′ | = | ′ | ||||||||||
| ΘËÀÇ | W 01 | Θ2 | f 1 | . | ||||||||||||||
| ′ | ′ | |||||||||||||||||
| f 1′ | f 2′ | ΘËÀÇ | f 2′ |
Действие телескопической системы не зависит от расстояния между лазером и первым компонентом системы, так как размер пятна
в совмещенных фокальных плоскостях компонентов будет оставаться неизменным при изменении этого расстояния (он определяется расхо-димостью лазерного пучка).
Увеличение двухкомпонентной оптической системы, отличной от телескопической, можно сделать меньше (т.е. сколлимировать пучок сильнее) за счет увеличения расстояния между лазером и оптической системой. Действительно, при увеличении d 1 уменьшается размер пере-
тяжки W ′ (2.9), (2.3). Изменяя положение второго компонента относи-
тельно первого таким образом, чтобы перетяжка W ′ располагалась в
его фокальной плоскости, можно уменьшить расходимость выходного пучка. Такие коллимирующие оптические системы принято называть
квазителескопическими.