Юстировка оптических систем лазеров

Отчёт

По лабораторной работе №1

«Юстировка оптических систем лазеров»

Выполнили ст. гр. 6862: Кожухина Е.Н.

Рогова Т.Е.

Сотникова Ю.С.

Фёдорова Н.А.

Проверил преподаватель: Е.Н. Леонтьев 
 
 

Санкт-Петербург

2010г. 

Цель  работы:  Изучение методов и освоение техники юстировки оптических систем лазеров. 

Общие сведения: Под юстировкой понимают определённую последовательность операций  установки, ориентации и закрепления элементов оптических систем лазеров, в результате чего ось активного элемента выставляется перпендикулярно поверхности зеркал и совпадает с оптической осью резонатора. Такое взаимное расположение оптических элементов обеспечивает обратную оптическую связь с минимальными потерями для генерируемого излучения.

  Пространственные, энергетические и электрические  характеристики лазерного излучения  весьма чувствительны к разъюстировке.  В результате разъюстировки оптических  элементов лазеров на углы, превышающие пороговый уровень (оптический угол разъюстировки), происходит срыв лазерной генерации. Поэтому для поддержания параметров лазерного излучения в заданных пределах возникает необходимость в систематическом контроле, юстировке и настройке оптических систем.

  Настройка  сама по себе не может с  высокой точностью обеспечить  получение требуемых параметров  лазерного излучения. Поэтому  по окончании юстировки дальнейшая  корректировка положения зеркал  резонатора осуществляется в  работающем лазере по максимуму мощности излучения при заданной картине поля в дальней зоне или по наблюдению распределения излучения в поперечном сечении.

  Наиболее  распространёнными методами юстировки  лазеров являются автоколлимационный  и интерференционный, а так  же метод оптического рычага.

Метод оптического  рычага: Упрощённая схема юстировки методом оптического рычага

                                                      Рис.1 

(юстировка оптической  системы по бликам на экране  с отверстием) представлена на  рис.1, где введены следующие обозначения: 1 – вспомогательный гелий-неоновый лазер; 2 - экран с отверстием; 3, 5 – зеркала резонатора; 4 – активный элемент.

  Излучение  вспомогательного лазера через  небольшое отверстие в экране  направляется в резонатор юстируемого лазера. После отражения от разъюстированных зеркал и торца активного элемента лазерный луч возвращается к экрану под углом к оси резонатора, и на экране наблюдается ряд световых пятен (бликов); напротив, если ось луча совмещена с осью активного элемента, световое пятно образуется вокруг отверстия в экране, когда все блики совмещены с отверстием. Таким образом, критерием правильности юстировки является исчезновение лазерных бликов с экрана.

  Точность  установки элементов оптической системы зависит от параметров излучения вспомогательного лазера и от расстояния между юстируемыми поверхностями.

Автоколлимационный  метод: Автоколлимационный метод заключается в последовательном совмещении отражения изображения перекрестья автоколлимационной сетки с отражённым изображением перекрестья окуляра. Оптическая схема автоколлиматора представлена на рис.2, где приняты следующие обозначения:                   1 – поверхность юстируемого элемента; 2 – объектив; 3 – электрическая лампочка;             4 – конденсор; 5 – автоколлимационная сетка; 6 – призма-куб, склеенная из двух прямоугольных призм; 7 – стеклянная пластина с нанесённым перекрестием окуляра;         8 – окуляр.

                                                   Рис.2 

Как следует  из рисунка, свет от лампочки 3 попадает на конденсор 4, обеспечивающий равномерное освещение сетки 5. Автоколлимационная сетка представляет собой двухкоординатную шкалу с делениями, выполняемую обычно в виде пересекающихся прозрачных линий в непрозрачном экране. Через прорези сетки лучи света проходят объектив 2 и освещают отражающую поверхность 1, отражаясь от которой они через призму 6 и пластину 7 направляются к окуляру 8. при совмещении фокальных областей объектива и окуляра с плоскостью перекрестия окуляра можно наблюдать отчётливое изображение сетки 5 и перекрестья окуляра 7. Если юстируемая поверхность перпендикулярна оптической оси объектива, то перекрестья сетки и окуляра совпадут. Высокая точность юстировки с помощью автоколлиматора обеспечивается тем, что совмещение направлений прямого и отражённого лучей визируется по совмещению тонких линий метки оси коллиматора и изображения шкалы, которые наблюдаются через окуляр с увеличением. При повороте юстируемого элемента на угол ά отражённые от его поверхности лучи отклоняются на угол 2ά.

  Минимальная  погрешность измерения ориентации  юстируемой поверхности определяется  значением предельного угла разрешения , где ά_гл=60’’- разрешающая сила глаза; f_ок –фокусное расстояние окуляра; f_об – фокусное расстояние объектива.

  С помощью  автоколлиматора юстировку оптической  системы лазера можно осуществить  методом трёх меток и методом “на просвет”.

  Первый метод заключается в том, что выходное зеркало снимается, а оптическая ось автоколлиматора выставляется перпендикулярно плоскости торца активного элемента. Затем снимается активный элемент и перпендикулярно оптической оси автоколлиматора ставится (помещается) непрозрачное зеркало резонатора. После этого устанавливается активный элемент и проверяется его ориентация. Если она не изменилась, то на выходное зеркало ставиться на место и юстируется. В процессе реализации рассматриваемого метода наблюдатель последовательно совмещает отражённые от трёх поверхностей изображения автоколлимационной сетки с перекрестием окуляра.

  При юстировке по методу ”на просвет” все оптические элементы остаются на своих местах, что способствует повышению её оперативности. Излучение автоколлиматора , частично отражаясь, проходит выходное зеркало и активный элемент к непрозрачному зеркалу. Оптическая система считается съюстированной, если изображения автоколлимационной сетки, отражённые от зеркала и торца активного элемента, совпадают. Этим методом можно юстировать лазеры только с достаточно прозрачными и однородными активными элементами, например, неодимовый стеклянный лазер. При юстировке рубинового лазера изображение автоколлимационной сетки, отражённое от непрозрачного зеркала, из-за неоднородности рубина сильно размывается и совместить его с остальными изображениями достаточно сложно.

  Интерференционный метод: Интерференционный метод юстировки, как и метод оптического рычага, основан на использовании вспомогательного лазера с малой угловой расходимостью излучения.

                                            Рис.3 

  На рис.3 обозначены: 1- лазер; 2 – экран с отверстием; 3 – линза; 4 и 6 – зеркала резонатора; 5 – активный элемент. Но в отличие от рис.1 в схему юстировки между экраном 2 и резонатором вводится слаборассеивающая линза или между лазером 1 и экраном устанавливается собирающая линза, фокусирующая излучение лазера на отверстие в экране. Этим обеспечивается заполнение светом всей апертуры резонатора. Лазерные лучи, отражённые от плоских поверхностей оптических элементов, при наложении в съюстированной системе создают на экране интерференционную картину в виде концентрических колец, центрированных относительно отверстия в экране. В случае разъюстировки центр интерференционной картины смещается от центра отверстия на расстояние, пропорциональное углу между отражающими поверхностями. До начала юстировки интерференционным методом оптическая схема лазера юстируется по бликам на экране в отсутствие линзы.

  Вывод:  Самый точный - автоколлимационный метод, потом по точности идут: интерференционный метод и метод оптического рычага соответственно.