Тема: фокусировка

[casus]

Добрый день! Делаю пушку для отстрела летающих насекомых, но немогу сфокусировать луч в точку на цель.
Проблема в следущем: если фокусирую на растояние 10см в "точку"(на самом деле короткая линия), то на растоянии 2 метра вижу жирную линию сантиметров 20. Если фокусирую на два метра, то вблизи опять линия, шириной в сантиметр.
Система навидения дифференциальная, поэтому прикрутить автофокус не получится.
Диод C-mount 15Вт 808нм, поверхность 1х400 мкм, расходимость 10х32 градусов. Линза 12.7мм.
Что можно придумать?
 

[Gall]

Ничего. Это нерушимые законы оптики. Никакой луч света не может иметь форму прямого тонкого цилиндра. То, как рисуют луч лазера на картинках - неправильно. В действительности форма луча лазера всегда такова:



Луч лазера расходится тем меньше, чем он толще. Лучи, используемые в лазерных шоу, имеют пару миллиметров в толщину, поэтому их расходимость невооруженным глазом незаметна. Вы же пытаетесь фокусировать луч до микронного диаметра, вблизи дифракционного предела, а это значит, что расходиться луч будет сильно.

Для "лазерной пушки" следует использовать толстый луч. Тогда его толщина будет примерно одинакова по всей длине. Любой тонкий луч сильно расфокусируется из-за дифракции на самом себе.

[casus]

мне нужен луч шириной в милиметр или тоньше, на расстоянии 0.1-5м.
стоит ли пытаться выпрямить луч вблизи диода, пока луч не разошелся больше милиметра?

P.S. микронные размеры мне не нужны. пушка на микробов не наводится.
а жахать сантиметровым пучком можно не прицеливаясь, только на стенах проявится контур сбитых насекомых.

[avrerum]

наверняка диод без микролинзы вам продали нужно было перед покупкой уточнять, тогда-б и пятно было-б равномерной "точкой" а не "полоской", да и 400микрон многовато, 100-200 было-б нормально!!!
2.попробуйте выровнять цилиндрической оптикой или призмами в равносторонний квадрат а потом сколлимировать в 5мм, может что и выйдет...

[Gall]

мне нужен луч шириной в милиметр или тоньше, на расстоянии 0.1-5м.

Миллиметр уже заметно расходится, если что. Впрочем, больше 2-3 миллиметров в 5 метрах не будет.

стоит ли пытаться выпрямить луч вблизи диода, пока луч не разошелся больше милиметра?

Да. Во-первых, надо поправить астигматизм луча - цилиндрической линзой, клиньями или призмами (или использовать модуль, в котором астигматизм уже поправлен микролинзой). Во-вторых, быть готовым к тому, что одной линзой отделаться не удастся - потребуется система, что-то вроде телескопа, чтобы слишком широкий луч сузить обратно. Дело в том, что шансов плймать правильную толщину луча первой же линзой невелики, линза для этого должна быть довольно маленькой и короткофокусной, что не всегда конструктивно возможно. Проще сначала сделать как получится, а потом сузить. Заодно можно отфильтровать TEM00, чтобы луч был ровнее.

P.S. микронные размеры мне не нужны. пушка на микробов не наводится.
а жахать сантиметровым пучком можно не прицеливаясь, только на стенах проявится контур сбитых насекомых.

А мощности хватает, с толстым-то лучом? Фокусируют ведь для того, чтобы жгло сильнее. Насекомое в полете лазером сбить трудно, хитин - вещь прочная.

[Gall]

P.S. Аккуратнее с 808. Это самый мерзкий с точки зрения техники безопасности лазер. Совершенно незаметно травмирует (т.е. можно вообще не понять, а чего это с глазом случилось). При 15 Вт таким свойством будет обладать и рассеянный свет тоже.

[casus]

Ок. Спасибо буду считать, искать линзы и переделывать коллиматор. Про мощность: обжег руку отражением от CD диска. Решил на коробке от компакт диска проверить боевые способности, и не убедился в том что диск внутри отсутствует. Естественно пластик моментом прогорел. Пока питание не сделал, давал ему 4.8Вт от лабораторного БП.
Очки в пути, настраиваю через камеру.

А мощности хватает, с толстым-то лучом? Фокусируют ведь для того, чтобы жгло сильнее. Насекомое в полете лазером сбить трудно, хитин - вещь прочная.

Изначально расчитывал тратить на комара 360-400мДж чтобы крылья отпилить. На деле комары загорались в воздухе, а значит энергия поглощаемая насекомым больше 2500мДж,  это при 4.8Вт. (исправил)
Еще бы придумать как за падающими огоньками безболезненно наблюдать.

[Охотник]

по-моему тут круче был бы импульсный лазер с ламповой накачкой и модуляцией добротности, наносекундный импульс на десятки МЕГАватт мощности, крылья точно испарятся и долго следить за целью не надо.

[casus]

Согласен. Но линейные проще в настройке. И самое главное его на камеру видно. Лазеры только начинаю осваивать.

[Gall]

По поводу "видно" - я бы поступил, как в лазерных резаках делают: продублировал бы луч видимым. По камере убедился бы, что они совпадают. Невидимые лучи, свободно летающие по пространству, запрещены по ТБ неслучайно. Правила безопасности требуют, чтобы лазер в таких случаях был закреплен, а луч огражден. Это требование еще и противопожарное. В лабораториях несчастные случаи бывают двух видов: "снял очки на секундочку" и "нечаянно уронил отвертку". Лучшее, что можно сделать в вашей ситуации - это сделать луч видимым для невооруженного глаза.

С импульсными лазерами такой прием даже проще реализуется - можно прицельным лазером светить прямо сквозь тот же кристалл и сквозь ту же оптику. И сразу знаешь, куда стреляешь.

[casus]

Прицельных лазера там два: горизонтальная и вертикальная полоска.
горизонтальная справа от ИК, вертикальная снизу, под ИК. По задумке точка ИК лазера должна находится на пересечении линий.
Сделать видимым я только за. Но ценник за Nd:YVO4 + KTP нужной мощности не гуманный, и  секса мнного.

Нашел линзы под заказ:
http://www.altechna.ru/product_details.php?id=59&product_name=Отрицательные+цилиндрические+линзы

попросил их же посчитать какая линза мне нужна чтобы исправить астигматизм.
Размер линзы 10х10, фокусное растояние минимальное. Попросил на выходе квадрат. Этого достаточно или им еще чтонить добавить?

[avrerum]

Возможно человек хочет сделать или портэйбел или что-б электричество не кушал девайс много, тогда у вас один выход думаю это ДПСС, в вашем случае нужен ванадат приличных размеров и зеркало на 90% отражения 1064, желательно сферик ибо юстировать будет проще, из ваших 15Вт 808нм если все будет в идеале то 7-7,5Вт думаю выжмите!

[casus]

ДПСС однозначно. Нужен компактный и легкий.
P.S. Меня также мучает вопрос, ответа на который пока не нашел. Что вреднее для зрения: 50% модуляция полной мощности высокой частоты или линейная половина мощности?

[avrerum]

для зрения вредно любое излучение выше 50мВт (точно не помню уже) поэтому рекомендую без очков не включать и что-б рядом никого не было!!! 2. если хотите без очков то нужно закрепить стационарно и что-б луч бил на черный матовый металлический экран! Если хотите от москитов то целесообразней будет купить готовый девайс что электричеством их гасит, если свой собрать хотите, то полу-закрытом корпусе а в центре приманку соорудить...3.если для баловства то соблюдайте ТБ очки и отсутствие посторонних рядом!

[Gall]

для зрения вредно любое излучение выше 50мВт (точно не помню уже)

Выше ОДНОГО милливатта, а не 50!!!

Условно разрешается для видимых лазеров делать 5 мВт, поскольку опасность попадания такого луча напрямую в глаз невелика, а отражения не будут превышать безопасного 1 мВт. Любой лазер больше 5 мВт без очков - русская рулетка.

[Gall]

Видимым делается не основной луч. Поступить можно так же, как делают на CO2-резаках: ставят ВТОРОЙ лазер, обычную красную указку на 650 нм 1 мВт, таким образом, чтобы ее луч точно совпадал с невидимым лучом. Хотя при преломлении лучи могут и разойтись, обычно преломления не бывает, и в 90% случаев можно "видеть", куда идет невидимый луч.

Если используется лазер на 1064 нм, видимость можно получить за счет "плохого" KTP, который преобразует в зеленый только незначительную часть луча. На выходе будет смесь из 99% 1064 и 1% 532, что нам и надо.

[casus]

мне кажется что сфокусить два луча будет еще сложнее, а самое главное 1064 и 532 не будут параллельны.
а значит оптимальней использовать чистый 808й

[Gall]

Так чистый 808 тоже не виден, поэтому придется делать 808+532 или 808+650, что еще сложнее.

[avrerum]

Отчего-же люминисценция (красное пятно) видно как от 808нм так-же как и от 750нм с СD приводов...на малых мощностях отрегулируй (можешь камеру использовать которая без ИК защиты) и вперед...

[Gall]

Это НЕ люминесценция. ИК люминесценцию не вызывает. Просто глаз видит ближний ИК тоже. Одна беда - видит только при многократном превышении безопасного уровня. Если пятно 808 нм видно глазом, его надо срочно выключать, а не смотреть на него, ибо это чревато "катарактой стеклодува" (профессиональное заболевание глаз у металлургов и стеклодувов, вызванное длительным попаданием в глаз интенсивного ИК). В отличие от обычных лазерных ожогов, которые мгновенны, "катаракта стеклодува" зреет медленно, проявляется не после первого облучения и не сразу. Это не ожог сетчатки, а постепенное помутнение хрусталика.

[avrerum]

так красное пятно видно и от 150мВт 750нм с СD-привода...

[Gall]

так красное пятно видно и от 150мВт 750нм с СD-привода...

Ну так красное пятно 150 мВт 750 нм вообще-то тоже многократно превышает санитарные нормы по ИК. Все, что больше примерно 700 нм, без превышения санитарных норм не видно. В отличие от 150 мВт видимого света, 750 нм еще и не вызывает сужения зрачка. В действительности пятно в тысячи раз ярче, чем кажется.

Это, подчеркиваю, опасность совсем другого рода. Не та, что от обычного лазера (засветил в глаз - иди лечиться), а опасность развития слепоты в будущем, уже без облучения, через годы. К 30-40-50 годам можно схлопотать болезнь глаз, характерную для 80-90-летних стариков.

[avrerum]

Согласен на все 100 что ТБ нужно чтить!!!

[Евгений]

Причем даже хорошие дорогие очки от ближнего ИК мощностью  более 100 ватт не спасают. Только через камеру есть гарантия что все будет Ок.

[casus]

Вот что ответили мне по линзе:

Добрый день Дмитрий, Благодарю за ваш запрос.
Скажите какое фокусное расстояние вам требуется?
На данный момент могу предложить: F=3.9,  5.8,mm(LxH=8x4mm), F=6.4mm (LxH=12x6mm), F=10mm (LxH=12x10mm).

какая из линз мне подойдет? F=10?
просто другие слишком мелкие, боюсь раздавить))

[Gall]

Считать надо. Чем длиннее фокусное расстояние, тем дальше линза будет от источника, а значит, тем толще будет луч.

[casus]

Посчитайте пожалуйста, скоро насекомые начнут летать, их нужно сбивать.
1. Я считать неумею
2. Незнаю куда еще написать чтобы посчитали
3. Даже если начитаюсь умных книжек и форумов, не факт что сделаю все правильно. И могу просто попасть на бабло, выкинув его на неверно расчитанную оптику(каждая линза 100eur).

еще тут подумал, пофиг на астигматизм, если сфокусировать рядом с диодом, а потом снизить расходимость, то пятно всеравно будет маленькое? или нет?

[Gall]

Увы, не будет пятно маленькое. Разойдется обратно. Физика так устроена.

[casus]

сделать как?
я думаю может возможно в 4 этапа:
- убрать расхождение цилиндрической линзой по вертикали, имеем вертикаль параллельна, горизонталь расходится. разное расхождение вертикаль/горизонт позволяет использовать 2 линзы.
- убрать расхождение по горизонтали: горизонталь и вертикаль параллельны.
- фокусируем в точку, получаем маленький квадрат, фокус - растояние от фокусирующей линзы до последней цилиндрической.
- собираем луч, чтобы дальше не расходился.

[Gall]

Квадрата не будет. Там был эллипс, а получится круг.

Делается так: цилиндрической линзой выравниваем астигматизм, чтобы расхождение по вертикали и горизонтали были одинаковыми. Теперь луч имеет форму просто конуса, в сечении круг. И теперь простыми линзами можно с ним делать что угодно. Часть луча, правда, все равно придется отсечь - то, что не будет укладываться в круг, паразитные моды. Жалеть их не надо: фокусировке вместе с основным лучом они все равно не поддаются.

[casus]

скорее всего так и есть. родная линза коллиматора имеет очень большое фокусное расстояние, где-то 60мм. при таком расхождении половина мощности рассеивается. и то при 10% мощности жжет всё на чем фокусируется.

не могу никак догнать. http://www.axcelphotonics.com/images_clients/pdf/808nm_Multi_Mode_Specs_400um_8-15W_.pdf
32-38 градусов это расхождение пучка 400микрон или пучка в 1 микрон?

[Gall]

Это просто расхождение пучка. В виде конуса с вершиной в кристалле лазера и с углом около 60-80 градусов при вершине (в документации половина этого угла, см. последний график).

[casus]

Я в тупике. Теперь я даже примерно не знаю какую линзу заказывать.
http://standa.vicon-se.ru/katalog/vse_oborudovanie/optika/linzy/otricatel_naya_plosko-cilindricheskaya_linza/

Например фокусное растояние 10мм. расхождение 70градусов, Тогда диаметр луча на расстоянии 10мм будет 10 x tg35 x 2= 10 x 0.7 x 2 = 14мм
а линзы мне предлагали F=10mm (LxH=12x10mm). Тоесть нереально зафокусить?

[Gall]

Одной линзой нереально, это с самого начала ясно было. А вот несколькими - можно. Да, все совершенно правильно - именно такой толщины луч будет после первой линзы. Но мы поступим хитро: поставим лазер не в фокусе, а чуть подальше, и тогда вместо параллельного пучка получится сходящийся. Когда он сойдется до нужного нам диаметра, мы второй линзой (рассеивающей) превратим его в параллельный. Схема телескопа Галилея. Или даже позволим сойтись в точку и начать расходиться снова, а потом второй линзой соберем. Это схема телескопа Кеплера. Итого в системе будет три линзы. Третья - цилиндрическая, против астигматизма.

[casus]

Еще раз глянул спек. Еще раз пересчитал.
На последнем графике продольное и вертикальное расхождение. 9.5 и 32.0 градусов.
Получается для расстояния от излучающей поверхности 10мм, размеры луча в сечении:

400μm - 3.8мм
1μm - 12.5мм
   или так?
400μm - 14мм
1μm - 3.35мм

в зависимости в какую сторону эллипс. из спеков непонятно.

считал так:

ctg 9.5 * 400μm / 2 = 1.2мм
ctg 9.5 = 6.0
ctg 32 = 1.6
((10 + 1.2) / ctg 9.5) x 2  = (11.2 / 6) x 2 =3.8мм
(10 / ctg 32) x 2 = (10 / 1.6) x 2 = 12.5мм


линза F=10mm (LxH=12x10mm), есть еще F=3.9,  5.8,mm(LxH=8x4mm), F=6.4mm (LxH=12x6mm)

даже если взять линзу F=3.9
То при расхождении 32 градуса луч с 1мкм превратится в 4.9мм. Линза размером (LxH=8x4mm). В итоге H линзы меньше на 0.9мм. А это большая потеря.

[Gall]

Примерно так, да. На самом деле будет хуже, потому что волновые эффекты не учтены, а они работают как раз против фокусировки.

[casus]

"Для этого диода получить на всем расстоянии 0,1-5 м пучок диаметром менее 1 мм невозможно. Если сформулируете задачу (более близкую к действительности), то я могу помочь в проектировании оптической системы.  Такое пятно можно получить только в перетяжке на ограниченном расстоянии, с каустикой, определяемой пространственными характеристиками излучения диода"

В какую сторону подвинуться? возможно только увеличить диаметр луча в сечении, и увеличить расстояние 0,5-5м

вот что пишут с axcelphotonix

We cannot suggest a microlens or collimater as that is not part of our business.  We do offer this laser with a microlens attached, either 8 x 8 square beam or <2° but you would still need some type of optics to get it to a point.  You should probably speak to an optical company.

не понял что они мне написали, но нашел поправки на диод с микролинзой:
Расходимость параллельно p-n переходу, Град.   2.0-2.4
Расходимость перпендикулярно p-n переходу, Град.   10-14
микролинзу проверил - на месте. стеклянная трубка, толщиной в пару микрон и шириной 5мм.

на фото видно приклеенную трубку над эмитером диода.


наличие микролинзы в корне меняет дело.
планирую поставить F=10mm (LxH=12x10mm)
вопрос к знающим, правильно ли я рассуждаю:
цилиндрической линзой я увеличиваю расхождение с 2.0-2.4 до 10-14, изменяя фокус и добиваясь окружности.
затем собирающей линзой фокусирую.
в фокусе собирающей линзы ставлю рассеивающую и выпрямляю луч.

или так
цилиндрической линзой F=3.9 уменьшаю расхождение 10-14 до 2.0-2.4, изменяя фокус
сразу за ней ставлю рассеивающую линзу и фокусирую луч метров на 5. в итоге имею 0-10 метров тоненький луч.

[Gall]

Два градуса против 10 градусов, ясно. Все равно в 5 раз.

Делается так. Надо сделать два расчета системы из двух линз - для обеих расходимостей.

Упрощенный расчет (без учета волновых явлений) делается так. Формула тонкой линзы:
1/d₁ + 1/d₂ = 1/F
где F - фокусное расстояние линзы. Лучи, исходящие из точки на расстоянии d₁ от линзы, сойдутся в точке d₂. Рассеивающая (вогнутая) линза считается так же, но F берется отрицательным. Под отрицательными значениями d в этом случае следует понимать "по другую сторону от линзы".

Удобный частный случай: d₁ = d₂ = 2F. Но так симметрично делать вовсе необязательно.

Располагаем линзу на d₁ от лазера и выбираем F так, чтобы лучи сошлись на желаемом d₂. (В реальности - подстраиваем, двигая линзу и меняя d₁). Из треугольников выбираем диаметр линзы, при котором это возможно. В получившийся сходящийся пучок ставим (по схеме Галилея или Кеплера) вторую линзу в то место, где пучок приобретает желаемый диаметр, и второй линзой превращаем пучок в параллельный. (Для второй линзы все просто: лучи должны сходиться в точку в ее фокусе).

Во втором случае, где расхождение больше, вместо первой линзы ставим две линзы подряд. Формула та же, но применяется дважды, причем вторая линза ставится точно так же, как в первой схеме. А первая будет цилиндрической.

Что тут не учтено. Во-первых, сама формула не совсем верна. Она начинает ошибаться, когда луч становится очень тонким, и реальные расстояния могут где-то на миллиметр отличаться от вычисленных. Во-вторых, в первом случае перед линзами будет цилиндрическая линза, которая сработает под таким углом как плоская пластинка - даст маленькое преломление. Она еще чуть-чуть исказит картину. И еще надо толщину самих линз учесть. Это все на расчет повлияет несильно, просто надо оставить запас на регулировку. Или, конечно, можно воспользоваться формулами ABCD (матричным представлением оптики). Если умеете перемножать матрицы, я расскажу, как это делается.