Дифракционный элемент для фокусировки излучения мощного ИК лазера Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

ДИФРАКЦИОННЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ФОКУСИРОВКИ ИЗЛУЧЕНИЯ МОЩНОГО ИК ЛАЗЕРА

Александр Григорьвич Полещук

ИАиЭ СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. ак. Коптюга, 20, доктор технических наук, заведующий лабораторией, тел. (383)3333-091, e-mail: [email protected]

Руслан Камильевич Насыров

ИАиЭ СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. ак. Коптюга, 20, кандидат технических наук, научный сотрудник, тел. (383)3333-091, e-mail: [email protected]

Александр Рашидович Саметов

ИАиЭ СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. ак. Коптюга, 20, ведущий инженер-оптик, тел. (383)3333-091, e-mail: [email protected]

Эрнст Григорьевич Шихалев

ИТПМ СО РАН, 630073, Россия, г. Новосибирск, ул. Институтская 4/1, научный сотрудник, тел. (383)330-65-49, e-mail: [email protected]

Приводится описание разработки и исследования дифракционного оптического элемента для фокусировки мощного излучения СО2 лазера для резки металла.

Ключевые слова: интерферометрия, дифракционная оптика, лазерная резка.

DIFFRACTIVE OPTICAL ELEMENT FOR FOCUSING OF THE HIGH-POWER IR LASER RADIATION

Alexander G. Poleshchuk

IA&E SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, pr. ak. Koptyuga, 1, doctor of technical sciences, head of laboratory, phone (383)3333-091, e-mail: [email protected]

Ruslan K. Nasyrov

IA&E SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, pr. ak. Koptyuga, 1, candidate of technical sciences, research fellow, phone (383)3333-091, e-mail: [email protected]

Alexander R. Sametov

IA&E SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, pr. ak. Koptyuga, 1, optical engineer, phone (383)3333-091, e-mail: [email protected]

Ernst G. Shihalev

ITAM SB RAS, 630073, Russia, Novosibirsk, Institutskaya 4/1, research fellow, phone (383)330-65-49, e-mail: [email protected]

The article describes design and fabrication of the diffractive optical element for focusing of high-power radiation of CO2 laser for metal cutting.

Key words: interferometry, diffractive optical element, metal cutting.

Мощные CO2 лазеры широко используются в устройствах лазерной резки металла [1], но при разработке и совершенствовании этих устройств возникает целый ряд технических проблем. Одной из таких проблем является подбор оп-

тических элементов для управления лазерным пучком. Оптика должна обладать высокой лучевой стойкостью, для того, чтобы выдерживать мощное излучение долгое время. Обычно в таких системах используются медные зеркала, которые сильно разогреваются и деформируются. Поэтому для них требуются специальные системы охлаждения. С другой стороны, последняя фокусирующая линза в оптическом канале имеет очень ограниченный ресурс. Это связано с тем, что ее поверхность загрязняется парами металла, которые образуются при резке.

Настоящая работа посвящена разработке и исследованию дифракционного оптического элемента (ДОЭ), который объединяет в себе поворотное зеркало и фокусирующую линзу. Применение такого элемента (фокусатора) позволяет сократить количество оптики и тем самым, существенно сократить потери излучения на отражениях. Также упрощается настройка всех оптической схемы.

ДОЭ представляет собой кремниевую подложку, с бинарным фазовым рельефом на ее поверхности. ДОЭ работает в режиме отражения под углом а = 45 градусов (рис. 1а). Фокусное расстояние ДОЭ составляло 250 мм, диаметр входного лазерного пучка 20 мм. Рассчитанная дифракционная структура ДОЭ приведена на рис. 1б. Диаметр основной структуры был 43 мм. Расчетная длина волны работы ДОЭ Х=10.6 мкм.

Глубина бинарного профиля микрорельефа к определялась из соотношения: Х/2 = h/cos(а), где а = 45 градусов - угол наклона фокусатора. Это соотношение следует из того, что нулевой порядок должен зануляться при работе ДОЭ под углом 45 градусов, а это достигается при разности фаз Х/2. Таким образом, глубина травления составила И = 3.75 мкм.

Работа дифракционной оптики сильно зависит от длины волны. При этом излучение мощного С02 лазера обладает широким спектром. Анализ показал, что при ширине спектра 20 нм, размер сфокусированной точки лежит в пределах 10 мкм, что меньше окружности Эйри. Таким образом, показано, что за счет оптимального выбора периода дифракционной структуры хроматические аберрации оптической системы изменятся незначительно.

ДОЭ был изготовлен на кремниевой подложке. Для этого вначале был изготовлен фотошаблон на тонкой стеклянной пластинке покрытой хромом. Фотошаблон был изготовлен методом прямой лазерной записи на круговой лазерной записывающей системе CLWS-300IAE [2]. Затем кремниевую пластинку покрыли фоторезистом, после этого ее проэкспонировали через фотошаблон. После проявления фоторезиста и травления ионным пучком был получен рельеф с заданной глубиной. Для обеспечения высокого коэффициента отражения на длине волны 10,6 мкм, поверхность ДОЭ была покрыта пленкой меди. Фотография изготовленного ДОЭ показана на рис. 2.

В дальнейшем, ДОЭ на тонкой кремниевой подложке будет приклеен к радиатору с водяным охлаждением. После этого, запланировано его использование в установке для лазерной резки металла. В настоящее время идет экспериментальная проверка работы ДОЭ на длине волны 10,6 мкм. Следующим этапом планируется разработка и изготовление ДОЭ с пилооб-разным профилем зон.

(а) (б)

Рис. 1. Схема работы дифракционного элемента (фокусатора) для ИК излучения (а), дифракционная структура фокусатора (б)

Рис. 2. Внешний вид изготовленного ИК фокусатора БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Маликов А.Г., Оришич А.М., Шулятьев В.Б. Резка металлов излучением С02-лазера с самофильтрующим резонатором // Квант. Электроника. 2009, 39 (2), 191-196.

2. Poleshchuk A.G., Churin E.G., Koronkevich V.P., Korolkov V.P. ets. Polar coordinate laser pattern generator for fabrication of diffractive optical elements with arbitrary structure // Appl. Opt., 1999, 38, 1295-1301.

© А.Г. Полещук, Р.К. Насыров, А.Р. Саметов, Э.Г. Шихалев, 2013