Оптические элементы

К оптическим элементам аппаратуры управления направлением излучения в первую очередь относятся линзы, зеркала и призмы.

¹² http://ours-nature.ni/lib/b/book/3404227650/25

Рис. 7.7. Внешний вид телескопов

Линза - деталь из прозрачного однородного материала, ограниченная двумя полированными преломляющими поверхностями вращения, например, сферическими или плоской и сферической. В качестве материала линз обычно используются оптические материалы, например, оптические стёкла, кристаллы, оптически прозрачные пластмассы.

В зависимости от форм различают собирающие (положительные) и рассеивающие (отрицательные) линзы (рис. 7.8). К группе собирательных линз обычно относят линзы, у которых середина толще их краёв, а к группе рассеивающих - линзы, края которых толще середины. Отметит, что это условие справедливо для случая, когда показатель преломления у материала линзы больше, чем у окружающей среды.

Рис. 7.8. Собирающие и рассеивающие линзы: 1 - двояковыпуклая; 2 - плоско- выпуклая; 3 — вогнуто-выпуклая (положительный (выпуклый) мениск); 4 - двояковогнутая; 5 - плоско-вогнутая; 6 — выпукло-вогнутая (отрицательный (вогнутый) мениск)

Отличительным свойством собирательной линзы является способность собирать падающие на её поверхность лучи в одной точке, расположенной по другую сторону линзы (рис. 7.9).

Рис. 7.9. Свойство собирательной линзы

Основные элементы собирательной линзы:

• — оптическая ось NN - прямая линия, проходящая через центры сферических поверхностей, ограничивающих линзу;
• - оптический центр О — точка, которая у двояковыпуклых или двояковогнутых (с одинаковыми радиусами поверхностей) линз находится на оптической оси внутри линзы (в её центре).

Если на некотором расстоянии перед собирательной линзой поместить светящуюся точку S, то луч света, направленный по оси, пройдёт через линзу, не преломившись, а лучи, проходящие не через центр, будут преломляться в сторону оптической оси и пересекутся на ней в некоторой точке F, которая и будет изображением точки S. Эта точка носит название сопряжённого фокуса, или просто фокуса.

Если линзой принимается излучение от очень удалённого источника, лучи которого можно представить идущими параллельным лучом, то по выходе из линзы лучи испытают большее преломление. При этом точка F переместится на оптической оси ближе к линзе. При данных условиях точка пересечения лучей, вышедших из линзы, называется фокусом F’, а расстояние от центра линзы до фокуса — фокусным расстоянием.

Лучи, падающие на рассеивающую линзу, по выходе из неё будут преломляться в сторону краёв линзы, т. е. рассеиваться (рис. 7.10).

Если эти лучи продолжить в обратном направлении так, как показано на рис. 7.10 пунктирной линией, то они сойдутся в одной точке F, которая и будет фокусом этой линзы. Этот фокус будет мнимым.

Сказанное о фокусе на оптической оси в равной степени относится и к тем случаям, когда изображение точки находится на наклонной линии, проходящей через центр линзы под углом к оптической оси. Плоскость, перпендикулярная оптической оси, расположенная в фокусе линзы, называется фокальной плоскостью.

Собирательные линзы могут быть направлены к предмету любой стороной, вследствие чего лучи по прохождении через линзу могут собираться как с одной, так и с другой её стороны. Таким образом, линза имеет два фокуса — передний и задний. Расположены они на оптической оси по обе стороны линзы на фокусном расстоянии от главных точек линзы.

Рис. 7.10. Свойство рассеивающей линзы

Сферическим зеркалам присуща сферическая аберрация: вместо схождения в одной точке лучи от удалённого источника излучения образуют изображение в виде кружка рассеяния. Линзы имеют ряд других аберраций (таких, например, как кома, астигматизм, искривление поля изображения, дисторсия изображения). В лазерных системах, обладающих очень узкой спектральной полосой, хроматическая аберрация, зависящая от длины волны, не имеет существенного значения.

Зеркало - гладкая поверхность, предназначенная для отражения оптического излучения (например, плоское зеркало).

Пусть луч света падает на идеальную плоскую зеркальную поверхность, полностью отражающую весь падающий на него свет, под некоторым углом к нормали (перпендикуляру), проведённой к поверхности в точке падения луча на зеркало. Тогда отражённый луч будет лежать в плоскости, образованной падающим лучом и нормалью к поверхности, а угол, образованный отражённым лучом и нормалью, будет равен углу падения. Луч, падающий на зеркало под прямым углом к плоскости зеркала, отразится сам в себя.

Для простейшего плоского зеркала изображение будет расположено за зеркалом симметрично предмету относительно плоскости зеркала, оно будет мнимым, прямым и такого же размера, как сам предмет.

Используемые в оптических системах зеркала имеют различные формы и размеры (плоские, сферические, параболические и т. д.). Значительная часть источников света требует применения зеркал для формирования оптимального светового потока.

Наиболее часто используются параболические зеркала, позволяющие создать пучок параллельных лучей. Устройство для получения параллельных пучков лучей света называется коллиматором.

Призма — оптический элемент из прозрачного материала (например, оптического стекла) в форме геометрического тела — призмы, имеющей плоские полированные грани, через которые входит и выходит оптическое излучение.

Призма с углом отклонения луча <р_пр, равным сумме отклонений (р_ир1 и <р_ир2 на каждой поверхности призмы, показана на рис. 7.11.

Рис. 7.11. Отклонение лазерного луча с помощью призмы

Угол отклонения сильно зависит от угла падения луча. Поэтому призмой можно произвести спектральное разложение излучения (рис. 7.12). Действительно, показатель преломления является функцией от длины волны оптического излучения и возрастает с её уменьшением. Как следствие, углы, под которыми выходят из призмы оптические лучи, соответствующие разным длинам волн, отличаются друг от друга при одинаковом для всех угле падения.

Рис. 7.12. Спектральное разложение излучения с помощью призмы 7.3. Дефлекторы

Дефлектором называется устройство, предназначенное для изменения по заданному закону направления распространения оптического излучения (оптического луча) в пространстве.

Дефлекторы осуществляют как непрерывное, так и дискретное сканирование лазерного луча. Аналоговые дефлекторы осуществляют последовательное сканирование пространства, при котором перемещение лазерного луча образует непрерывную траекторию. Дискретные дефлекторы, напротив, изменяют направление оптического излучения скачкообразно в соответствии с управляющим сигналом, обеспечивая дискретное сканирование пространства.

По принципу действия дефлекторы разделяются на механические и оптоэлектронные. Механические дефлекторы изменяют направление лазерного луча посредством углового перемещения оптических элементов (зеркал, призм). В оптоэлектронных дефлекторах управление лучом основано на использовании физических эффектов, протекающих в конденсированных средах при воздействии на них электрического, акустического и других полей.

Наиболее простой метод отклонения лазерного луча - механический, основанный на использовании поворотных либо вращающихся зеркал (зеркальных барабанов). Однако наличие перемещающихся элементов накладывает ограничения на быстродействие и надёжность устройств.

В настоящее время разрабатываются методы управления лазерным лучом в пространстве на основе электрооптического и акустического эффектов. Работа электрооптического дефлектора основана на изменении оптических свойств среды, помещённой в электрическое поле (эффекты Керра и Поккельса). Акустооптические дефлекторы используют для управления отклонением лазерного луча в пространстве явление дифракции (или рефракции) света на ультразвуке. Наибольшим быстродействием и точностью управления лазерным лучом обладают электрооптические дискретные дефлекторы света. Однако они значительно уступают акустооптическим дефлекторам в эффективности.

Рассмотрим оптическую схему электрооптического дефлектора (рис. 7.13), позволяющего за 1 мкс менять положение в пространстве лазерного луча при сохранении его направления. Стрелками показаны световые лучи. Ячейки Поккельса 1 и 3 при подаче на них электрического напряжения поворачивают плоскость поляризации луча на 90°. Для этого направление поля в обеих ячейках должно быть ориентировано под углом 45° к направлению поляризации исходного лазерного луча. Ориентация двулучепреломляющих кристаллов 2 и 4 (например, СаСОз) такова, что исходный луч является для них обыкновенным лучом (поляризован перпендикулярно к плоскости главного сечения кристаллов).

Пусть обе ячейки выключены (напряжение не подано). Лазерный луч, проходя через кристаллы 2 и 4, не отклоняется, являясь для них обыкновенным лучом. Из дефлектора луч выходит в направлении А. Пусть обе ячейки включены. Теперь при прохождении ячейки 1 плоскость поляризации луча поворачивается на 90°, он становится для кристалла 2 необыкновенным лучом и отклоняется в нём. После поворота плоскости поляризации в ячейке 3 луч подходит к кристаллу 4 как обыкновенный и в нём не отклоняется. В итоге из дефлектора луч выходит в направлении Б. Если же выключить ячейку 1, но включить ячейку 3, то лазерный луч выйдет из дефлектора в направлении В. Наконец, при включении ячейки 1 и выключении ячейки 3 реализуется в направлении луча Г.

Рис. 7.13. Оптическая схема электрооптического дефлектора дискретного действия

К наиболее важным параметрам дефлектора относятся разрешающая способность, скорость сканирования и эффективность отклонения [48].

Разрешающая способность дефлектора Л/_деф определяется количеством разрешаемых элементов в пределах угла сканирования и равна отношению полного угла сканирования <р_скан к угловой расходимости лазерного луча а_луч:

Максимальная разрешающая способность дефлектора достигается при расходимости лазерного луча, равной дифракционному пределу и отсутствии аберраций оптической системы (искажений из-за неидеальности оптической системы).

Скорость сканирования дефлектора определяется временем, необходимым для отклонения луча из одного крайнего углового положения в другое.

Качество дефлектора характеризуется эффективностью отклонения луча лазера Q_{()TK |}. Эффективность связана с потерями излучения в дефлекторе и определяется отношением мощности Р₀пт.вых отклонённого луча к мощности оптического излучения Р_{опт вх} ^на вход дефлектора:

Оптоэлектронные дефлекторы могут осуществлять отклонение лазерного луча как по одной, так и по двум координатам. В последнем случае используют два скрещенных однокоординатных дефлектора.