Оптическая система дистанционной передачи энергии на базе мощных волоконных лазеров
OPTICAL SYSTEM FOR REMOTE ENERGY TRANSMISSION BASED ON POWERFUL FIBER LASERS

Изобретение относится к области создания систем дистанционной передачи энергии лазерного излучения на воздушные и космические объекты и лазерных локационных систем наведения с высокой точностью лазерного канала передачи энергии на приемник-преобразователь на основе полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) для преобразования электромагнитной энергии лазерного излучения высокой плотности. Области применения такого преобразования - беспроводные системы дистанционного энергопитания воздушных или космических объектов [В.А. Грилихес, П.П. Орлов, Л.Б. Попов. Солнечная энергия и космические полеты. М.: Наука, 1984, с. 199].
В космической технике определился ряд новых направлений, основанных на использовании лазерного излучения. Среди них весьма перспективным направлением следует считать передачу энергии космическим аппаратам (КА) с помощью лазерных систем передачи энергии (ЛСПЭ) на базе мощных волоконных лазеров, с последующим преобразованием в электроэнергию в приемниках-преобразователях. Волоконные лазеры, интенсивно развивающиеся в настоящее время, сочетают в себе свойства собственно генераторов излучения (лазерных диодов), усилителей излучения и высокоэффективных световодов [В.И. Кишко, В.Ф. Матюхин. Принципы построения адаптивных ретрансляторов для стратосферных систем передачи энергии // Автометрия. 2012. Т. 48, №2, с. 59-66.].
В настоящее время каждый КА оснащен собственной системой генерирования электрической энергии. Однако существует альтернативный способ энергоснабжения, предусматривающий использование централизованных электростанций и передачу энергии космическим аппаратам-потребителям при помощи электромагнитного излучения (ЭМИ). При этом можно реализовать схему централизованного энергоснабжения, как отдельных КА, так и их группировок, что расширяет их функциональные возможности и увеличивает их ресурс.
По сравнению с другими источниками излучения лазеры обладают самой высокой степенью когерентности. Это свойство лазеров используется в оптических системах для передачи и приема информации и в других случаях. Применение лазеров как источников излучения требует разработки оптических систем, служащих для преобразования лазерного излучения. С помощью таких систем могут решаться следующие задачи: концентрация лазерного излучения в пятно малых размеров (фокусировка); преобразование лазерного пучка в пучок с малым углом расходимости (коллимация); формирование лазерного пучка в пучок с необходимыми параметрами для согласования с последующей оптической системой (согласование) [Н.П. Заказнов, С.И. Кирюшин, В.Н. Кузичев. Теория оптических систем. 3-е изд. М.: Машиностроение, 1992. с. 318-319]. Для успешной реализации передачи лазерного излучения на объект-потребитель необходимо создать оптическую систему, эффективно собирающую единичные лазерные пучки и формирующую суммарный малорасходящийся пучок.
Известны лазерно-оптические системы для формирования мощных лазерных пучков на протяженных трассах с заданными характеристиками, построенные по схеме когерентного или некогерентного суммирования отдельных лазерных источников в один мощный пучок с низкой расходимостью.
Так в изобретении, предложенном в [Патент RU 2117322. Опубл. 10.08.1998. МПК: G02B 27/48 (2006.01).] приведено устройство для формирования световых пучков. Устройство содержит источник когерентного оптического излучения и вогнутое главное зеркало, устройство обращения волнового фронта со светоделителем на входе и две вспомогательные оптические системы, обеспечивающие самопроецирование главного зеркала самого на себя. Главное зеркало и элементы обеих вспомогательных систем расположены соосно. Светоделитель выполнен в виде полупрозрачного зеркала, нанесенного на поверхность линзового элемента одной из вспомогательных систем. Первая вспомогательная система может быть выполнена в виде вогнутого зеркала, линзового компонента и мениска, обращенного выпуклой поверхностью к главному зеркалу. Следует отметить, что вспомогательные оптические системы должны иметь высокое оптическое качество. При использовании предложенной оптической системы в качестве коллиматора существенным недостатком является то, что вспомогательные системы содержат большое количество оптических поверхностей, погрешности которых сказываются на точности формируемого волнового фронта.
i
i
a
a
a
c
c
c
*
*
*
Оптическая система формирования и наведения лазерного излучения, предложенная в [Патент RU 2663121, опубликован 07.08.2018, бюл. №22, МПК: G01S 17/88 (2006.01), F41G 3/22 (2006.01)] включает: передающий лазерный комплекс из n-лазерных модулей, каждый из которых содержит оптоволоконный вывод с сердцевиной, торец сердцевины которого является источником излучения, создающего единичный лазерный пучок; светоделительный элемент; трехкоординатный элемент сканирования, выполненный в виде подвижной линзы. На выходе оптической системы суммарный лазерный пучок лучей падает на вогнутое параболическое зеркало, конструктивно связанное с устройством "грубого" наведения, и отражается в виде малорасходящегося пучка лучей. В оптическую систему введены n коллиматоров, сумматор единичных лазерных пучков и трехкоординатный блок сканирования, причем каждый i-й лазерный модуль, где i=1, 2, …n, снабжен оптоволоконным выводом с числовой апертурой NA и диаметром d сердцевины, с торца сердцевины которого дивергентный луч лазера поступает в упомянутый i-ый коллиматор на содержащуюся в нем асферическую линзу с передним и задним фокусными расстояниями f и f соответственно. Причем главная оптическая ось асферической линзы перпендикулярна плоскости торца сердцевины соответствующего оптоволоконного вывода и проходит через его центр, размещенный в переднем фокусе f. Сумматор единичных лазерных пучков состоит из n светоделительных элементов, выполненных в виде дихроичных пластин, через геометрический центр каждой из которых проходит под углом 45° главная оптическая ось соответствующей асферической линзы коллиматора. Главные оптические оси асферических линз параллельны и лежат в одной плоскости, а упомянутые дихроичные пластины установлены параллельно между собой так, что через их геометрические центры под углом 45° проходит главная оптическая ось подвижной линзы перпендикулярная главным оптическим осям асферических линз. При этом подвижная линза установлена на микропозиционере трехкоординатного блока сканирования и выполнена асферической, с передним и задним фокусными расстояниями f и f, соответственно. Главная оптическая ось подвижной линзы проходит через фокус F зеркала через его геометрический центр, через который проходит оптическая ось параболического зеркала, параллельная или совпадающая с оптической осью его полной параболы. При этом упомянутый фокус F совпадает с задним фокусом f подвижной линзы.
Одним из основных недостатков данной оптической системы формирования и наведения лазерного излучения является конструктивное исполнение ЛСПЭ для формирования результирующего лазерного пучка. В данном техническом предложении рассматриваемая конструкция устройства основана на пространственном некогерентном сложении отдельных излучателей и не позволяет получать на выходе пучки дифракционного качества с постоянным однородным и неизменным распределением плотности мощности по сечению пучка на протяженных трассах. Другим недостатком предложенного устройства, затрудняющим его эксплуатацию, является то, что оптическая система содержат большое количество оптических поверхностей, погрешности которых сказываются на точности формируемого волнового фронта.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является оптическая система дистанционной передачи энергии лазерного излучения, рассмотренная в [В.И. Кишко, В.Ф. Матюхин. Принципы построения адаптивных ретрансляторов для стратосферных систем передачи энергии // Автометрия. 2012. Т. 48, №2, с. 59-66].
Предложена оптическая система дистанционной передачи энергии на базе мощных волоконных лазеров, включающая передающий лазерный комплекс, состоящий из n лазерных волоконных модулей, каждый с оптоволоконным выводом, причем излучающие торцы оптоволоконных выводов равномерно размещены в одной плоскости среза по окружности радиуса r и перпендикулярны центральной оси оптической системы, проходящей через центр упомянутой окружности, оптическое зеркало, конструктивно связанное с системой наведения излучения, на которое падает излучение, отражаясь от него в виде суммарного излучения.
Суммарное излучение единичных лазерных пучков от торца волоконного жгута через защитную пластину и светоделительный элемент поступает на вход телескопической системы, включающую рассеивающую и собирающую линзы, формирования суммарного лазерного пучка с параллельными лучами. Далее суммарный лазерный пучок падает на плоское зеркало, конструктивно связанное с устройством "грубого" наведения, что позволяет наводить систему в широком диапазоне углов, и отражается в виде малорасходящегося пучка лучей. Причем, рассеивающая линза выполнена подвижной, что позволяет осуществлять точную фокусировку и сканирование лазерного пучка в двух поперечных направлениях. Суммарный лазерный пучок на выходе из оптической системы имеет форму близкую к кольцу, где центральная часть используется оптико-электронной системой наведения излучения.
Нужно отметить, что предложенная компоновка оптической системы не позволяет сформировать на выходе пучок дифракционного качества даже при использовании одномодовых волоконных лазеров. Так же, выходной пучок имеет неоднородное меняющееся на различных расстояниях от ЛСПЭ распределение плотности мощности по сечению пучка.
Задачей изобретения является:
- повышение надежности ЛСПЭ;
- облегчение сервисного обслуживания и ремонта ЛСПЭ;
- снижение себестоимости ЛСПЭ.
Техническим результатом изобретения являются:
- создание компактной оптической системы телескопического типа дистанционной передачи энергии лазерного излучения на базе мощных волоконных лазеров;
- возможность наращивания оптической мощности лазерного излучения;
- повышение направленности формируемого пучка лазерного излучения за счет повышения точности юстировки и сканирования;
- меньший вес, простота конструкций.
Б
1
Л
Л
Л
ЛП
2
1
2
Б
Л
Б
Технический результат достигается тем, что оптическая система дистанционной передачи энергии на базе мощных волоконных лазеров, включающая передающий лазерный комплекс, состоящий из n лазерных волоконных модулей, каждый с оптоволоконным выводом, причем излучающие торцы оптоволоконных выводов равномерно размещены в одной плоскости среза по окружности радиуса r и перпендикулярны центральной оси оптической системы, проходящей через центр упомянутой окружности, оптическое зеркало, конструктивно связанное с системой наведения излучения, на которое падает излучение, отражаясь от него в виде суммарного излучения, при этом в нее введен коллимирующий блок, имеющий корпус с внешним диаметром d и состоящий из волоконно-оптических коллимирующих устройств, конструктивно их объединяющий, идентичных по конструкции и составу для каждого из n лазерных волоконных модулей с длиной волны излучения λ, включающих отрезок оптоволокна с осью сердцевины диаметром δ с показателем преломления n и с числовой апертурой NA оптоволоконного вывода, оконцованного оптическим разъемом, и линзу, выполненную асферической с фокусом F, фокусным расстоянием f, установленную на расстоянии f от излучающего торца, с диаметром асферической линзы d, причем асферическая линза установлена на границе плоскости среза корпусов упомянутых коллимирующих устройств, снабженных системой терморегулирования и механизмом перемещения асферических линз вдоль центральной оси оптической системы, при этом главная оптическая ось асферической линзы совпадает с осью сердцевины отрезка оптоволокна, а центральная ось коллимирующего блока совпадает с центральной осью оптической системы, причем ось сердцевины отрезка оптоволокна параллельна центральной оси оптической системы, при этом пучки лазерного излучения диаметром d, выходящие из волоконно-оптических коллимирующих устройств, падают на вторичное оптическое зеркало, конструктивно связанное с устройством сканирования, на его выпуклую поверхность, выполненную в виде параболоида вращения с фокусом F, ось которого совпадает с центральной осью оптической системы, отражаясь от вторичного оптического зеркала пучки лазерного излучения падают на оптическое зеркало, являющееся главным оптическим зеркалом, на его вогнутую поверхность, выполненную в виде параболоида вращения, отражающую в свою очередь на плоскость изображения малорасходящиеся пучки лазерного излучения, с фокусом F, совпадающим с F, ось которого совпадает с центральной осью оптической системы, причем коллимирующий блок с волоконно-оптическими коллимирующими устройствами, системой терморегулирования и механизмом перемещения линз установлен в оптической системе через центральное круглое отверстие диаметром d в главном оптическим зеркале так, что выполняется условие d≥d, а плоскость среза корпуса коллимирующего блока, совпадающая с плоскостью среза корпусов упомянутых коллимирующих устройств, отстоит от вторичного оптического зеркала на расстоянии L, при этом расстояние f асферической линзы от излучающего торца и ее диаметр d, радиус r окружности размещения излучающих торцов и внешний диаметр d корпуса коллимирующего блока, а также диаметр выходной апертуры излучателя оптической системы D и расстояние L отвечают соотношениям:
К
где d - внутренний диаметр корпуса волоконно-оптических коллимирующих устройств;
К
Б
где h и h - толщины стенки корпуса коллимирующего устройства и стенки корпуса коллимирующего блока, соответственно.
2
где h - параметр, определяемый из соотношения:
1
2
а Р и Р - фокальные параметры парабол, образованных пересечением плоскости YOX с параболоидами вращения с координатной осью ОХ и образующими отражающие вогнутую поверхность главного оптического зеркала и выпуклую поверхность вторичного оптического зеркала, соответственно.
Суть изобретения поясняется фиг. 1-5, где приняты следующие обозначения:
1 - передающий лазерный комплекс;
2 - лазерный волоконный модуль;
3 - оптоволоконный вывод;
4 - излучающий торец оптоволоконного вывода 3;
5 - плоскость среза излучающих торцов 4;
6 - центральная ось оптической системы;
7 - главное оптическое зеркало;
8 - коллимирующий блок;
9 - корпус коллимирующего блока 8;
10 - волоконно-оптическое коллимирующее устройство (коллимирующее устройство);
11 - отрезок оптоволокна оптоволоконного вывода 3;
12 - ось сердцевины 13 отрезка оптоволокна 11;
13 - сердцевина оптоволоконного вывода 3;
14 - оптический разъем оптоволоконного вывода 3;
15 - асферическая линза (линза);
16 - корпус коллимирующего устройства 10;
17 - плоскость среза корпуса 16 коллимирующего устройства 10;
18 - система терморегулирования коллимирующих устройств 10;
19 - механизм перемещения асферических линз 15;
20 - главная оптическая ось асферической линзы 15;
21 - центральная ось коллимирующего блока 8;
22 - пучок лазерного излучения;
23 - вторичное оптическое зеркало;
24 - устройство сканирования;
25 - выпуклая поверхность вторичного оптического зеркала 23;
26 - ось вторичного оптического зеркала 23;
27 - вогнутая поверхность главного оптического зеркала 7;
28 - плоскость изображения;
29 - пучок лазерного излучения;
30 - ось главного оптического зеркала 7;
31 - плоскость среза корпуса 9 коллимирующего блока 8;
32 - центральный луч;
33, 34, 35, 36 - крайний луч;
37 - оптическая оболочка оптоволоконного вывода 3;
38 - приемник лазерного излучения.
1
2
ЛП
Б
min
Б
Б
Б
Б
Б
1
1
1
1
1
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
1
2
2
2
2
На фиг. 1 приведена принципиальная оптическая схема системы дистанционной передачи энергии на базе мощных волоконных лазеров. На фиг. 1 обозначено: F - фокус главного оптического зеркала 7; F - фокус вторичного оптического зеркала 23; d - диаметр пучка лазерного излучения 22 выходящего из волоконно-оптического коллимирующего устройства 10; d - внешний диаметр корпуса 9 коллимирующего блока 8; r - радиус окружности размещения излучающих торцов 4 оптоволоконных выводов 3; d - диаметр центрального отверстия в главном оптическом зеркале 7; D - диаметр выходной апертуры излучателя оптической системы; L - расстояние от плоскости среза 31 корпуса 9 коллимирующего блока 8 до вторичного оптического зеркала 23; X, Y, Z - координаты положения элементов оптической системы; О - начало координат и вершина параболы главного оптического зеркала 7; L - минимальное расстояние плоскости среза 31 корпуса 9 коллимирующего блока 8 от вторичного оптического зеркала 23; М(х,у) - точка с координатами (х,у) на фокальном радиусе-векторе точки параболы главного оптического зеркала 7; M(x,y) - точка с координатами (x,y) на отражающей вогнутой поверхности 27 главного оптического зеркала 7; М(х,у) - точка с координатами (х,у) на отражающей выпуклой поверхности 25 вторичного оптического зеркала 23; С - одна из вершин треугольника ΔMCF (образуется при пересечении вертикали, опущенной из точки М, с осью 26 вторичного оптического зеркала 23); β - угол между фокальным радиусом-вектором точки M (или точки М) и центральной осью 6 оптической системы; O - вершина параболы вторичного оптического зеркала 23; Δх - расстояние между точками O и С, лежащими на оси 26 вторичного оптического зеркала 23; вид А приведен на фиг. 3.
Б
К
ЛП
На фиг. 2 приведен разрез коллимирующего блока 8, состоящего из волоконно-оптических коллимирующих устройств 10, включающих отрезок оптоволокна 11 оптоволоконного вывода 3, оконцованного оптическим разъемом 14, и асферическую линзу 15, снабженных системой терморегулирования 18 и механизмом перемещения 19 асферических линз 15. На фиг. 2 обозначено: d - внешний диаметр корпуса 9 коллимирующего блока 8; d - внутренний диаметр корпуса 16 коллимирующего устройства 10; d - диаметр пучка лазерного излучения 22 выходящего из волоконно-оптического коллимирующего устройства 10; f - расстояние между излучающим торцом 4 оптоволоконного вывода 3 и асферической линзой 15.
Б
Л
На фиг. 3 приведен вид А, ранее упомянутый на фиг. 1, где d - внешний диаметр корпуса 9 коллимирующего блока 8; d - диаметр асферической линзы 15; r - радиус окружности размещения излучающих торцов 4 оптоволоконных выводов 3.
ЛП
Л
Л
S
Л
*
На фиг. 4 приведены элементы коллимирующего устройства, где обозначено: α - апертурный угол - угол между осью 12 сердцевины 13 отрезка оптоволокна 11 и крайним лучом 33, являющимся предельным апертурным лучом одного из образующих светового конуса на выходе из сердцевины 13 отрезка оптоволокна 11; δ - диаметр сердцевины 13 оптоволоконного вывода 3; d - диаметр пучка лазерного излучения 22 выходящего из волоконно-оптического коллимирующего устройства 10; F - фокус асферической линзы 15; f - фокусное расстояние асферической линзы 15; f - расстояние излучающего торца 4 оптоволоконного вывода 3 от асферической линзы 15; S - точечный источник; S - точечный источник (мнимый); Δ - расстояние излучающего торца 4 оптоволоконного вывода 3 от переднего фокуса асферической линзы 15 F.
1
2
На фиг. 5 приведена общая схема оптической системы дистанционной передачи энергии на базе мощных волоконных лазеров, где обозначено: F - фокус главного оптического зеркала 7; F - фокус вторичного оптического зеркала 23.
Б
1
Л
Л
Л
ЛП
2
1
2
Б
Л
Б
Оптическая система дистанционной передачи энергии на базе мощных волоконных лазеров, включающая передающий лазерный комплекс 1, состоящий из n лазерных волоконных модулей 2, каждый с оптоволоконным выводом 3, причем излучающие торцы 4 оптоволоконных выводов 3 равномерно размещены в одной плоскости среза 5 по окружности радиуса r и перпендикулярны центральной оси оптической системы 6, проходящей через центр упомянутой окружности, оптическое зеркало 7, конструктивно связанное с системой наведения излучения, на которое падает излучение, отражаясь от него в виде суммарного излучения, при этом в нее введен коллимирующий блок 8, имеющий корпус 9 с внешним диаметром d и состоящий из волоконно-оптических коллимирующих устройств 10, конструктивно их объединяющий, идентичных по конструкции и составу для каждого из n лазерных волоконных модулей 2 с длиной волны излучения λ, включающих отрезок оптоволокна 11 с осью 12 сердцевины 13 диаметром δ с показателем преломления n и с числовой апертурой NA оптоволоконного вывода 3, оконцованного оптическим разъемом 14, и линзу 15, выполненную асферической с фокусом F, фокусным расстоянием f, установленную на расстоянии f от излучающего торца 4, с диаметром асферической линзы 15 d, причем асферическая линза 15 установлена на границе плоскости среза 17 корпусов 16 упомянутых коллимирующих устройств 10, снабженных системой терморегулирования 18 и механизмом перемещения 19 асферических линз 15 вдоль центральной оси оптической системы 6, при этом главная оптическая ось 20 асферической линзы 15 совпадает с осью 12 сердцевины 13 отрезка оптоволокна 11, а центральная ось 21 коллимирующего блока 8 совпадает с центральной осью оптической системы 6, причем ось 12 сердцевины 13 отрезка оптоволокна И параллельна центральной оси оптической системы 6, при этом пучки лазерного излучения 22 диаметром d, выходящие из волоконно-оптических коллимирующих устройств 10, падают на вторичное оптическое зеркало 23, конструктивно связанное с устройством сканирования 24, на его выпуклую поверхность 25, выполненную в виде параболоида вращения с фокусом F, ось 26 которого совпадает с центральной осью оптической системы 6, отражаясь от вторичного оптического зеркала 23 пучки лазерного излучения 22 падают на оптическое зеркало 7, являющееся главным оптическим зеркалом 7, на его вогнутую поверхность 27, выполненную в виде параболоида вращения, отражающую в свою очередь на плоскость изображения 28 малорасходящиеся пучки лазерного излучения 29, с фокусом F, совпадающим с F, ось 30 которого совпадает с центральной осью оптической системы 6, причем коллимирующий блок 8 с волоконно-оптическими коллимирующими устройствами 10, системой терморегулирования 18 и механизмом перемещения 19 линз 15 установлен в оптической системе через центральное круглое отверстие диаметром d в главном оптическим зеркале 7 так, что выполняется условие d≥d, а плоскость среза 31 корпуса 9 коллимирующего блока 8, совпадающая с плоскостью среза 17 корпусов 16 упомянутых коллимирующих устройств 10, отстоит от вторичного оптического зеркала 23 на расстоянии L, при этом расстояние f асферической линзы 15 от излучающего торца 4 и ее диаметр d, радиус r окружности размещения излучающих торцов 4 и внешний диаметр d корпуса 9 коллимирующего блока 8, а также диаметр выходной апертуры излучателя оптической системы D и расстояние L отвечают соотношениям (1-6):
К
где d - внутренний диаметр корпуса 16 волоконно-оптических коллимирующих устройств 10;
К
Б
где h и h - толщины стенки корпуса 16 коллимирующего устройства 10 и стенки корпуса 9 коллимирующего блока 8, соответственно.
2
где h - параметр, определяемый из соотношения:
1
2
a P и Р - фокальные параметры парабол, образованных пересечением плоскости YOX с параболоидами вращения с координатной осью ОХ и образующими отражающие вогнутую поверхность 27 главного оптического зеркала 7 и выпуклую поверхность 25 вторичного оптического зеркала 23, соответственно.
Оптическая система дистанционной передачи энергии на базе мощных волоконных лазеров работает следующим образом.
1
2
0
1
Б
1
Л
Л
Л
1
0
1
0
S
Л
Л
Л
ЛП
2
2
1
2
2
1
Б
Л
Б
*
*
С помощью специальной системы поиска, слежения и наведения (ПСН) (на фиг. 1-5 не показано) осуществляется поиск, захват и удержание приемника лазерного излучения 38, установленного на воздушных или космических объектах, оснащенных, например, фотоэлектрическими приемными панелями (на фиг. 1-5 не показано), преобразующими лазерное излучение в электрический ток. Определение координат центра и слежение за центром приемника лазерного излучения 38 система ПСН ведет с помощью, например, опорных источников (на фиг. 1-5 не показано) и выдает данные в систему питания и управления (СПУ) (на фиг. 1-5 не показано), которая формирует команды для обеспечения "грубого" наведения оптической системы с главным оптическим зеркалом 7, например, с помощью поворотной платформы (на фиг. 1-5 не показано). После выполнения захвата и удержания приемника лазерного излучения 38 по сигналу от СПУ поступает управляющая команда на подачу электропитания передающему лазерному комплексу 1 для питания n мощных лазерных волоконных модулей 2, выполненных в виде генераторов излучения с определенной длиной волны λ. СПУ посредством электрических сигналов и команд управляет работой лазерной системы передачи энергии (ЛСПЭ), а также обеспечивает электропитание и заданный тепловой режим всей системы и ее составляющих. Каждый из n лазерных волоконных модулей 2 с длиной волны излучения λ генерирует когерентные электромагнитные волны, передаваемые по оптоволоконному выводу 3 в оптическую систему формирования и точного наведения суммарного излучения, состоящего из m, где m=n, малорасходящихся пучков лазерного излучения 29, на плоскость изображения 28 (фиг. 5), совмещая ее с плоскостью приемника лазерного излучения 38 (фиг. 5), например, с фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП). С началом работы и в процессе работы лазерных волоконных модулей 2 от системы диагностики состояния (на фиг. 1-5 не показано) ЛСПЭ поступает информация в СПУ о состоянии элементов оптической системы, в частности по температурным параметрам от системы терморегулирования 18, и выдачи информационных сигналов о готовности, отказе или нештатном режиме работы оптической системы для выработки и принятия управляющих команд. Мощное когерентное электромагнитное излучение оптического диапазона, генерируемое излучателем каждого из n лазерного волоконного модуля 2 распространяется по оптоволоконному выводу 3 благодаря явлению полного внутреннего отражения. Показатель преломления n сердцевины 13, соответствующий длине волны излучения λ лазерных волоконных модулей 2, обычно имеет величину всегда немного большую, чем показатель преломления n оптической оболочки 37 оптоволоконного вывода 3. Поэтому световые волны, распространяющиеся в сердцевине 13 под углом, не превышающим критическое значение, претерпевают полное внутреннее отражение от оптической оболочки 37. Путем многократных переотражений от оболочки 37 эти волны распространяются по оптоволоконному выводу 3, выходя через его излучающий торец 4 в среду (воздух или космическое пространство) с показателем преломления n<n [Специальные волоконные световоды: учеб. пособие / Д.Б. Шумкова, А.Е. Левченко. - Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2011. - 178 с. С. 9]. При этом в оптическую систему введен коллимирующий блок 8, имеющий корпус 9 с внешним диаметром d и состоящий из волоконно-оптических коллимирующих устройств 10, конструктивно их объединяющий, идентичных по конструкции и составу для каждого из n лазерных волоконных модулей 2 с длиной волны излучения λ, включающих отрезок оптоволокна 11 с осью 12 сердцевины 13 диаметром δ с показателем преломления n и с числовой апертурой NA оптоволоконного вывода 3, оконцованного оптическим разъемом 14, и линзу 15, выполненную асферической с фокусом F, фокусным расстоянием f, установленную на расстоянии f от излучающего торца 4, с диаметром асферической линзы 15 d, причем асферическая линза 15 установлена на границе плоскости среза 17 корпусов 16 упомянутых коллимирующих устройств 10, снабженных системой терморегулирования 18, как приведено на фиг. 2, и механизмом перемещения 19 асферических линз 15 вдоль центральной оси оптической системы 6, как приведено на фиг. 1-2. При этом главная оптическая ось 20 асферической линзы 15 совпадает с осью 12 сердцевины 13 отрезка оптоволокна 11, а центральная ось 21 коллимирующего блока 8 совпадает с центральной осью оптической системы 6, причем ось 12 сердцевины 13 отрезка оптоволокна 11 параллельна центральной оси оптической системы 6. Причем излучающие торцы 4 оптоволоконных выводов 3 равномерно размещены в одной плоскости среза 5 по окружности радиуса r и перпендикулярны центральной оси оптической системы 6, проходящей через центр упомянутой окружности, как приведено на фиг. 3. Мощное электромагнитное излучение, исходящее из сердцевины 13 отрезка оптоволокна 11, как из точечного источника S (фиг. 4) лазерного излучения на оси 12 сердцевины 13 отрезка оптоволокна 11, падает на плоскость излучающего торца 4 оптоволоконного вывода 3. Электромагнитные волны на границе двух сред (плоскость излучающего торца 4), попадая из более плотной среды (материал сердцевины 13, с показателем преломления n) в менее плотную (воздух или космическое пространство с показателем преломления n), т.е. n>n, испытывают преломление, вызванное тем, что скорости распространения волн в этих средах различны. Продолжение лучей (определяющих положение сферического фронта преломленной волны) расходящегося пучка пересекаются в точке S, являющейся мнимым изображением точки S и находящейся от излучающего торца 4 на расстоянии Δ. Расходящийся пучок лазерного излучения 22, выходящий из точечного источника света S (фиг. 4), находящегося на главной оптической оси 20 асферической линзы 15 в ее фокусе F, выходит через излучающий торец 4 оптоволоконного вывода 3 в виде конического светового пучка с крайними лучами 33, 34, являющимися предельными апертурными лучами с углом 2α, и падает на линзу 15 коллимирующего устройства 10 (фиг. 4). При этом асферическая линза 15 в составе коллимирующего устройства 10 установлена так, что ее главная оптическая ось 20 перпендикулярна излучающему торцу 4 оптоволоконного вывода 3. Асферическая поверхность 2-го порядка с симметрией относительно главной оптической оси 20 асферической линзы 15 изменяет ход крайних лучей 33, 34 расходящегося лазерного пучка, не затрагивая хода лучей параксиальных, что позволяет создать дополнительные возможности для построения оптической системы и исправить аберрации [Физический энциклопедический словарь. Москва, «Советская энциклопедия», 1983, с. 35]. При прохождении фронта волны в направлении от проксимальной к дистальной поверхности асферической линзы 15 происходит преобразование излучения с расходящимся сферическим волновым фронтом, исходящим как из точечного источника S, находящегося в фокусе асферической линзы 15 (f=F) на главной оптической оси 20, в плоскую преломленную волну [https://ru.wikipedia.org/wiki/Асферическая_линза]. В результате излучение выходит из волоконно-оптического коллимирующего устройства 10 в виде пучка лазерного излучения 22 с параллельными лучами. После чего пучки лазерного излучения 22 диаметром d, выходящие из волоконно-оптических коллимирующих устройств 10, падают на вторичное оптическое зеркало 23, конструктивно связанное с устройством сканирования 24 (фиг. 1), на его выпуклую поверхность 25, выполненную в виде параболоида вращения с фокусом F, ось 26 которого совпадает с центральной осью оптической системы 6. Для каждого пучка лазерного излучения 22 в результате отражения света вторичное оптическое зеркало 23 преобразует плоский волновой фронт в расходящийся сферический фронт, распространяющийся, как от мнимого точечного источника - фокуса F (фиг. 1). Пучок лазерного излучения 22 от каждого лазерного волоконного модуля 2, отражаясь от выпуклой поверхности 25 вторичного оптического зеркала 23 расходящимся сферическим фронтом с крайними лучами 35, 36 падает на оптическое зеркало 7, являющееся главным оптическим зеркалом 7, на его вогнутую поверхность 27, выполненную в виде параболоида вращения. Вогнутая поверхность 27, с фокусом F, совпадающим с F, отражает в свою очередь на плоскость изображения 28 малорасходящиеся пучки лазерного излучения 29. Причем, ось 30 главного оптического зеркала 7 совпадает с центральной осью оптической системы 6. Главное оптическое зеркало 7, в результате отражения расходящегося сферического волнового фронта, распространяющегося как из точечного источника, фокуса F совпадающего с фокусом F, преобразует сферическую волну в плоскую отраженную волну, т.е. лучи, для каждого лазерного волоконного модуля 2, после отражения от параболического главного оптического зеркала 7 идут параллельно друг другу, не пересекаются, или, как говорят, пересекаются на бесконечности. Причем коллимирующий блок 8 с волоконно-оптическими коллимирующими устройствами 10, системой терморегулирования 18 и механизмом перемещения 19 линз 15 установлен в оптической системе через центральное круглое отверстие диаметром d в главном оптическим зеркале 7 так, что выполняется условие d≥d, а плоскость среза 31 корпуса 9 коллимирующего блока 8, совпадающая с плоскостью среза 17 корпусов 16 упомянутых коллимирующих устройств 10, отстоит от вторичного оптического зеркала 23 на расстоянии L, при этом расстояние f асферической линзы 15 от излучающего торца 4 оптоволоконного вывода 3 и ее диаметр d, радиус r окружности размещения излучающих торцов 4 и внешний диаметр d корпуса 9 коллимирующего блока 8, а также диаметр выходной апертуры излучателя оптической системы D и расстояние L отвечают соотношениям (1-6):
К
где d - внутренний диаметр корпуса 16 волоконно-оптических коллимирующих устройств 10;
К
Б
где h и h - толщины стенки корпуса 16 коллимирующего устройства 10 и стенки корпуса 9 коллимирующего блока 8, соответственно.
2
где h - параметр, определяемый из соотношения:
1
2
a P и Р - фокальные параметры парабол, образованных пересечением плоскости YOX с параболоидами вращения с координатной осью ОХ и образующими отражающие вогнутую поверхность 27 главного оптического зеркала 7 и выпуклую поверхность 25 вторичного оптического зеркала 23, соответственно.
ПР
ПР
Параболическое главное оптическое зеркало 7, ось 30 которого совпадает с центральной осью оптической системы 6, конструктивно связано с устройством "грубого" наведения (на фиг. 1-5 не показано) суммарного излучения на приемник лазерного излучения 38. Причем, суммарное излучение состоит из пучков лазерного излучения 29 от n лазерных волоконных модулей 2. Обнаружение приемника лазерного излучения 38 и наведение на него суммарного излучения малорасходящихся пучков лазерного излучения 29 осуществляют механическим устройством "грубого" наведения с помощью специальной системы поиска, слежения и наведения (ПСН) (на фиг. 1-5 не показано). Механическое устройство "грубого" наведения ПСН может быть выполнено, например, в виде опорно-поворотной платформы, на которой установлена конструкция оптической системы с главным оптическим зеркалом 7. Причем наводят суммарное излучение малорасходящихся пучков лазерного излучения 29 с диаметром выходной апертуры излучателя D так, чтобы центральная ось оптической системы 6, совпадающая с осью 30 главного оптического зеркала 7, была направлена нормально в геометрический центр, например, панелей фотоэлектрического приемника-преобразователя (ФПП) (на фиг. 1-5 не показано), причем для характерного размера приемника лазерного излучения 38 D должно быть верно соотношение D≥D. Для облегчения обнаружения приемника лазерного излучения 38 по командам и сигналам системы питания и управления (СПУ) при наведении могут быть использованы, например, уголковые отражатели (на фиг. 1-5 не показано), установленные на приемнике лазерного излучения 38. После "грубого" наведения выполняют точное наведение суммарного излучения малорасходящихся пучков лазерного излучения 29, с диаметром выходной апертуры излучателя D, совмещая плоскость изображения 28 с плоскостью приемника лазерного излучения 38, например панелей ФПП, внутренним перемещением m пучков лазерного излучения 29 в рассматриваемой оптической системе. Управляя отклонением суммарного излучения на выходе из оптической системы от начального (нулевого) положения, осуществляют точное наведение суммарного пучка излучения, т.е. фокусировку и сканирование изображения на плоскости приемника лазерного излучения 38 по командам и управляющим сигналам от системы СПУ, поступающим соответственно механизму перемещения 19 асферических линз 15 и устройству сканирования 24. С помощью механизма перемещения 19 линз 15 вдоль центральной оси оптической системы 6 (по координате X) осуществляется фокусировка изображения. СПУ обеспечивает работу механизма перемещения 19 и контролирует положение линз 15 относительно плоскости среза 5 излучающих торцов 4 оптоволоконных выводов 3 с помощью встроенных в механизм перемещения 19 датчиков перемещения (на фиг. 1-5 не показано). С помощью устройства сканирования 24, включающего подвижную платформу (на фиг. 1-5 не показано) с вторичным оптическим зеркалом 23, осуществляются наклоны платформы по углам ϕz и ϕу, как показано на фиг. 1. Таким образом, однокоординатное перемещение (X) линз 15 и перемещение подвижного вторичного оптического зеркала 23 в двух поперечных направлениях (Z, Y) позволяют осуществлять соответственно точную фокусировку и сканирование изображения на приемнике лазерного излучения 38.
Приведем расчетный пример проектирования оптической системы дистанционной передачи энергии на базе мощных волоконных лазеров, сочетающих в себе свойства собственно генераторов излучения (лазерных диодов), усилителей излучения и высокоэффективных световодов.
Нужно отметить, что в данном техническом решении рассматривается двухзеркальная оптическая система с несферическими отражающими поверхностями, а именно используются зеркала в виде параболоидов вращения - главное оптическое зеркало 7 и вторичное оптическое зеркало 23. Достоинством зеркал по сравнению с призмами и линзами являются: меньший вес, простота конструкций, меньшее значение вносимых аберраций (в том числе отсутствие хроматизма у зеркал с наружным отражением), исключение требований к ряду показателей качества материала зеркал с наружным отражением, а также возможность создания зеркал больших размеров [С.М. Латыев. Конструирование точных (оптических) приборов. Глава 8, п. 8.4. ЗЕРКАЛА с. 354-364, https://ozlib.com/813864/tehnika/zerkala]. Применение несферических поверхностей в оптических системах позволяет эффективнее решать задачу дальнейшего улучшения качества изображения, повышения оптических характеристик и совершенствования конструкции оптических приборов, уменьшения их размеров и массы, достижения компактности. Известно, например, что параболическое зеркало образует близкое к идеальному изображение бесконечно удаленной осевой точки [Н.П. Заказнов, С.И. Кирюшин, В.Н. Кузичев. Теория оптических систем. 3-е изд. М.: Машиностроение, 1992. с. 357]. В предлагаемом техническом решении рассмотрено осевое размещение зеркал - оптическая схема Максутова-Кассегрена [https://ru.wikipedia.org/wiki/ Зеркально-линзовые оптические системы], [Глава четвертая. Сложные телескопы. http://www.old.astronomer.ru/data/library/books/sikoruk/glava4/4_1.htm], [Г.С. Ландсберг. Оптика. Издание пятое. Из-во «Наука», Москва 1976, с. 335].
Нужно отметить, что в данном техническом решении рассматривается оптическая система дистанционной передачи энергии на базе мощных волоконных лазеров непрерывного действия, которые разрабатываются как зарубежными международными компаниями типа группы «IPG Photonics Corporation», так и в России. ООО НТО «ИРЭ-Полюс» является основателем и одной из базовых компаний научно-технической Группы «IPG Photonics Corporation», выполняющих серийный выпуск мощных промышленных волоконных лазеров [https://www.prostanki.com/board/item/302296 Иттербиевые одномодовые лазеры непрерывного действия]. Разрабатываются в настоящее время в России отечественные волоконные высокомощные лазеры с предельно высоким качеством излучения на собственной элементной базе, как, например, опубликовано в [Д.В. Кулаков, А.В. Галеев, А.А. Колегов, А.В. Исаев, А.В. Загидулин. / Одномодовый волоконный лазер мощностью 2 кВт. // Российский Федеральный Ядерный Центр Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Технической Физики имени академика Е.И. Забабахина «РФЯЦ-ВНИИТФ» https://rfl18.iae.nsk.su>articles>015.Кулаков.pdf], [А.А. Колегов, Е.Г. Акулинин, Е.А. Белов, А.В. Загидулин, Д.В. Кулаков, А.В. Галеев, ФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ им. академика Е.И. Забабахина»; Н.В. Буров, В.Б. Ромашова, И.А. Цибизов, А.А. Акимов, Д.С. Свяжина, АО «ЛЛС» / ОДНОМОДОВЫЙ ВОЛОКОННЫЙ ЛАЗЕР С ВЫСОКИМ КАЧЕСТВОМ ПУЧКА И МОЩНОСТЬЮ 1 КВТ - СОВМЕСТНАЯ РАЗРАБОТКА АО «ЛЛС» И ФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ ИМ. АКАДЕМИКА Е.И. ЗАБАБАХИНА» // Источник: журнал "РИТМ машиностроения" №1-2020, https://lenlasers.ru/news/stati/odnomodovyy-volokonnyy-lazer/].
Для рассматриваемого примера проектируем оптическую систему, включающую передающий лазерный комплекс 1, состоящий из мощных лазерных волоконных модулей 2 в количестве n=4, типа иттербиевого волоконного лазера, производитель, например, IPG Photonics (Россия) [https://www.stankoff.ru/product/11234/itterbievyiy-volokonnyiy-lazer-lk-1000], с характерными параметрами: диапазон рабочих температур от 0 до 45°С; максимальная выходная мощность W=1000 Вт; потребляемая мощность 3200 Вт [http://промкаталог.рф/PublicDocuments/1304289.pdf, с. 31]. Положим, что каждый из четырех лазерных волоконных модулей 2, типа иттербиевого волоконного лазера, генерируют инфракрасное излучение с длиной волны λ=1070 нм и каждый выполнен с оптоволоконным выводом 3, как, например, приведенные в [YLR-Series User Guide - Halk.ru Руководство Пользователя (серия ЛК) 130514 (1)], [QBH-кабель для волоконных лазеров высокой мощности от Lightel, https://sphotonics.ru/news/2018/41086/] одномодовые световоды с выходным оптическим коннектором типа QBH. Причем мощные лазерные волоконные модули 2 и оптические разъемы 14 оптоволоконных выводов 3 к ним снабжены системой терморегулирования 18 в силу оганичения рабочих температур, как приведено, например, в [YLR-Series User Guide - Halk.ru Руководство Пользователя (серия ЛК) 130514], [https://sphotonics.ru/news/2018/41086/, QBH-кабель для волоконных лазеров высокой мощности от Lightel]. Нужно отметить, что система терморегулирования 18 рассматриваемых составных частей (лазерный волоконный модуль 2, волоконно-оптическое коллимирующее устройство 10) может быть как активной (с прокачкой теплоносителя в контуре системы терморегулирования 18), так и пассивной, как рассмотрено, например, в технических решениях [Патент RU 2716591 С1, МПК B64G 1/50 (2006.01), опубликован 13.03.2020], [Патент RU 2725116 С1, МПК B64G 1/50 (2006.01), опубликован 29.06.2020] с использованием тепловых труб.
1
2
1
Б
1
Л
Л
Мощное когерентное электромагнитное излучение оптического диапазона генерируемое каждым лазерным волоконным модулем 2 распространяется по оптоволоконному выводу 3 благодаря явлению полного внутреннего отражения. Показатель преломления n сердцевины 13 оптоволоконного вывода 3, обычно имеющий величину от 1,4 до 1,5 всегда немного больше, чем показатель преломления n оптической оболочки 37 (разница порядка 1%) [Компоненты оптоволоконных систем в промышленности / http://infiber.ru/biblioteka/stati/optical_fiber.html]. Положим, что для выбранного волоконного лазерного модуля 2, генерирующего инфракрасное излучение с длиной волны λ=1070 нм, выбран материал сердцевины 13 оптоволоконного вывода 3 соответствующий показателю преломления n=1,4. Поэтому световые волны, распространяющиеся в сердцевине 13 под углом, не превышающим некоторое критическое значение, претерпевают полное внутреннее отражение от оптической оболочки 37. Путем многократных переотражений от оболочки 37 эти волны распространяются по оптоволоконному выводу 3, выходя через излучающий торец 4. Причем излучающие торцы 4 оптоволоконных выводов 3 равномерно размещены в одной плоскости среза 5 по окружности радиуса r и перпендикулярны центральной оси оптической системы 6, проходящей через центр упомянутой окружности, как приведено на фиг. 1 и 3. В проектируемую оптическую систему введен коллимирующий блок 8, имеющий корпус 9 с внешним диаметром d и состоящий из волоконно-оптических коллимирующих устройств 10, конструктивно их объединяющий, идентичных по конструкции и составу для каждого из четырех лазерных волоконных модулей 2 с длиной волны излучения λ=1070 нм. Положим, что каждое волоконно-оптическое коллимирующее устройство 10 включает отрезок оптоволокна 11 оптоволоконного вывода 3 с осью 12 сердцевины 13 диаметром δ (положим δ=0,02 мм) с показателем преломления n=1,4 и с числовой апертурой NA (положим NA=0,06), оконцованного оптическим разъемом 14. Как, например, рассмотренные в публикациях наиболее известные и доступные стандартные разъемы типа оптического коннектора QBH [Способ и узел крепления оптического коннектора в коллимирующем устройстве волоконного лазера. / Патент RU 2480797 С1, МПК G02B 6/36, опубликован 27.04.2013], [YLR-Series User Guide - Halk.ru Руководство Пользователя (серия ЛК) 130514], предусматривающие систему охлаждения. Кроме того, каждое волоконно-оптическое коллимирующее устройство 10 включает асферическую линзу 15, главная оптическая ось 20 которой совпадает с осью 12 сердцевины 13 отрезка оптоволокна 11. В качестве линзы 15 выбираем плоско-выпуклую асферическую линзу 15, типа линз, приведенных в [ASL10142-1064-AutoCADPDF], [Патент RU 2663121 С1, МПК: G01S 17/88 (2006.01), F41G 3/22 (2006.01), опубликован 07.08.2018]. Предположим выбираем асферическую линзу 15 с фокусным расстоянием f=100 мм и диаметром d=25 мм. Устанавливаем линзу 15 в коллимирующем устройстве 10 от излучающего торца 4 на расстоянии f, которое определим из соотношения (1):
К
Причем асферическая линза 15 установлена на границе плоскости среза 17 корпусов 16 с внутренним диаметром d упомянутых коллимирующих устройств 10, снабженных системой терморегулирования 18 и механизмом перемещения 19 асферических линз 15 вдоль центральной оси оптической системы 6, при этом главная оптическая ось 20 асферической линзы 15 совпадает с осью 12 сердцевины 13 отрезка оптоволокна 11, а центральная ось 21 коллимирующего блока 8 совпадает с центральной осью оптической системы 6.
К
Л
Положим, выбрали внутренний диаметр корпуса 16 коллимирующего устройства 10 d=28 мм, исходя из геометрических размеров выбранной асферической линзы 15, а именно диаметра d, с учетом, в частности, ее оправы, что отвечает соотношению (2):
или
Б
Как видно из фиг. 2 и фиг. 3, для проектируемой оптической системы, с принятыми четырьмя лазерными волоконными модулями 2 (n=4), радиус окружности r размещения излучающих торцов 4 и внешний диаметр d корпуса 9 коллимирующего блока 8 должны удовлетворять соотношению (3):
К
Б
где h и h - толщины стенки корпуса 16 коллимирующего устройства 10 и стенки корпуса 9 коллимирующего блока 8, соответственно.
К
Б
Примем толщину стенки корпуса 16 коллимирующего устройства 10 h=0,5 мм, а толщину стенки корпуса 9 коллимирующего блока 8 h=0,5 мм.
Б
Б
min
min
В соответствии с соотношением (3), определим минимальные размеры r и d, т.е. r и d, соответственно.
Б
Б
В соответствии с соотношением (3) и полученными минимальными размерами r и d, примем r=25 мм и d=85 мм.
ЛП
ЛП
Причем ось 12 сердцевины 13 отрезка оптоволокна 11 параллельна центральной оси оптической системы 6, при этом пучки лазерного излучения 22 диаметром d, выходящие из волоконно-оптических коллимирующих устройств 10, падают на вторичное оптическое зеркало 23. Диаметр пучка лазерного излучения 22 d определим, как очевидно из фиг. 4, из соотношения:
2
а диаметр D вторичного оптического зеркала 23 определим, как очевидно из фиг. 1, из соотношения:
2
1
2
2
1
Б
Б
2
Вторичное оптическое зеркало 23 конструктивно связано с устройством сканирования 24, а его выпуклая поверхность 25, на которую падают пучки лазерного излучения 22, выполнена в виде параболоида вращения с фокусом F, ось 26 которого совпадает с центральной осью оптической системы 6. Вторичное оптическое зеркало 23, на которое направлены пучки лазерного излучения 22, выходящие из коллимирующего блока 8, выполняем, например, из материала представляющего композит АКК «Скелетон» (алмаз/карбид кремния (АКК), получаемый в вакуумной печи из промышленных марок алмазных порошков, пропитанных жидким кремнием) [С.М. Латыев. Конструирование точных (оптических) приборов. Глава 8, п. 8.4. ЗЕРКАЛА с. 354-364 https://ozlib.com/813864/tehnika/zerkala]. Следует отметить, что в отличие от традиционных материалов как оптическое стекло, например, марки ЛК-7 [Физические величины. Справочник под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. С. 770], АКК «Скелетон» по удельной жесткости уступает лишь монокристаллам алмаза, а высокие теплопроводность (650 Вт/(мК), которая выше, чем у меди), и температуропроводность (320 м/с) обеспечивают в зеркалах однородность температурных полей и ее быструю тепловую релаксацию, что позволяет ему обладать температурной стабильностью лучших сверхмало расширяющихся материалов. Данные характеристики позволяют создавать из этого материала зеркала с качественно новыми служебными свойствами. На рабочую поверхность зеркала наносят специальные конструкционные покрытия (стеклянные, медные, никелевые, хромовые и др.), которые затем доводятся и полируются до оптического качества. Пучки лазерного излучения 22 с параллельными лучами отражаются от вторичного оптического зеркала 23, преобразуются в сферический волновой фронт с крайними лучами 35 и 36 и падают на оптическое зеркало 7, являющееся главным оптическим зеркалом 7, на его вогнутую поверхность 27, выполненную в виде параболоида вращения, с фокусом F, совпадающим с F, ось 30 которого совпадает с центральной осью оптической системы 6. Причем, выполняем главное оптическое зеркало 7 из материала, представляющего композит АКК «Скелетон», аналогичного рассмотренному выше для вторичного оптического зеркала 23 со специальным конструкционным покрытием на рабочей поверхности главного оптического зеркала 7, аналогично как и у вторичного оптического зеркала 23. В результате отражения происходит преобразование сферического волнового фронта с крайними лучами 35 и 36 в плоскую волну, где характерные лучи в виде малорасходящихся пучков лазерного излучения 29 идут параллельно друг другу на плоскость изображения 28. Причем ось 30 главного оптического зеркала 7 совпадает с центральной осью оптической системы 6. Главное оптическое зеркало 7 в результате отражения расходящегося сферического волнового фронта, распространяющегося из точки - фокуса F, совпадающего с фокусом F, как из мнимого изображения точечного источника лазерного излучения S, для каждого лазерного волоконного модуля 2 преобразует сферическую волну в плоскую отраженную волну, т.е. лучи после отражения от параболического главного оптического зеркала 7 идут параллельно друг другу, не пересекаются т.е. пересекаются на бесконечности. Причем коллимирующий блок 8 с волоконно-оптическими коллимирующими устройствами 10, системой терморегулирования 18 и механизмом перемещения 19 линз 15 устанавливаем в оптической системе через центральное круглое отверстие диаметром d, которое примем d=85 мм, в главном оптическим зеркале 7 так, чтобы выполнялось условие d≥d, где d=80 мм.
1
2
1
2
Проектируемая двухзеркальная оптическая система выполнена с фокальными параметрами парабол Р и Р (положим P=1000 мм и Р=200 мм), образованных пересечением плоскости YOX с параболоидами вращения с координатной осью ОХ и образующими отражающие вогнутую поверхность 27 главного оптического зеркала 7 и выпуклую поверхность 25 вторичного оптического зеркала 23.
Причем в проектируемой оптической системе коллимирующий блок 8, установленный с плоскостью среза 31 корпуса 9, совпадающей с плоскостью среза 17 корпусов 16 упомянутых коллимирующих устройств 10, отстоит от вторичного оптического зеркала 23 на расстоянии L, удовлетворяющем соотношению (5):
2
где h - параметр, определяемый из соотношения (6):
Откуда выбираем L=120 мм, что удовлетворяет условию (5).
Диаметр выходной апертуры излучателя D проектируемой оптической системы дистанционной передачи энергии на базе мощных волоконных лазеров определим из соотношения (4):
1
1
А диаметр D главного оптического зеркала 7 определим, как очевидно из фиг. 1, из соотношения: D>D=310 мм.
1
2
Необходимо отметить, что при проектировании конструкции двухзеркальной оптической системы, при известных размерах диаметров зеркал D и D, нужно учитывать конструкцию их оправ.
Л
Л
Б
1
2
Б
Зная полученные при проектировании оптической системы геометрические параметры: f=99,8 мм, f=100 мм, d=25 мм, L=120 мм, d=80 мм, d=85 мм, P=1000 мм и Р=200 мм, можно в первом приближении, как это видно из фиг. 1, оценить габаритные размеры корпуса 9 коллимирующего блока 8, а именно его длину L≈(250-300) мм.
ПР
ПР
Параболическое главное оптическое зеркало 7, ось 30 которого совпадает с центральной осью оптической системы 6, конструктивно связано с устройством "грубого" наведения (на фиг. 1-5 не показано) суммарного излучения на приемник лазерного излучения 38. Причем, суммарное излучение состоит из пучков лазерного излучения 29 от четырех (n=4) лазерных волоконных модулей 2. Обнаружение приемника лазерного излучения 38, наведение на него суммарного излучения малорасходящихся пучков лазерного излучения 29, а также захват и удержание приемника лазерного излучения 38 осуществляют с помощью специальной системы поиска, слежения и наведения (ПСН) (на фиг. 1-5 не показано). Определяются координаты центра приемника лазерного излучения 38, которые выдаются в систему питания и управления (СПУ). СПУ формирует команды для обеспечения двухэтапного наведения: "грубого" (с помощью поворотной платформы с определенной точностью) и точного (с помощью точного наведения пучков лазерного излучения 29 в предлагаемой оптической системе). Механическое устройство "грубого" наведения ПСН может быть выполнено, например, в виде опорно-поворотной платформы, на которой установлена конструкция оптической системы с главным оптическим зеркалом 7. Причем, наводят суммарное излучение малорасходящихся пучков лазерного излучения 29 с диаметром выходной апертуры излучателя D=310 мм так, чтобы центральная ось оптической системы 6, совпадающая с осью 30 главного оптического зеркала 7, была направлена нормально в геометрический центр приемника лазерного излучения 38, например, панелей фотоэлектрического приемника-преобразователя (ФПП) (на фиг. 1-5 не показано). Причем для характерного размера приемника лазерного излучения 38 D должно быть верно соотношение D≥D=310 мм. После захвата и удержания приемника лазерного излучения 38 выполняется подтверждение захвата, которое обеспечивается фиксацией отраженного, например, от уголковых отражателей (на фиг. 1-5 не показано), установленных на приемнике лазерного излучения 38, пилотного лазерного луча малой мощности (на фиг. 1-5 не показано) от передающего лазерного комплекса 1. После чего по сигналам и командам СПУ, поступающим в передающий лазерный комплекс 1, включаются основные источники лазерного излучения - четыре лазерных волоконных модуля 2 с максимальной суммарной выходной оптической мощностью ∑W=4000 Вт и выполняется сеанс дистанционной передачи энергии определенной длительности. Суммарный пучок лазерного излучения 29, сформированный предлагаемой оптической системой (диаметр выходной апертуры излучателя оптической системы D=310 мм), удерживается на приемнике лазерного излучения 38 благодаря совместной работе рассматриваемой оптической системы, ПСН, СПУ и поворотной платформы, при обеспечении необходимого температурного режима всех систем, в частности лазерных волоконных модулей 2 и волоконно-оптических коллимирующих устройств 10 коллимирующего блока 8. Как отмечено выше, после "грубого" наведения выполняют точное наведение суммарного излучения малорасходящихся пучков лазерного излучения 29, с диаметром выходной апертуры излучателя D=310 мм, совмещая плоскость изображения 28 с плоскостью приемника лазерного излучения 38, например панелей ФПП, внутренним перемещением четырех (m=4) пучков лазерного излучения 29 в рассматриваемой оптической системе. Управляя отклонением суммарного излучения на выходе из оптической системы от начального (нулевого) положения, осуществляют точное наведение излучения, т.е. фокусировку и сканирование изображения на плоскости приемника лазерного излучения 38 по командам и управляющим сигналам от системы СПУ, поступающим соответственно механизму перемещения 19 асферических линз 15 и устройству сканирования 24. Для каждого лазерного волоконного модуля 2, с помощью механизма перемещения 19 асферических линз 15 вдоль центральной оси оптической системы 6 (по координате X, фиг. 1) осуществляется фокусировка изображения предмета, которым является точечный источник излучения (точка S, фиг. 4), исходящий из сердцевины 13 оптоволоконного вывода 3 и размещенный на оси 12 сердцевины 13 отрезка оптоволокна 11, которая совмещена с главной оптической осью 20 асферической линзы 15. СПУ обеспечивает работу механизма перемещения 19 и контролирует положение линз 15 относительно плоскости среза 5 излучающих торцов 4 оптоволоконных выводов 3 с помощью встроенных в механизм перемещения 19 датчиков перемещения (на фиг. 1-5 не показано). Причем механизм перемещения 19 может быть выполнен на основе прецизионного шагового однокоординатного пьезопозиционера, включающего программное обеспечение, позволяющее управлять и контролировать основные параметры движения пьезопозиционера [Пьезопозиционер для нанофокусировки. http://www.eurotek-general.com], [Линейные пьезоплатформы. http://www.innfocus.ru/ru/catalog/photonics_c/pozicionery/physik-instrumente-pi/linejnye-pezoplatformy/]. Вторичное зеркало 23 конструктивно связано с устройством сканирования 24 и может быть выполнено, например, на основе моторизированного двухосевого кинематического пьезоэлектрического нанопозиционера [Моторизированный двух осевой (XY) кинематический пьезоэлектрический нанопозиционер QNP2-100-XYA, http://www.phcloud.ru, производитель: Aerotech, Inc.]. С помощью устройства сканирования 24, включающего подвижную платформу (на фиг. 1-5 не показано) с вторичным оптическим зеркалом 23, осуществляются наклоны платформы по углам ϕz и ϕу, как показано на фиг. 1. Таким образом, однокоординатное перемещение (X) линз 15 и перемещение подвижного вторичного оптического зеркала 23 в двух поперечных направлениях (Z, Y) позволяют осуществлять соответственно точную фокусировку и сканирование изображения на приемнике лазерного излучения 38.
Приведем вывод выражений (1-6), определяющих основные геометрические соотношения и технические характеристики, необходимые при конструкторской проработке проектируемой оптической системы дистанционной передачи энергии на базе мощных волоконных лазеров.
*
*
1
0
1
0
Л
0
0
Мощное электромагнитное излучение, исходящее из сердцевины 13 отрезка оптоволокна 11, как из точечного источника S (фиг. 4), падает на плоскость излучающего торца 4 оптоволоконного вывода 3 с предельным углом γ из более плотной среды (материал сердцевины 13, с показателем преломления n) в менее плотную (воздух или космическое пространство с показателем преломления n), т.е. n>n, испытывают преломление (фиг. 4). В результате расходящийся пучок лазерного излучения 22, выходящий как из точечного источника света S, являющегося мнимым изображением точечного источника S и находящегося на главной оптической оси 20 асферической линзы 15 в ее фокусе F, выходит через излучающий торец 4 оптоволоконного вывода 3 в виде конического светового пучка, с крайними лучами 33, 34, являющимися предельными апертурными лучами с углом 2α (фиг. 4), и падает на линзу 15 коллимирующего устройства 10. При этом известно, что числовая апертура оптоволокна по определению отвечает соотношению NA=n⋅sinα, где n=1 - показатель преломления воздуха или космического пространства, α - максимальный угол между оптической осью 12 сердцевины 13 отрезка оптоволокна 11 оптоволоконного вывода 3 и лучом, под которым он выходит из излучающего торца 4, перпендикулярного к его оптической оси 12 [В.А. Дьяков, Л.В. Тарасов. Оптическое когерентное излучение. М.: Советское радио, 1974, с. 117]. Причем, чем больше NA, тем выше степень расходимости лазерного пучка, выходящего через излучающий торец 4 сердцевины 13 оптоволоконного вывода 3. В соответствии с законом Снеллиуса [Специальные волоконные световоды: учеб. пособие / Д.Б. Шумкова, А.Е. Левченко. - Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2011. - 178 с. С. 13]:
Как следует из фиг. 4, верно соотношение:
S
Л
Учитывая (7) и (8), определяем Δ, т.е. расстояние излучающего торца 4 оптоволоконного вывода 3 от переднего фокуса асферической линзы 15 F:
S
Л
Л
S
Пользуясь соотношением (9) для определения Δ и известным фокусным расстоянием f асферической линзы 15, определяем f=f-Δ, откуда получаем соотношение (1) для определения расстояния f излучающего торца 4 оптоволоконного вывода 3 от асферической линзы 15.
ЛП
Как видно из фиг. 1 и фиг. 4, расходящийся пучок лазерного излучения 22 выходит через излучающий торец 4 оптоволоконного вывода 3 в виде конического светового пучка с крайними лучами 33, 34, являющимися предельными апертурными лучами с углом 2α, и падает на линзу 15 коллимирующего устройства 10 (фиг. 4). Диаметр пучка лазерного излучения 22 d (фиг. 4) определим, используя соотношение (1) для определения f при известных характеристиках оптоволоконного вывода 3 (диаметр δ сердцевины 3 и числовая апертура NA), из соотношения:
Л
К
Л
Исходя из геометрических размеров выбранной асферической линзы 15 с диаметром d и соответствующему ей внутреннему диаметру d корпуса 16 коллимирующего устройства 10, как видно из фиг. 2 диаметр d, с учетом в частности ее оправы, должен отвечать соотношению:
или из (11), с учетом (10), получаем соотношение (2):
Б
Как видно из фиг. 2 и 3, для проектируемой оптической системы с четырьмя лазерными волоконными модулями 2 (n=4), радиус окружности r размещения излучающих торцов 4 и внешний диаметр d корпуса 9 коллимирующего блока 8 очевидно должны удовлетворять соотношению (3):
К
Б
где h и h - толщины стенки корпуса 16 коллимирующего устройства 10 и стенки корпуса 9 коллимирующего блока 8, соответственно.
1
1
1
2
2
2
1
2
2
2
2
2
Вывод соотношений (4-5) вытекает из определения и основных свойств парабол, образованных пересечением плоскости XOY (фиг. 1) с параболоидами вращения с координатной осью ОХ и образующими отражающие вогнутую поверхность 27 главного оптического зеркала 7 и выпуклую поверхность 25 вторичного оптического зеркала 23 [Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. Изд. переработанное. Под редакцией Г. Гроше и В. Циглера. Совместное издание. Издательство «Тойбнер» Лейпциг, Москва «Наука», Гл. ред. физ.-мат. лит., 1981. с. 244]. Для одного из лазерных волоконных модулей 2 с оптоволоконным выводом 3, определим координаты точек пересечения M(x, y) и М(х, у) парабол главного оптического зеркала 7 и вторичного оптического зеркала 23 с фокальным радиусом-вектором, совпадающем с центральным лучом 32 (фиг. 1), исходящим из точки S (фиг. 4) лежащей на оси 12 сердцевины 13 отрезка оптоволокна 11 и совпадающей с главной оптической осью 20 асферической линзы 15, точек M и М упомянутых парабол. Полагая известным радиус r окружности размещения излучающих торцов 4 оптоволоконных выводов 3, как видно из фиг. 1, центральный луч 32, который совпадает с главной оптической осью 20 асферической линзы 15, падает на параболу вторичного оптического зеркала 23 в точку М(х, у), с координатой у=r, отражаясь от него под углом β к центральной оси оптической системы 6.
Запишем каноническое уравнение параболы, образующей отражающую выпуклую поверхность 25 вторичного оптического зеркала 23 в виде:
2
2
2
Координату х точки М, используя (12) и зная координату у=r, как видно из фиг. 1, определим из выражения:
1
1
1
2
2
2
Определим координаты х, y точки M. Пользуясь каноническим уравнением параболы (12), угол β определим из треугольника ΔMCF (фиг. 1):
1
1
1
Зная из (14) угол β и координаты фокуса F(P/2, 0), можно записать уравнение прямой, совпадающей с центральным лучом 32, являющимся фокальным радиусом-вектором точки M параболы главного оптического зеркала 7, в виде:
Воспользуемся каноническим уравнением параболы, образующей отражающую вогнутую поверхность 27 главного оптического зеркала 7:
1
1
1
Совместно решая уравнения (15) и (16), подставив х из (16) в (15), получим квадратное уравнение относительно у, решив которое можно определить координаты х, y точки M на упомянутой параболе:
1
1
1
1
Для определения диаметра выходной апертуры излучателя оптической системы D находим ординату точки пересечения параболы главного оптического зеркала 7 с крайним лучом 36 (фиг. 1), являющимся фокальным радиусом-вектором этой точки упомянутой параболы, аналогично выводу приведенному выше для нахождения ординаты y точки M(x, y) для центрального луча 32. Откуда, пользуясь соотношением (18), находим:
1
где, как очевидно из фиг. 1, параметр h определяем из соотношения
ЛП
1
Подставляя в (20) выражение для d из (10), находим h:
Подставляя (21) в (19), получаем соотношение (4) для определения диаметра выходной апертуры излучателя оптической системы D
Определим, при проектном конструировании оптической системы, допустимое расстояние L плоскости среза 31 корпуса 9 коллимирующего блока 8 от вторичного оптического зеркала 23 (фиг. 1 и фиг. 2).
Б
Б
Б
Определим в плоскости XOY координаты (х,у) точки пересечения М прямой:
совпадающей с образующей цилиндрического корпуса 9 коллимирующего блока 8, с фокальным радиусом-вектором точки параболы главного оптического зеркала 7, а именно пересечения с крайним лучом 35 (фиг. 1), уравнение которого, аналогичное уравнению (15), запишем в виде:
2
где, как очевидно из фиг. 1, параметр h определяем из соотношения:
ЛП
2
Подставляя в (24) выражение для d из (10), находим h, т.е. получаем соотношение (6).
Б
Б
Из совместного решения уравнений (22) и (23), для точки пересечения М (фиг. 1), находим координату х:
min
Определяем минимальное расстояние L плоскости среза 31 корпуса 9 коллимирующего блока 8 от вторичного оптического зеркала 23:
min
Откуда из выражений (26) и (25) получаем соотношение (5) для допустимого расстояния L≥L от плоскости среза 31 корпуса 9 коллимирующего блока 8, совпадающая с плоскостью среза 17 корпусов 16 упомянутых коллимирующих устройств 10, до вторичного оптического зеркала 23.