Расширитель лазерного пучка

Подскажите пожалуйста, возможно ли практически сузить пучок лазера с 4-5мм, до 0,5-0,1мм ? мне надо чтобы на расстоянии примерно 150-200мм от лазера пучок был как можно меньше и сохранял свой размер на протяжении еще на 400мм после (т.е. именно сузить, а не сфокусировать). Как это реализовать на 2х линзах я представляю, но только теоретически, но что-то мне не верится, что это получится практически. И еще вопрос, а если использовать диафрагму, то сильная ли будет дифракция, и можно ли будет ее убрать еще одной диафрагмой в фокусе линз?
Ах да, и надо чтобы расширитель был как можно короче))
Заранее спасибо за помощь!

 

Всем нигилистам - "борцам" с дифракцией! Люди! Вы хотя бы прочтите то, что написано на данном форуме для начала. был тред "Оптика для свечения в даль". Вроде как уже разобрали.

 

Читал эту тему, не пойму к чему упомянул ее. Даже из названия она мне не подходит) Мне надо не в даль светить, мне в пределах метра надо чтобы было все хорошо) Поясните, пожалуйста, что вы хотели сказать в своем сообщении.

 

beautiful_mind, незачёт Вам, однако. Основной сухой остаток упомянутого топика состоит в следующем: "Для того, чтобы пучок не расходился (читай - имел при распространении постоянный диаметр), его надо РАСШИРЯТЬ до максимально возможного диаметра".
Давайте прикинем вместе. Взяли пучок 5 мм (диаметр) и телескопом 10 крат получили 0.5 мм. По формуле гауссова пучка определяем границу дальней зоны: (pi x r^2)/lamda = 0. 3 [м] для красного света. Это означает, что отойдя от телескопа на 30 см, пучок по диаметру расширится в 1.42 раза. Если уйдём не на 30 см, а на 60, как Вам требуется, то будет ещё хуже. Если же сжать диаметр не до 0.5 мм, а до 0.1 (в чём я крепко сомневаюсь. Кратность телескопа уже 50!), то ситуация ухудшится в 25 раз.
Всё сказанное относится к "хорошему" пучку, например, от He-Ne лазера. Если это говноуказка, то результат будет ещё хуже. намного.

 

Ну про расходимость я знал, что чем больше пучок, тем она меньше, но формулу расчета не знал. То есть мне не удастся вообще никак добиться требуемого результата? Источник есть He-Ne лазер, но от него отказаться хотели, и поставили пока указку, но собираемся покупать лазерный модуль зеленый.
А если сделать пучок маленького диаметра и сфокусировать на 0.5 метра например, то не получится добиться того, что он будет по всей длине расходиться и в итоге иметь примерно один диаметр на всем протяжении этих 0.5м?
В общем то мне надо чтобы пучок был как можно меньше примерно через 10см от лазера и минимален еще через 40см на фотоприемнике, после отражения.

 

Из Вашего поста совсем не ясно, чего же надо и к чему стремитесь. Но можно организовать простой эксперимент. Берём диафрагму диаметром пусть 0.5 мм. Можно меньше. Такое относительно просто делается протыканием острой тонкой иголкой алюминиевой фольги. Надо только немного потренироваться. Затем эту диафрагму ставим на выходе вашего He-Ne максимально близко к выходному зеркалу. На 50 мм, я полагаю, подлезть сможете. А может, и менее. Т.е. сидим с сильно ближней зоне, волновой фронт почти плоский. Тогда с точностью до дифракционных колечек и сильно задавленной интенсивности вы увидите, как ведёт себя ваш пучок.

 

А с лазерным модуем намного хуже будет? Просто хотим всетаки убрать He-Ne лазер, из-за больших напряжений и сильных спеклов (в основном из-за напряжений, со спеклами даже не пытались бороться).
В общем чтобы было лучше понятна задача, объясню что требуется. Есть лазер, который светит на отражающую поверхность, которая находится на расстоянии примерно 10см, далее отразившийся пучок попадает на фотоприемник, которые находится на расстоянии примерно 40см от отражающей поверхности. Так вот, надо чтобы на поверхности был пучок как можно меньше, но в то же время самый маленький диаметр пучка должен быть на фотоприемнике.
Тоесть как я думаю возможно уменьшить диаметр пучка насколько это максимально возможно, а потом сфокусировать его на фотоприемник будет наилучшим решением, с учетом разъяснений, которые вы мне дали.
Но вот я не знаю, как лучше уменьшить диаметр пучка. До меня на гелий-неоновом лазере пытались вроде поставить диафрагму, но от нее была хорошая дифракция. И вот у меня возник вопрос, так как мы щас временно перешли на лазерную указку, то не будет ли лучшего эффекта, если диафрагму поставить до линзы в лазерной указке, после лазерного диода?

 

Все равно непонятно, что же измеряется. И почему геометрия именно такая. Но если надо чтоб на поверхности пучок был малого диаметра и на приёмнике тоже, то, может быть, счастье в том, чтобы изобразить поврхность на фотопиёмник? Хотя бы 2 F системой.

 

beautiful mind

Никто не делает пучок узким только потому что в двух местах должно быть маленькое пятно. Для этого всегда используют линзы, как уже сказал мирон, система 2F может решить дело.
На рисунке фокусные расстояния линз не обязательно одинаковые. на объекте и фотоприемнике будут пятна примерно такого же размера как на выходе лазера 1-2 мм. Если надо всеже 0.5 то положение линзы надо менять в соотвествии со школьной формулой для тонкой линзы

 

Тут дело в том, что после отражения от объекта луч не должен претерпевать никаких преобразований. Так как будет определяться положение этого пучка. На выходе не фотоприемник, а линейка фотодиодов, которая определяет положение пучка. И если будет стоять линза, то для определения конечного результата вычисления очень, очень сильно усложнятся))

 

Подумал тут посидел, линза после объекта вообще не усложнит мне вычисления, а с ней будет невозможно их произвести.
В общем, чтобы учесть все мелочи, расскажу как все на самом деле будет.

Есть лазер (1), с него выходит пучок на светоделительный кубик (2) и зеркало (3), получаются 2 пучка, которые падают на объект (4). Объект может быть изогнут (собственно радиус его изгиба и нужно определить). Далее отраженные пучки попадают на линейку фотодиодов (5).
Требуется, чтобы пучки были минимальны на объекте (4) и на линейке (5), притом не потерялась информация о расходимости пучков после объекта, чтобы можно было определить радиус объекта.
Я думаю, что стоит до светоделительного кубика поставить расширитель пучка в обратном направлении, тем самым уменьшить его диаметр как можно больше, далее поставить линзу, фокусирующую пучки на линейку фотодиодов. Конечно диаметры будут разными из-за разности пройденных расстояний, но это незначительно я думаю.
Ну собственно, скажите, стоит так делать или нет)) И как это все будет на практике, а то я только в теории представляю все.

 

Не, не усложняется, а становится невозможным. Ибо в первом приближении изображение на фотоприёмнике неподвижно при наклонах Вашего объекта.
Но Вы не первый и не последний, кто хочет проводить измерения угловых/ линейных величин бесконтактным оптическим методом. И здесь только один совет - не стоит изобретать велосипед и предлагать удалять гланды через задний проход. А идея с пучтом 0.1 мм - это оно и есть.
Обычная идея: берём пучок реального размера, несколько мм диаметром. Главное - чтобы он был гладким, а не побитым спеклами. Тут Вы правы на 100%. Попадаем на линейку. Линейки бывают двух видов. С квадратным пикселом (для сканеров) и с сильно прямоугольным (для считывателей штрих-кода). Последние сильно предпочтительнее. Читаем сигнал с линейки. Разумется, засвечеными оказываются много-много пикселов. Но на то и постобработка, чтобы найти энергетический центр тяжести пучка, т.е. пиксел, на который приходится максимум. Любой современный микропроцесор с этой задачей спавляется на "ура".
Конечно, такой подход сильно усложняет электронику. Но электроника сейчас стоит копейки, существенно меньше, чем дикие извращения с оптикой. Кроме того, всё идейно понятно и ясно.
Но может быть и другой подход. Нашёл применение для решения задачи котроля положения балки кантилевера в томно-силовых микроскопах. используется 4-х квадрантный фотодиод. Измеряемые отклонения - единицы нанометров. Естественно, для Вашего случая схему надо перерабатывать, но идею никто не отменял. Про это дело можно прочитать в книге В.Л. Миронов "основы сканирующей зондовой микроскопии". В Сети валяется.

 

Beautiful_mind! Картинка не загрузилась!
Блин! У Вас всё время задача меняется. То фотодиод, то линейка. ТО положение пучка определить, а на самом деле - прогиб образца. Вы, ради бога определитесь, что же хочется.

 

Просто я думал мне дадут ответ на мой вопрос, а мне стали предалагать лучшие варианты решения. Хотел как проще а оказалось как всегда) И вот опять вы хотите предложить мне новый вариант, который мне не нужен. Так сейчас у нас все работает. Но нужна большая точность, потому что погрешность измерения центра пучка соизмерима с величиной его отклонения. И для этого мне нужна фокусировка, о которой я и хочу получить у вас консультацию, добрые люди))
Ниже привожу картину пучков на линейке фотодиодов, как вы можете видеть, хоть пучки и достаточно красивые, но макушки у них в спеклах, и из-за этого появляются погрешности измерения цента пучка, а если уменьшить диаметр, то эту погрешность можно уменьшить.

А варианты переделки схемы под другую мы тоже не рассматриваем, потому что это может оказаться затратно. Но у нас есть куча линз, которые можно одеть в железо и собрать оптическую схему. Так же на крайняк нам могут и изготовить линзы на заказ.

 

Картинка загрузилась. Но опять ни хрена не ясно.

Так, как нарисовано и далее сказано про телескоп и линзу, делать нельзя. Однозначно.
Если выжать сухой остаток, то есть объект, деформацию которого под нагрузкой надо измерить. Так во всех случаях задача начинается с постановки. Что за объект (геометрические размеры, форма ненагруженной поверхности, как он отражает)? Что же нужно измерить на самом деле (максимальную стрелку прогиба или профиль деформированной поверхности)? В каком диапазоне (линейная мера ) лежат дефомации? Это навскидку, на самом деле ещё много-много всего. Лишь после ответа на все эти вопросы можо предлагать способ решения. А то будем блудить в трёх соснах.

 

Вот картина пучков, сфокусированных на линейке. Но тут так как пучки достаточно большие на объекте бывают они расширяются и искривляются. Если взять плоскую отражающую поверхность, то они гораздо уже получаются.

 

Слава Богу, добрались до идейного финиша. Как говорят в Одессе: "Идите на привоз, купите там себе петуха и е@те мозг ему"! Что, с самого начала трудно было выложить схему эксперимента и график сигнала с линейки?
Сильно изрезанная макушка пятна - это следствия шероховатости образца? Какой у Вас размер пиксела? Пробовали ли Вы какую-то процедуру сглаживания интерференционного звона?

 

Я же говорил, что хотел только ответ на 1 вопрос в начале, а оказалось не все так просто. А схему я выложил как только начали появляться другие вопросы))
Образец не шероховат. Но он оптически активен. На нем тонкая пленка. Но даже если поставить просто отражающую поверхность, то пучок будет таким же. За счет фокусировки на линейку добились более лучших результатов. Ниже картина сфокусированных пучков от плоской отражающей поверхности.

А это пучки в плоскости образца на данный момент (при фокусировке на линейку)

Процедуру сглаживания применяем. Я разрабатывал программное обеспечение, которое аппроксимирует пучки по гауссу (но тут тоже возникают вопросы, потому что с виду это всетаки лоренц, а не гаусс). Ниже картины аппроксимации пучков от плоской отражающей меры и пучков в плоскости образца.

Это действительно вам надо? Помоему лишняя информация, которая уже необходима мне, чтобы привести измерения к окончательному результату))
Объект балочка примерно 20мм на 4мм. Измерить надо радиус, но это я все сделаю из данных, которые получу с линейки. Деформации радиуса в пределе 10м-бесконечность.

 

Вот Вы выложили кучу своих экспериментальных данных. Большая работа сделана. ЗачОт! Но для меня есть всё же много неясного. Надо репу почесать.
Если фокусировка даёт хороший результат, то в чём вопрос? Не понимаю пинципиально.
Если в конечном итоге надо определить радиус балки под нагрузкой (я не прочнист, но откуда следует, что балка станет именно по цилиндру?), то, IMHO, требуется измерить единственный параметр - стрелку пригиба. Длина между опорами, полагаю, известна. Почему же применяется схема измерения с двумя пучками?

Разумеется, нет. Легко обойдусь. Но вопрос то задали Вы.

 

Я измеряю не под нагрузкой. Опор нет, образец лежит на печке и вы его греем. Вот почитал книжку, которую посоветовали. У них там есть оксид кремния на кремнии, вот их то мы и изучаем, чтобы потом их могли использовать для всяческих вот таких целей типа микроскопа)
Балочка по теории должна прогнуться по радиусу, есть литература по физике тонких пленок на подложке, там все в общем разъясняется. Но в реале получается не совсем так, и конечно лучше использовать схему с большим количеством пучков, либо вообще какую нибудь голографическую схему, это возможно будет в будущем. Фокусировка дает лучший результат, но не хороший. Нам нужно так же измерять расстояния пучков в плоскости образца, чтобы в конце определить радиус. Но как вы можете видеть, в плоскости образца пучки очень широкие получаются, что увеличивает погрешность измерения. Да и образец, как оказалось, не всегда плоский (даже не может быть идеально плоским), особенно он скруглен на краях, из-за тонкостей его изготовления и обработки. Поэтому большой пучок на образце уширяется в плоскости меньшей грани балочки и достаточно сильно, да и из-за радиуса всего образца и в другой плоскости уширяется. Да и вообще лучше чтобы мы получали информацию от как можно меньшей площади на образце (в смысле в одном пучке, а не в общем).