СИСТЕМА ФОРМИРОВАНИЯ ОБЛУЧЕНИЯ МИШЕНИ И МОДУЛЬ ФОКУСИРОВКИ И НАВЕДЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ НА НЕЕ
SYSTEM FOR FORMATION OF TARGET IRRADIATION AND THE MODULE OF FOCUSING AND GUIDANCE OF RADIATION ON IT

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в конструкции лазерных установок для транспортировки, измерения параметров и фокусировки лазерного излучения на мишени и формирования пятна облучения с заданными характеристиками.
Из существующего уровня техники известна система формирования облучения мишени [New design of the Laser Megajoule final optics assembly (Hugget, A., Journot, E., Ferbos, R., Macias, F., Fayollas, P. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering 6665, art. no. 66650U (2007)], содержащая четыре оптических канала, объединенных в конфигурацию 2×2 каждый из которых по ходу излучения последовательно укомплектован размещенными в едином корпусе: модулями транспортировки, преобразования, фильтрации, измерения, фокусировки и наведения излучения на мишень. В составе модуля транспортировки имеются: фазовая пластина, формирующая распределение интенсивности на мишени и первая дифракционная решетка, вносящая предварительную деформацию пространственно-временной структуры пучка компенсируемой при дальнейшем распространении пучка второй дифракционной решетки. Элемент преобразования во вторую и третью гармонику состоит из нелинейных кристаллов KDP и дейтерированного KDP. Модуль фокусировки и наведения излучения на мишень, а также модуль фильтрации и модуль измерения выполнены на основе второй дифракционной решетки, пропускающей непреобразованное и малую часть преобразованного излучения для проведения измерения и отражающее и фокусирующее преобразованное излучение, направляемое на мишень. Он также включает в себя систему автоматической юстировки, герметизирующие и защищающие элементы. Автоматическая юстировка модуля осуществляется без взаимных перемещений оптических элементов опорно-поворотным устройством. Герметизирующие и защищающие элементы размещены перед вакуумным затвором с системой напуска газа, выполненным одним на четыре канала.
Недостатком аналога является сложная конструкция, все манипуляции с пучком осуществляются с использованием дорогостоящих полноапертурных дифракционных решеток с линейным размером более 1 м, имеющих пониженные пороги лучевой прочности. Затруднена диагностика их повреждений, невозможен контроль состояния всех узлов и элементов, что снижает срок эксплуатации системы, увеличивает время проведения и объем монтажно-наладочных и регламентных работ. Размещение всех представленных элементов в едином корпусе и юстировка корпуса в целом приводит к ухудшению эксплуатационных свойств, повышенной вероятности отказов, а также ухудшает весогабаритные параметры и увеличивает стоимость устройства.
Наиболее близким аналогом является система формирования облучения мишени [NIF final optics system: Frequency conversion and beam conditioning (Wegner, P., Optical Engineering at the Lawrence Livermore National Laboratory II: The National Ignition Proc. of SPIE Vol. 5341 (2004)), содержащая также четыре оптических канала, объединенных в конфигурацию 2×2 и каждый из которых укомплектован размещенными в едином корпусе по направлению излучения: модулем транспортировки, модулем фокусировки и наведения излучения на мишень в виде фазовой пластины и фокусирующего элемента, между которыми размещен модуль преобразования, модулем фильтрации и измерения с разделяющим и измерительным элементами, герметизирующим и защищающим элементами, и размещенный перед мишенью вакуумный затвор с системой напуска газа, который выполнен один на четыре канала. При этом в модуле фокусировки и наведения излучения на мишень фокусирующий элемент выполнен интегрально с системой автоматической юстировки. Модуль преобразования выполнен из нелинейных кристаллов KDP и дейтерированный KDP, последовательно преобразующие излучение во вторую и третью гармонику. В качестве разделяющих элементов модуля фильтрации и измерения используются две дифракционные решетки, служащие для выделения третьей гармоники от остальных и выделения части ее для проведения измерений в измерительном элементе. Герметизирующие элементы выполнены в виде вакуумного оптического окна и предназначены для разделения объемов с разным давлением. Защищающие элементы предназначены для обеспечения сохранности оптических средств модуля от продуктов распада мишени.
Представленная система формирования облучения мишени реализует режим работы на третьей гармонике, что накладывает жесткие требования на лучевую прочность оптических элементов. Кроме этого, конструкция громоздкая, ввиду использования в комплекте для преобразования излучения в третью гармонику дейтерированного кристалла KDP, системы пространственного разделения гармоник и измерения энергии излучения на основе дифракционных решеток. Большое количество оптических элементов приводит к возникновению паразитных излучений, несущих угрозу разрушения самих оптических элементов и материалов конструкции модуля, а также ухудшает характеристики излучения в области фокусировки. Из-за плотной компоновки оптических элементов в едином корпусе затруднена диагностика их повреждений, невозможен контроль состояния всех узлов и элементов, что снижает срок эксплуатации системы, увеличивает время проведения и объем монтажно-наладочных и регламентных работ. А также размещение всех представленных элементов в едином корпусе ухудшает весогабаритные параметры и увеличивает стоимость устройства.
Задачей предлагаемого изобретения является создание системы с увеличенным сроком службы, пониженной стоимостью, удобной в эксплуатации и с обеспечением надежного контроля состояния узлов и элементов.
Технический результат изобретения заключается в повышении срока эксплуатации системы, сокращение времени проведения и объемов монтажно-наладочных и регламентных работ.
Дополнительным техническим результатом является уменьшение весогабаритных характеристик и стоимости устройства в целом за счет уменьшения количества оптических и оптико-механических деталей и расширения возможностей выбора неоптических материалов за счет снижения требований к ним.
Указанный технический результат достигается тем, что в системе формирования облучения мишени, содержащей модули транспортировки, преобразования, модуль фильтрации и измерения с разделяющим и измерительным элементами, и расположенный в корпусе модуль фокусировки и наведения излучения на мишень, новым является то, что модуль фильтрации и измерения, и модуль преобразования размещены вне корпуса модуля фокусировки и наведения излучения на мишень и интегрированы в модуль транспортировки, а в качестве разделяющего элемента модуля фильтрации и измерения используют зеркало модуля транспортировки.
Указанный технический результат достигается также тем, что в модуле фокусировки и наведения излучения на мишень, содержащем, по меньшей мере, один оптический канал, включающий фокусирующий элемент с системой автоматической юстировки, герметизирующий и защищающий элементы, и размещенный перед мишенью вакуумный затвор, новым является то, что при выполнении одного оптического канала, оптические элементы этого канала или при выполнении нескольких оптических каналов, оптические элементы всех каналов объединены по функциональному назначению в последовательно расположенные по направлению излучения единые конструктивные блоки, при этом фокусирующий элемент или элементы и их системы автоматической юстировки - в блок фокусировки излучения, в котором каждый фокусирующий элемент размещен на собственном основании, а система автоматической юстировки представляет с собой платформу, на которой размещено это основание с возможностью перемещения по поверхности платформы вдоль направления излучения, герметизирующий или герметизирующие и защищающий или защищающие элементы объединены в защитный блок, а вакуумный затвор - в блок вакуумного затвора, причем в случае выполнения нескольких оптических каналов, каждый снабжен вакуумным затвором, которые размещены в блоке вакуумного затвора, во всех блоках выполнены перегородки, разделяющие блоки на отсеки, количество которых соответствует количеству каналов.
Кроме этого, при включении в оптический канал фазовой пластины, ее могут размещать на собственном основании в блоке фокусировки излучения с возможностью продольного перемещения по поверхности платформы. Механизм перемещения может быть выполнен в виде кареток, установленных на направляющих платформы и на которых размещено основание, при этом в платформе выполнено посадочное место под электродвигатель.
Влияние отличительных признаков патентной формулы системы облучения мишени на вышеуказанный технический результат.
Размещение модуля фильтрации и измерения, и модуля преобразования вне корпуса модуля фокусировки и наведения излучения на мишень и интегрирование их в модуль транспортировки, позволяет не допустить попадание паразитного излучения в вакуумную камеру и исключить его влияние на несанкционированную работу других оптических каналов, а также позволяет производить постоянный мониторинг и калибровку модуля фильтрации и измерения, что повышает срок эксплуатации системы, сокращает время проведения и объемы монтажно-наладочных и регламентных работ, и дополнительно уменьшает весогабаритные характеристики и стоимость устройства в целом.
Использование в качестве разделяющего элемента модуля фильтрации и измерения зеркала модуля транспортировки, обеспечивает развязку между разными оптическими каналами лазерной установки, что также влияет на повышение срока ее эксплуатации v сокращает время проведения и объем монтажно-наладочных и регламентных работ.
Влияние отличительных признаков патентной формулы модуля на вышеуказанный технический результат.
Объединение по функциональному назначению при выполнении одного оптического канала, оптических элементов этого канала или при выполнении нескольких оптических каналов, оптических элементов всех каналов в последовательно расположенные по направлению излучения единые конструктивные блоки, при этом фокусирующего элемента или элементов и их систем автоматической юстировки в блок фокусировки излучения, в котором каждый фокусирующий элемент размещен на собственном основании, герметизирующего или герметизирующих и защищающего или защищающих элементов в защитный блок, вакуумного затвора - в блок вакуумного затвора, в котором размещены, в зависимости от количества оптических каналов, один или несколько вакуумных затворов, обеспечивает удобство монтажа и процесса отработки узлов, измерения положения оптических элементов и ремонтопригодность устройства в целом, и вследствие чего, повышает срок эксплуатации и сокращает время проведения работ по настройке и обслуживанию.
Выполнение системы автоматической юстировки в виде платформы, на которой размещено основание фокусирующего элемента с возможностью перемещения по поверхности платформы вдоль направления излучения, позволяет упростить юстировку за счет отдельной регулировки по величине наклона и продольного положения, что также влияет на достижение вышеуказанного технического результата.
Выполнение во всех блоках перегородок, разделяющих блоки на отсеки, количество которых соответствует количеству каналов, позволяет исключить возможность попадания излучения из одного оптического канала в другой и повысить общую жесткость конструкции, вследствие чего, повышает срок эксплуатации и сокращает время проведения работ.
Размещение, при включении в оптический канал, фазовой пластины на собственном основании в блоке фокусировки излучения с возможностью продольного перемещения по поверхности платформы, позволяет управлять формой и распределением энергии в пятне облучения мишеней без угрозы повреждения фокусирующего элемента, что также влияет на достижение технического результата.
Выполнение механизма перемещения в виде кареток, установленных на направляющих платформы и на которых размещено основание, при этом в платформе выполнено посадочное место под электродвигатель, позволяет осуществить более точную и быструю юстировку.
Изобретение поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 показана блок-схема системы формирования облучения мишени;
На фиг. 2 показан вид сбоку конструкции модуля фокусировки и наведения излучения на мишень;
На фиг. 3 представлен вид сбоку конструкции системы автоматической юстировки элементов с фокусирующим элементом и фазовой пластиной;
На фиг. 4 представлен вид снизу системы автоматической юстировки;
На фиг. 5 представлен вид сверху системы автоматической юстировки;
На фиг. 6 показана конструкция блока вакуумного затвора;
На фиг. 7 представлен вид по ходу излучения модуля фокусировки и наведения излучения на мишень.
Позициями на фигурах обозначены:
1 - модуль транспортировки;
2 - модуль преобразования;
3 - модуль фильтрации и измерения;
4 - модуль фокусировки и наведения излучения на мишень;
5 - блок фокусировки излучения;
6 - защитный блок;
7 - блок вакуумного затвора;
8 - фазовая пластина;
9 - фокусирующий элемент;
10 - герметизирующий элемент;
11 - защищающий элемент;
12 - вакуумный затвор;
13 - система напуска газа;
14 - система автоматической юстировки;
15 - платформа системы автоматической юстировки;
16 - основание системы автоматической юстировки;
17 - механизм перемещения;
18 - перегородки, разделяющие блоки на отсеки.
Система формирования облучения мишени содержит модули транспортировки 1, преобразования 2, модуль фильтрации и измерения 3 с разделяющим и измерительным элементами (на фиг. не показаны), и расположенный в корпусе модуль фокусировки и наведения излучения на мишень 4. Модуль транспортировки 1 состоит из зеркал и служит для доставки излучения с выхода лазерной усилительной системы. В качестве модуля преобразования 2 используют нелинейные кристаллы KDP. При этом модуль фильтрации и измерения 3, и модуль преобразования 2 размещены вне корпуса модуля фокусировки и наведения излучения на мишень 4 и интегрированы в модуль транспортировки 1. В качестве разделяющего элемента модуля фильтрации и измерения 3 используют зеркало модуля транспортировки 1, а в качестве измерительного элемента используют калориметры полного внутреннего поглощения.
Модуль фокусировки и наведения излучения на мишень 4 объединяет в себе четыре оптических канала, объединенных в конфигурацию 2×2. Каждый из каналов по направлению излучения укомплектован едиными конструктивными блоками, а именно: блоком фокусировки излучения 5, защитным блоком 6 и блоком вакуумного затвора 7. Во всех блоках выполнены перегородки, разделяющие блоки на отсеки 18, количестве которых соответствует количеству каналов.
Блок фокусировки излучения 5 представляет с совой корпус из алюминиевого сплава в виде короба квадратного сечения с фланцами и разделенного с помощью перегородок на 4 отсека. Фланцы имеют элементы крепления и герметизации. В каждом отсеке корпуса имеются посадочные места для монтажа системы автоматической юстировки 14, на которой размещены фокусирующий элемент 9 в виде линзы в оправе и фазовая пластина 8 в оправе.
Система автоматической юстировки 14 выполнена в виде платформы 15 на которой размещены два основания 16 для фокусирующего элемента и фазовой пластины с возможностью перемещения по поверхности платформы вдоль направления излучения. Механизм перемещения 17 выполнен в виде кареток, установленных на направляющих платформы 15 и на которых размещены основания 16, при этом на платформе выполнено посадочное место под электродвигатель для изменения продольного положения фокусирующего элемента 9 и фазовой пластины 8 в автоматическом режиме. Оправы фокусирующих линз и фазовых пластин предназначены для закрепления соответствующих оптических элементов и их регулировок в процессе монтажной сборки с обеспечением их сохранности в процессе эксплуатации. Габаритные размеры фазовых пластин 8 составляют 420×420 мм. А в качестве фокусирующих элементов 9 используют асферические линзы, имеющие размеры в сечении, поперечном оси излучения, 420×420 мм (с апертурой 400×400 мм) и с фокусным расстоянием ~6640 мм.
Защитный блок 6 также выполнен из алюминиевого сплава в виде короба квадратного сечения с фланцами и разделенного с помощью перегородок на 4 отсека. Фланцы имеют элементы крепления и герметизации. В каждом отсеке корпуса имеются посадочные места для монтажа герметизирующего элемента 10 в виде пластин в оправах, необходимых для разделения объемов модуля с разным давлением и защищающего элемента 11 также в виде пластин в оправах, необходимых для защиты оптических деталей модуля от продуктов распада мишеней. Защищающие элементы 11 устанавливаются в оправы, которые имеют направляющие для быстрой установки и снятия в процессе обслуживания, а герметизирующие 10 - в оправы с прокладками и поджимаются заданным усилием. Габаритные размеры каждого защищающего элемента 11 - 420×420×40 мм. Габаритные размеры каждого герметизирующего элемента - 420×420×70 мм. Для замены подвесов защищающих элементов на корпусе предусмотрены герметично закрывающиеся крышки (на фиг. не показаны). Замена защищающего элемента является штатной процедурой и осуществляется через каждые 5-10 экспериментов.
Блок вакуумного затвора 7 выполнен с размером 2140×1660×733 мм и с 4-мя квадратными отсеками» разделенными также перегородками, для вывода излучения апертурой 355 мм. В каждом отсеке размещен вакуумный затвор 12 форточного типа с механизмом привода заслонок. Вакуумный затвор 12 служит для отделения защитного блока 6 от объема камеры взаимодействия (на фиг. не показано) с целью обслуживания и замены защищающих элементов. В состав блока вакуумного затвора 7 входит система напуска газа 13, управляющая давлением в выделяемом объеме.
-6
-4
В штатном режиме объем блока фокусировки излучения 5 заполнен газом Ar с избыточным давлением ~15-20 мм рт.ст., а защитный блок 6 и блок вакуумного затвора 7 находятся под вакуумом 10 мм рт.ст. (1,333×10 Па). Разделение объемов оптического модуля, находящихся под разным давлением, осуществляется при помощи герметизирующих элементов 10.
Материал оптических деталей: кварцевое стекло КУ-1 для фокусирующих элементов и фазовых пластин, радиационно стойкое стекло К-108 - для защищающих элементов.
Устройство работает следующим образом. Лазерное излучение с помощью модуля транспортировки 1 проходит через модуль преобразования 2, где излучение основной частоты преобразуется во вторую гармонику и поступает на разделяющий элемент модуля фильтрации и измерения 3, на котором происходит деление излучения: непреобразованная часть на основной частоте и малая часть преобразованного излучения проходит разделяющий элемент и поступают в измерительный элемент модуля фильтрации и измерения 3. Оставшаяся часть преобразованного излучения направляется разделяющим элементом с обеспечением поперечного прицельного положения на мишень через модуль фокусировки и наведения излучения на мишень 4. После чего в блоке фокусировки излучения 5 проходит продольное наведение фокусирующих элементов 9 с использованием системы автоматической юстировки 14 с механизмом перемещения 17 и формируется распределение интенсивности на мишени фазовой пластиной 8. Механизм перемещения 17 обеспечивает продольную юстировку путем перемещения оснований 16, размещенных на платформе 15.
Излучение, сформированное блоком 5, проходит через защитный блок 6, содержащий герметизирующий 10 и защищающий 11 элементы и распространяется к мишени. Блок вакуумного затвора 7 в открытом положении затвора 12 обеспечивает без препятственную трансляцию излучения к мишени, а в закрытом положении - вместе с системой напуска газа 13 обеспечивает возможность выравнивания давлений в корпусе и в защитном блоке 6 для проведения работ по замене защищающего элемента 11 в случае его повреждения осколками мишени.
На предприятии проведена конструкторская проработка и создана системе формирования облучения мишени и модуль фокусировки и наведения излучения на нее с увеличенным сроком службы, пониженной стоимостью, удобной в эксплуатации и с обеспечением надежного контроля состояния узлов и элементов. Разработанное устройство успешно применяется в конструкции современных лазерных установок для проведения прецизионных исследований и испытаний.