Расчет параметров зеркальных объективов

Обращенные объективы Кассегрена полностью устраняют аберрации третьего порядка при использовании не только специальных параболоидального и гиперболоидального зеркал, но даже при использовании сферических зеркал. Отсутствие сферических аберраций третьего порядка обеспечивается при следующих соотношениях малого r₁ и большого r₂ радиусов кривизны и расстояния L между зеркалами:

r₁=1.236F; (4.79)

r₂=3.236F=2.618 r₁; (4.80)

L= r₂- r₁. (4.81)

Последнее выражение означает, что зеркала расположены концентрически. Объектив с соотношением вышеуказанных параметров является оптимальным по критерию минимума аберраций. Однако осевой обращенный объектив может экранировать излучение малым зеркалом. Можно показать, что соблюдение вышеуказанных соотношений обеспечивает случайную величину коэффициента центрального экранирования:

, (4.82)

где - внутренний диаметр сечения падающего на малое зеркало кольцевого лазерного излучения;

D - наружный диаметр сечения излучения.

Большую перспективу для лазерной обработки представляют внеосевые обращенные объективы Кассегрена. Эти объективы обеспечивают отсутствие экранирования при условии:

, (4.83)

где - расстояние оси луча от оси объектива;

- радиус лазерного излучения.

Для того, чтобы все лазерное излучение попало на первое выпуклое зеркало, радиус кривизны его поверхности должен удовлетворять условию:

. (4.84)

В общем случае форма пятна сфокусированного внеосевым объективом не круглая, а эллиптическая. Поэтому при точном геометрическом расчете оптимизацию системы проводят не по диаметру пятна, а по его площади.

Из рисунка 4.46 видно, что плоскость минимального размера пятна лежит под углом к оси лазерного излучения. Обрабатываемая поверхность должна располагаться именно в этой плоскости для обеспечения максимальной концентрации энергии.

Зеркальную оптику мощных технологических лазеров обычно изготавливают из чистой меди, обеспечивающей высокие коэффициенты отражения и теплопроводности. Металлические зеркала изготавливают массивными и жесткими, чтобы они могли выдерживать высокий уровень лазерного излучения и не допускали значительных тепловых деформаций поверхности.

Для увеличения отражательной способности и стойкости зеркал на них наносят покрытия обычно из золота. Зеркала мощных оптических систем обычно имеют принудительное жидкостное охлаждение. Необходимо помнить, что оптика технологических лазеров должна быть надежно защищена от механических воздействий и продуктов обработки. Для этого используют обычно различные светофильтры или просто прозрачные экраны.