Коллимация лазерного излучения

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:

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:

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.

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.