Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени академика С.П. КОРОЛЕВА

Радиотехнический факультет

Кафедра радиотехнических устройств

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе на тему

«Расчет и конструирование системы транспортировки и формирования излучения»

по дисциплине «Оптика лазеров»

Выполнили: Богомолова О.А.

Зайцева А.А.

Группа:523

Проверила: Тимченко Е.В

Самара 2014

ЗАДАНИЕ

1. Рассчитать параметры оптической системы и выбрать подходящий материал для данной длины волны и показателя преломления.

Исходные данные:

n=2,4;

λ=10,6мкм;

θ=1,15мрад;

d₀=16мм;

L=5м;

L₁=0,65м;

P₀=1кВт;

Рисунок 1 – Расчетная схема

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка: стр.13, рисунков 3, прил.2

РАСЧЕТ ОБЪЕКТИВА, РАСЧЕТ ЛИНЗЫ, РАСЧЕТ ФОКУСИРУЕМОГО ПЯТНА, РАСЧЕТ ПЛОТНОСТИ МОЩНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ.

Цель работы - Рассчитать параметры оптической системы.

В данной работе был произведен расчет параметров оптической системы.

Объектом исследования данной курсовой работы является оптическая система, способная передавать излучение в определенную точку пространства заданную изначально.

Цель работы – ознакомится с основными характеристиками оптических транспортирующих систем, научиться рассчитывать эти характеристики, сконструировать собственную транспортирующую систему на основе рассчитанных характеристик.

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ 4

1.РАСЧЕТ ТРАНСПОРТИРУЮЩЕЙ СИСТЕМЫ 5

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 10

В данной курсовой работе мы произвели теоретический расчет параметров одного из возможных вариантов реальной оптической системы. Мы подобрали материалы для элементов этой оптической системы, что послужило почвой для размышлений об усовершенствовании данной системы с целью улучшения качества и мощности излучения.

Для расчета линзы необходимо установить ее материал. Исходя из того, что показатель преломления n=2,4 при длине волны λ=10,6 (мкм), выбираем соответствующий материал. Наиболее подходящим оказался ZnSe (селенид цинка), который так же используются для мощных лазерных систем, в том числе для СО2-лазеров. Так же из него изготавливают окна, линзы, колпаки и т.д. .

ZnSe прозрачен в области 0.5-20 микрон.

1.РАСЧЕТ ТРАНСПОРТИРУЮЩЕЙ СИСТЕМЫ

Данная задача будет разделена на три части:

-расчет первой линзы,

-расчет второй линзы,

-расчет третей линзы.

1.1 РАСЧЕТ ОБЪЕКТИВА

1. РАСЧЕТ ПЕРВОЙ ЛИНЗЫ

– из условия минимальной аберрации, где

(1.1)

Принимая во внимание условие уменьшения аберрации, для линзы выбираем (мм); (мм).

Выбираем диаметр линзы в соответствии с ее материалом и уменьшением оптической аберрации (условие 1):

- при условии минимальной оптической абберации для дорогих материалов.

Для данной длины волны и показателя преломления больше всего подходит селенид цинка, который так же используются для мощных лазерных систем, в том числе для СО2-лазеров. Так же из него изготавливают окна, линзы, колпаки и т.д. .

ZnSe прозрачен в области 0.5-20 микрон.

Характеристики Данные

Область пропускания 0.5 – 20 микрон

Механические Плотность: 5.27 г/см3

Физические ТКЛР: 61 x 10-6 /0К

Температура плавления 1525C

Химические Эрозийный, термически стойкий.

Показатель преломления на длине волны 10,6 мкм составляет 2,402, что более соответствует нашему случаю.

Вычислив диаметр линзы и исходя из формулы оптической силы, найдемf1 первой линзы.

Если первая линза собирающая, то :

; (1.2)

С помощью пакета MathCAD 15 рассчитываем выше указанное:

= 0,368

Откуда находим f₁

f₁= 0.12 м;

2. РАСЧЕТ ВТОРОЙ ЛИНЗЫ

Соответственно фокус второй линзы равен:

f₂=2f₁=0.24 м (1.3)

В соответствии с типом объектива L₂=3f₁== 0.36 м

Выбираем d_л из условия 1: d_л2 ==0.055м

Так как материал линз тот же, что и для первой линзы, значение С остается прежним.

Тогда:

или (условие 2)

Учитывая условие 2, находим из формулы оптической силы r₄:

(1.4)

Решаем квадратное уравнение и выбираем один из корней уравнения, тогда

|r_4|= 0.647 м;

Тогда r₃= 0.238 м

3. РАСЧЕТ ТРЕТЕЙ ЛИНЗЫ

Так как диаметр луча, достигнув поверхности третьей линзы, будет равен 2d₀, то соответственно, диаметр третьей линзы подбираем следующий:

Выбираем r₅= 0.647 м ,тогда |r₆|=0.238

Находим f₃ третьей линзы с помощью формулы для оптической силы:

f₃=0.112 м;

2. РАСЧЕТ ДИАМЕТРА ФОКУСИРУЕМОГО ПЯТНА.

Диаметр фокусируемого пятна находим по формуле:

;

где - от сферической аберрации,

- величина, учитывающая расходимость излучения

Находим изменение от сферической аберрации:

;

k=17.72

;

Находим величину, учитывающую расходимость излучения:

Тогда 6.504 10- 3м;

1.3РАСЧЕТ ПЛОТНОСТИ МОЩНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ

3. 1. РАСЧЕТ ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОТРАЖЕНИЕ И НА ПОГЛОЩЕНИЕ

Исходя из следующей формулы, найдем потери излучения на отражение и поглощение:

∆P = P₀ =191.516, (1.9)

Где P₀ – мощность светового луча на выходе из излучателя;

z – коэффициент отражения на каждой из поверхности линз (порядка 2…3%);

y – коэффициент поглощения линз (порядка 2…3%).

Примем z = 2%, y = 3%.

Тогда мощность фокусируемая в пятне с учетом всех потерь находится из выражения:

P` = P₀ - ∆P; (1.10)

Рассчитаем все выше указанное в пакете MathCAD 15:

2. РАСЧЕТ НОМИНАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ МОЩНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ

Номинальная плотность излучения равна:

Площадь фокусируемого пятна равна:

S_п = 3.321×10^-5 м²

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе представлен расчет при конструировании системы транспортировки и формирования излучения.

По результатам расчета была спроектирована конструкция прибора, создан чертеж и составлена пояснительная записка, в которой мы представили краткие теоретические выкладки по принципу работы прибора и указать области его применения. По ходу изложения обосновали принятые решения по выбору материала элементов конструкции, по выбору численного диапазона промежуточных параметров. В заключительной части рассмотрели условия сборки спроектированного прибора.

В ходе проделанной работы нами был сделан вывод о том, что оптическая система, которую мы сконструировали, идеально подходит для атомной энергетических отрасли промышленности, где наблюдается высокий уровень излучения, и требуется направленное воздействие высокой мощности. Возможно нашу систему следует отнести к инновационной, так как возможности воздействия лазерного излучения на атомы и молекулы не до конца изучены.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. http://window.edu.ru/resource/394/24394/files/itmo65.pdf

2. http://www.optotl.ru/mat/NaCl

3. Толстоба Н.Д., Цуканов А.А. Проектирование узлов оптических приборов. Учебное пособие. – СПб,2002. – 128с