Диафрагмы, использующиеся в лазерных установках с целью фильтрации лазерного луча и отсеивания всех гармоник, кроме первой

№99-1,

технические науки

В работе присутствует введение и ознакомление с проблемой, требующей решения. А также план изготовления диафрагм с требуемым диаметром.

Похожие материалы

Введение

Полупроводниковые лазеры применяются в широком классе прикладных задач в области лазерных технологий. Эти лазеры имеют небольшие размеры, излучают в широком спектральном диапазоне, эффективно преобразуют электрическую мощность в оптическую с КПД более чем 25%, при этом потребляют низкую мощность, которую может обеспечить электрическая батарейка; у них довольно легко модулируется излучение, причем в диапазоне до высоких частот, порядка гигагерц (ГГц), и это делается без внешних устройств. Все эти достоинства делают полупроводниковые лазеры поистине идеальным источником когерентного излучения для выполнения разнообразных научных и технологических задач.

Однако полупроводниковые лазеры имеют и недостатки, к числу которых относятся большая и неравномерная расходимость выходного пучка, а также нерегулярный характер распределения интенсивности. К тому же все еще встречается немало лазеров с сильным астигматизмом. Поэтому сейчас большое внимание уделяют созданию схем исправления пространственных характеристик излучения этих лазеров.

Для расширения лазерных пучков применяют телескопы, с чем связано уменьшение дивергенции излучения. Это важно, например, при передаче лазерного излучения на большие расстояния без использования стекловолокон.

Для расширения лазерного пучка и уменьшения его расходимости применяются телескопические системы, которые преобразуют параллельные пучки лучей, входящие в систему, также в параллельные пучки лучей на выходе из нее. Телескопическая система должна состоять как минимум из двух компонентов: объектива и окуляра. Чтобы обеспечить условия параллельности лучей в пучке, необходимо совместить задний фокус объектива с передним фокусом окуляра. Оптическая длина такой системы равна сумме фокусных расстояний объектива и окуляра. Основные оптические характеристики телескопической системы — угловое поле зрения, диаметр выходного зрачка и видимое увеличение, определяемое как отношение диаметра сечения пучков на выходе к диаметру на входе.

Телескоп Кеплера

Коллимационный телескоп, действующий по принципу Кеплера, состоит из объективной линзы с фокусировкой f2 и имеющей более короткое фокусное расстояние f1 второй линзы, которую в стандартных телескопах называют окуляром. Фокусные расстояния обеих линз совпадают, когда телескоп настроен на бесконечность. У параллельно падающего лазерного луча диаметр d увеличивается до D, причем, согласно геометрической оптике, имеет силу:

\frac{D}{d}=\frac{f_2}{f_1}

Зрительная труба Галилея

Геометрический ход лучей в телескопе Кеплера и зрительной трубе Галилея
Рисунок 1. Геометрический ход лучей в телескопе Кеплера и зрительной трубе Галилея


У расширителя пучка по Кеплеру излучение фокусируется первой линзой. В случае высокомощных лазеров это может привести к электрическому пробою в воздухе. В этом смысле расширитель, действующий по принципу Галилея, представляется более целесообразным. Здесь линза 1 (см. Рисунок 1) выбирается как рассеивающая линза с отрицательным фокусным расстоянием. Можно сделать так, чтобы, как у Кеплера, оба фокусных расстояния совпадали.

Фильтры пространственных частот.

Распределения напряженности поля лазерного луча нередко выражаются не через идеальный гауссов профиль, а на основе наложения помех. Причиной помех могут стать, например, пыль или царапины в оптических системах. «Очистка» подобного лазерного луча производится иногда с помощью так называемого фильтра пространственных частот. При таком фильтре лазерный луч фокусируется линзой или объективом. Параллельно падающее излучение, которое соответствует гауссову пучку большого диаметра, фокусируется в фокальной плоскости. В фокус помещают точечную диафрагму, отверстие которой несколько больше диаметра пятна. При этом Гауссов пучок беспрепятственно проходит через диафрагму. Световые волны, образующиеся, например, в результате рассеяния пыли, распространяются с отклонением от Гауссова пучка сферически вокруг центра рассеяния. Это приводит к тому, что за линзой рассеянные волны не проникают сквозь точечную диафрагму. В результате паразитные волны пространственно отделяются от Гауссова пучка и диафрагмируются. Фильтр пространственных частот нередко комбинируется с расширителем пучка.

Более точное описание фильтра пространственных частот можно дать с помощью известного Фурье-преобразования. В фокальной плоскости линзы 1 (см. Рисунок 2) образуется спектр Фурье, или спектр пространственных частот профиля падающего луча. Высокие пространственные частоты находятся сбоку от оси и, следовательно, диафрагмируются. Поэтому показанный на рисунке фильтр пространственных частот называют еще фильтром нижних частот, поскольку здесь могут проходить низкие пространственные частоты.

Принцип действия фильтра пространственных частот
Рисунок 2. Принцип действия фильтра пространственных частот

Расчет диафрагмы

Диаметр d точечной диафрагмы в любом случае должен быть больше шейки идеального Гауссова пучка в фокальной плоскости:

d>\frac{2f \lambda }{ \pi \omega }

где ω — радиус падающего луча.

С другой стороны, диаметр d все же не может быть слишком большим, чтобы побочные максимумы не проходили сквозь диафрагму. Это тот случай, когда d меньше диаметра так называемой первой зоны Френеля:

d< \sqrt{f \lambda }

На основе этого запишем двойное неравенство:

\frac{2f \lambda }{ \pi \omega }<d< \sqrt{f \lambda }

Подставим числовые данные:

f = 1...2 см

λ = 0,53 ... 0,64 м

\frac{2\cdot 10\cdot 0,53\cdot 10^{-3}}{2\pi}<d<2\sqrt{(10\cdot 0,53\cdot 10^{-3})}

1,69\cdot 10^{-3}<d<145,6\cdot 10^{-3}

[d] = [мм]

Таким образом, диаметр попадает в пределы от 1,69 мкм до 145,6 мкм.

На практике d выбирают значительно больше, чем нижняя граница, чтобы тем самым облегчить юстировку. Типовые значения для фильтра пространственных частот в голографии находятся на уровне d=40 мкм, причем в качестве первой линзы предпочитается, например, объектив микроскопа с f=4 мм.

План работы, целью которой является изготовление диафрагм:

  1. Необходимые средства и цели
  2. Способы создания диафрагмы
    • прожигание лазером
    • с помощью иглы
  3. Инструмент для создания диафрагмы
    • игла стеклянная
    • игла стальная
  4. Способы обработки стального инструмента
    • химический
    • механический
  5. Механизм для опускания иглы
  6. Подставка для материала диафрагмы при работе на механизме опускания иглы
  7. Измерение диафрагм на электронном микроскопе
  8. Описание процесса создания диафрагмы заданного диаметра

Задача - создание комплекта диафрагм разного диаметра и из различных материалов для последующего их использования в лазерных установках с целью фильтрации лазерного луча и отсеивании всех гармоник, кроме первой.

Необходимые материалы и приборы: набор игл для бисера, точильный водный камень зернистостью 5000-6000, фольга разных видов, электронный микроскоп, объект-микрометр, моторчик постоянного тока или ручная дрелька и другие подручные средства.

Как же сделать диафрагму, и какой материал для этого пригоден?


Для создания диафрагмы нужен достаточно плотный и непрозрачный материал. Вполне подойдёт медная, алюминиевая или любая другая фольга. Диафрагма представляет собой отверстие очень маленького диаметра, через которое проходит свет определённого направления. Создать её можно несколькими способами. Первый способ — прожигание отверстия лазером. Второй — прокол фольги стеклянной или стальной иглой. На втором способе остановимся более подробно.

Микроигла — это стеклянная игла, применяемая в микрохирургии. Для ее изготовления необходимо иметь микрогорелку, так называют газовую или спиртовую горелку, дающую пламя высотой в 1-2 мм. Для изготовления микроигл лучше всего использовать трубки от термометров, но можно также обычные лабораторные трубки или стеклянные палочки. Все манипуляции показаны на рисунке.

Разновидности игл
Рисунок 3. Разновидности игл

Создание стеклянной иглы в условиях лаборатории физики достаточно трудоемкий процесс и даже практически невозможный, поэтому целесообразно использовать заранее приготовленные стальные иглы для бисера. Не заточенной иглой возможно создание отверстие порядка 80 мкм (при этом качество будет оставлять лучшего). Однако чтобы добиться получения идеально круглого отверстия меньшего диаметра, необходимо иглу заточить.

Для заточки иглы также существует несколько способов. Мы можем сделать это химическим способом и механическим. Для химической заточки в короткую пробирку, закрепленную в штативе над спиртовкой, наливают 3—5 мл концентрированной азотной кислоты и нагревают ее до кипения. Работы проводят в вытяжном шкафу. Зажав держатель иглы длинным пинцетом, опускают острие ее 50—70 раз в кипящую азотную кислоту, не дотрагиваясь кончиком до дна пробирки. При этом поверхность иглы покрывается слоем окислов черного цвета. Их удаляют, опуская иглу 2—3 раза в пробирку с концентрированной соляной кислотой комнатной температуры. Поверхность иглы становится гладкой и блестящей. Кончики приготовленных таким способом игл в несколько раз тоньше концов швейных игл.

Более безопасным и доступным для способом является механическая обработка иглы, то есть её заточка на точильном камне. При ручной заточке неопытному человеку получить круг в сечении практически невозможно. Поэтому стоит создать механизм для заточки. Это может быть небольшой моторчик или дрелька, которые вращаются с постоянной скоростью. Важно, чтобы игла крепко удерживалась в захвате и вращалась без прецессии (наклон наблюдается при расшатанном креплении цангового зажима). Подготовив к работе водный камень зернистостью 5000-6000 и установив его в фиксированное положение, можно наточить иглу. Для этого лучше всего сам моторчик с иглой или дрельку ограничить одной подвижностью, а именно угловым перемещением относительно горизонтальной плоскости. Так можно избежать нежелательного скольжения иглы по поверхности камня, она будет оставаться на месте и совершать лишь вращательные движения вокруг собственной оси, при этом хорошо натачиваясь. Дрельку нужно закреплять немного выше верхней поверхности камня так, чтобы при опускании в нижнее положение игла касалась точильной поверхности под малым острым углом. Только так можно получить тонкую и ровную иглу. Стоит проверить качество выполнения заточки на электронном микроскопе.

После окончания работы с иглой необходимо создать механизм для её плавного опускания в материал диафрагмы и материал подставки. Логично, что под фольгой должен быть некий материал, в который будет проникать игла. Она не должна затупиться при первом же опускании и тем более не должна сломаться. Это означает, что материал подставки должен быть определенно менее жестким, чем материал самой иглы, упругим и немного вязким.

Саму установку для опускания иглы можно сделать, например, из частей старых микроскопов. Большие перемещения не нужны, а вот микроперемещения предметного столика вполне подойдут для создания диафрагмы. С помощью переходников, винтов, проволоки и других подручных средств необходимо установить держатель с иглой в корпус механизма и закрепить. Далее можно приступать к созданию комплекта диафрагм.

Чтобы создать диафрагму определенно заданного диаметра следует придерживаться следующего алгоритма действий:

  1. Проводим пробное опускание иглы
  2. Измеряем диаметр полученного отверстия на электронном микроскопе
  3. Оцениваем размеры: получились ли они больше желаемых или меньше.
  4. Если отверстие слишком большое, опускаем иглу на меньшее расстояние. Если отверстие слишком маленькое, опускаем иглу на большее расстояние.
  5. Повторяем попытки до того момента, пока не получим диафрагму нужных размеров.

Таким образом, можно создать комплект диафрагм различных диаметров. Однако процесс их измерения достаточно трудоемкий. Для начала необходимо взять калибровочный лист со шкалой, цена деления которой 10 мкм. Положив его на предметный столик и включив в сеть микроскоп, необходимо настроить резкость изображения (мы должны видеть в окуляре две перпендикулярные линейки со штрихами). Далее прикладываем лист фольги к стеклышку и ищем проделанное ранее отверстие. Обнаружив светлое пятно в поле зрения, перемещаем его к шкале и считаем количество штрихов, укладывающихся в диаметр отверстия. При этом отмечаем, насколько правильной формы получилась диафрагма.

Результаты выносим на листки бумаги, которые сворачиваем в виде конвертиков. Кладем каждую диафрагму в отдельный бумажный конвертик, а затем складываем их в небольшую коробочку, отсортировав по размеру и форме. Комплект диафрагм готов.

Замечание

При работе с микроскопом быстро устают глаза. Шкала мелкая, так что количество штрихов, укладывающихся в отверстии, сосчитать сложно. Поэтому гораздо удобнее работать с камерой. Сделав фото, не составит труда определить размер отверстия на экране монитора. Ниже прикреплен кадр, сделанный на камеру через микроскоп (см. Рисунок 4).

Определение размера отверстия с помощью камеры через микроскоп
Рисунок 4. Определение размера отверстия с помощью камеры через микроскоп

Список литературы

  1. Информационный ресурс Зооинженерного факультета МСХА. Режим доступа: http://www.activestudy.info/; (Дата обращения 16.02.2019).
  2. Ю.Н.Самарин, канд. техн. наук, профессор МГУП. Принципы построения, основные характеристики и классификация лазерных выводных устройств.
  3. Ю.Н. Самарин, канд. техн. наук, профессор МГУП. Технологические процессы автоматизированных устройств.
  4. Теория оптических систем: Учебник для студентов приборостроительных специальностей вузов/Н. П. Заказнов, С. И. Кирюшин, В. Н. Кузичев.— 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1992. — 448 с.
  5. Бабич А.Е., Абакумов А.В., Консультант: Буглак Н.А. Основные аспекты физической и геометрической оптики.
  6. Микроскопическая техника: Роскин Г.И., Левинсон Л.Б. Микроскопическая техника — М.: Советская наука, 1957. — 469 c.