Принципы фокусировки мощного лазерного излучения

Полезные оценки могут быть сделаны из соотношения:

Δ = ±r_s²λ,

где Δ — глубина резкости, r_s — радиус пятна, ± — соответствует глубине резкости при движении к линзе и от неё. При r_s ∼ λ имеем Δ ∼ λ. Отсюда следует, что при идеальной фокусировке глубина резкости примерно равна размеру пятна.

Поскольку r_s = f · θ, то для уменьшения радиуса пятна необходимо либо уменьшить фокусное расстояние линзы, что уменьшает рабочий отрезок технологической установки и ограничивает возможности обработки, либо уменьшить расходимость луча с помощью введения телескопической системы (расширителя пучка) (см. рис. 4)

Рассеивающая система обеспечивает более компактную компоновку и лучше подходит для интенсивного лазерного излучения, т. к. не имеет реального фокуса, в котором может произойти лазерный пробой воздуха при плотностях мощности ∼10⁹ Вт/см². При согласовании линз по светосиле, когда луч заполняет обе линзы, расходимости падающего и выходящего лучей соотносятся по формуле:

θ₂ = θ₁ · D₁/D₂,

т. е. расширение луча в 10 раз во столько же раз уменьшает расходимость. Легко оценить, что 10-кратное уменьшение угла расходимости за счёт расширения пучка приводит к 10-кратному уменьшению радиуса фокусировки, вызывая 100-кратное увеличение интенсивности лазерного излучения.

а)

б)

Рис. 4. Телескопические оптические системы:
а) с собирающей линзой; б) с рассеивающей линзой