Лазерная техника и технологии

Московский Государственный Технический Университет имени Н. Э. Баумана

 

Кафедра МТ-12

Лазерная техника и технологии

 

ФОКУСИРУЮЩИЕ СИСТЕМЫ ЛТУ

Лекционный курс за 8^ой семестр

Преподаватель Богданов А.В.

Лекции

Студента группы МТ-12-81

________________________

4.8. ПОТЕРИ СВЕТА В ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ.

 

Прохождение световых потоков через оптические системы связано со световыми потерями. Световые потери слагаются из потерь на отражение при преломлении на полированных поверхностях оптических деталях и потерь на поглощение при прохождении светом толщины материала оптического элемента.

Потери на отражение от преломляющих поверхностей определяются коэффициентом отражения:

 

Углы i и i' связаны законом преломления n sin i = n'sin i'

Наибольшие потери происходят на поверхности раздела, когда одна из сред является воздухом, и наименьшее, когда смежные среды имеют близкие значения показателей преломления. Это имеет место в сменных линзах.

Для случая воздух-стекло формула (4.116) дает следующие значения коэффициента отражения при разных углах падения:

n =1 n' =1.63

 

I	00	300	450	600	800	850	900
100×R	5.7	5.9	6.8	10.9	40.4

 

В реальных оптических системах углы падения редко превышают 45⁰ градусов.

Наиболее интересен частный случай когда i = i'. Это соответствует нормальному падению излучения на поверхность материала. Формула Френеля упрощается и принимает вид

 

При n = 1, n' = 1.63, R= 0.057, при n = 1, n' = 1.5, R= 0.04.

Если система имеет N поверхностей, граничащих с воздухом, то коэффициент пропускания системы будет:

t =

где N - число поверхностей

t - отношение потока прошедшего к начальной величине потока.

 

Коэффициентом пропускания t называется отношение величины потока Ф прошедшего через слой к начальной величине потока Ф₀:

Потери на поглощение в различных материалах имеют различную величину и характеризуются коэффициентом пропускания. Для оптических стекол в среднем можно полагать, для видимого диапазона, потерю равную 1% на 1 см пути света в стекле. Если путь в стекле равен l см, то коэффициент пропускания стекла будет равен: (ст - стекло)

l - толщина материала, через который проходит излучение.

Общий коэффициент пропускания равен произведению коэффициентов пропускания отдельных оптических элементов:

 

Для уменьшения потерь излучения применяют просветляющие покрытия.

Для зеркальных систем коэффициент отражения можно определить двумя путями:

® 1. Экспериментально

® 2. Теоретически

При теоретическом определении коэффициент отражения от металлической поверхности считают что часть излучения преломляется на поверхности металла, а часть отражается.

Определить коэффициент отражения можно по формуле:

 

где n – коэффициент преломления металла;

a –коэффициент поглощения металла;

k – показатель поглощения.

Для l >4 мкм коэффициент отражения металлических покрытий можно рассчитать исходя из формулы Друде: l»10 мкм

.

Для удобства расчета удельное сопротивление (r_m) в [Oм/м], а длину волны l в [мкм].

Для других длин волн можно определить R через оптические свойства металлов, которые характеризуются комплексным абсолютным показателем преломления:

где

e - комплексная относительная диэлектрическая проницаемость металла.

n и k являются оптическими характеристиками металла. Они зависят от природы металла и частоты падающего света. Мнимая часть комплексного преломления характеризует поглощение света в металле, происходящее в соответствии с законом Бугера-Ламберта, который говорит, что поглощение света в веществе:

где I₀ - интенсивность волны на входе в материал толщиною;

I - интенсивность волны на выходе;

m - линейный коэффициент поглощения (показатель поглощения).

 

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ.

Т Р Е Б О В А Н И Я.

ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ.

 

1.Выбор материала конкретного типа лазера определяется в первую

очередь пропускание излучения нужной длины волны.

2.Мощность, необходимая для проведения тех. процесса (показатель

поглощения - min).

 

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ.

- высокая оптическая прочность (поры разрушаются);

- высокая механическая прочность;

- хорошая оптическая однородность;

- высокая термостойкость в рабочем диапазоне температур;

- высокая теплопроводность;

- малое значение температуропроводности;

- получение заготовок большего диаметра;

- химическая стойкость;

- min токсичность;

- невысокая стоимость материала и сырья;

- удобство монтажа и юстировки;

Материалы удовлетворяющие требования не созданы.

 

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЭЛЕМЕНТОВ ОТРАЖАТЕЛЬНОЙ ОПТИКИ.

ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ.

- max коэффициент отражения на рабочей длине волны;

- возможность высокой точности изготовления отражающей поверхности

- стабильность формы и качества отражающей поверхности в течение;

длительного времени эксплуатации.

 

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ.

 

В соответствии с этим материалы должны иметь:

- высокую теплопроводность;

- малый температурный коэффициент линейного расширения;

- min плотность;

- высокий предел упругости;

- max жесткость;

- min коэффициент поглощения на рабочей длине волны;

- высокую лучистую прочность;

- возможность обработки отражающей поверхности с высокой точ-

ностью воспроизводства;

- возможность использования охлаждения;

Лучше всего удовлетворяют требованиям и критериям: медь, меднохромистая бронза, молибден, вольфрам.

 

Газовые лазеры.

 

Мощность (энергия) излучения, необходимая для выполнения таких технологических операций, как сварка, сверление, разметка, термообработка и др., достигнута в основном на СО₂ - лазерах, работающих на длине волны 10.6 мкм. Поэтому оптические элементы проходной оптики должны иметь минимальный показатель поглощения в области l = 10...11 мкм.

Гамма материалов, прозрачных в этой области, весьма широкая. Однако эту гамму существенно сужают дополнительные требования, характерные именно для лазерных систем. К дополнительным требованиям относятся:

· высокая оптическая прочность, позволяющая достичь требуемых значений поверхностного и объемного порога разрушения и ресурса работы;

· высокая механическая твердость, обеспечивающая возможность и технологичность высококачественного полирования рабочих поверхностей;

· хорошая оптическая однородность, стабильная во времени и в процессе эксплуатации;

· высокая термостойкость в рабочем диапазоне температур;

· высокая теплопроводность, обеспечивающая рассеяние поглощенной материалом энергии излучения;

· малое значение температуропроводности, определяющей скорость установления теплового равновесия и расстояние, на которое тепловая волна проникает в глубь материала;

· возможность получения заготовок достаточно больших размеров;

· высокая химическая стойкость;

· отсутствие токсичности материала, сырья для его изготовления и продуктов его обработки;

· невысокая стоимость материала и сырья для его изготовления и продуктов его изготовления;

· удобства монтажа и юстировки системы оптических элементов;

Материалы, полностью удовлетворяющие всем перечисленным требованиям, в настоящее время еще не созданы.

Однако целый ряд материалов, прозрачных в ИК-области спектра, этим требованиям частично удовлетворяет. К ним относятся:

ä тугоплавкие монокристаллы Si, Ge, Al₂0₃;

ä полупроводниковые соединения ZnSe, CdTe, GaAs;

ä монокристаллические растворы на основе солей таллия, известные

под шифрами КРС-5 и КРС-6;

ä оптическая керамика типа КОЗ (на основе CaF₂), (на основе ZnSe) и

КО6 (на основе CdTe)

ä щелочно-галоидные кристаллы КCl, NaCl, CaF₂, LiF, BaF_2.

Так как каждый из этих материалов не полностью отвечает поставленным требованиям (так, например, КРС-5 и КРС-6 имеют малую термостойкость и весьма токсичны; Ge, GaAs, CdTe непрозрачны для видимого света, что затрудняет сборку и юстировку; KCl, NaCl, LiF гигроскопичны; ZnSe, BaF₂ и CdTe имеют высокую стоимость), то эффективность применения того или иного кристалла определяется отдельно для каждого конкретного случая. Показатели преломления для некоторых материалов приведены в таблице 2.3

 

Таблица 2.3

Московский Государственный Технический Университет имени Н. Э. Баумана

 

Кафедра МТ-12

Лазерная техника и технологии

 

ФОКУСИРУЮЩИЕ СИСТЕМЫ ЛТУ

Лекционный курс за 8^ой семестр

Преподаватель Богданов А.В.

Лекции

Студента группы МТ-12-81

________________________

4.8. ПОТЕРИ СВЕТА В ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ.

 

Прохождение световых потоков через оптические системы связано со световыми потерями. Световые потери слагаются из потерь на отражение при преломлении на полированных поверхностях оптических деталях и потерь на поглощение при прохождении светом толщины материала оптического элемента.

Потери на отражение от преломляющих поверхностей определяются коэффициентом отражения:

 

Углы i и i' связаны законом преломления n sin i = n'sin i'

Наибольшие потери происходят на поверхности раздела, когда одна из сред является воздухом, и наименьшее, когда смежные среды имеют близкие значения показателей преломления. Это имеет место в сменных линзах.

Для случая воздух-стекло формула (4.116) дает следующие значения коэффициента отражения при разных углах падения:

n =1 n' =1.63

 

I	00	300	450	600	800	850	900
100×R	5.7	5.9	6.8	10.9	40.4

 

В реальных оптических системах углы падения редко превышают 45⁰ градусов.

Наиболее интересен частный случай когда i = i'. Это соответствует нормальному падению излучения на поверхность материала. Формула Френеля упрощается и принимает вид

 

При n = 1, n' = 1.63, R= 0.057, при n = 1, n' = 1.5, R= 0.04.

Если система имеет N поверхностей, граничащих с воздухом, то коэффициент пропускания системы будет:

t =

где N - число поверхностей

t - отношение потока прошедшего к начальной величине потока.

 

Коэффициентом пропускания t называется отношение величины потока Ф прошедшего через слой к начальной величине потока Ф₀:

Потери на поглощение в различных материалах имеют различную величину и характеризуются коэффициентом пропускания. Для оптических стекол в среднем можно полагать, для видимого диапазона, потерю равную 1% на 1 см пути света в стекле. Если путь в стекле равен l см, то коэффициент пропускания стекла будет равен: (ст - стекло)

l - толщина материала, через который проходит излучение.

Общий коэффициент пропускания равен произведению коэффициентов пропускания отдельных оптических элементов:

 

Для уменьшения потерь излучения применяют просветляющие покрытия.

Для зеркальных систем коэффициент отражения можно определить двумя путями:

® 1. Экспериментально

® 2. Теоретически

При теоретическом определении коэффициент отражения от металлической поверхности считают что часть излучения преломляется на поверхности металла, а часть отражается.

Определить коэффициент отражения можно по формуле:

 

где n – коэффициент преломления металла;

a –коэффициент поглощения металла;

k – показатель поглощения.

Для l >4 мкм коэффициент отражения металлических покрытий можно рассчитать исходя из формулы Друде: l»10 мкм

.

Для удобства расчета удельное сопротивление (r_m) в [Oм/м], а длину волны l в [мкм].

Для других длин волн можно определить R через оптические свойства металлов, которые характеризуются комплексным абсолютным показателем преломления:

где

e - комплексная относительная диэлектрическая проницаемость металла.

n и k являются оптическими характеристиками металла. Они зависят от природы металла и частоты падающего света. Мнимая часть комплексного преломления характеризует поглощение света в металле, происходящее в соответствии с законом Бугера-Ламберта, который говорит, что поглощение света в веществе:

где I₀ - интенсивность волны на входе в материал толщиною;

I - интенсивность волны на выходе;

m - линейный коэффициент поглощения (показатель поглощения).

 

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ.

Т Р Е Б О В А Н И Я.