Оптическая система формирования и наведения пучка лазерного излучения
OPTICAL SYSTEM FOR SHAPING AND GUIDANCE OF A LASER RADIATION BEAM

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). Например, передача энергии с помощью лазера между орбитальной космической станцией, на которой установлена оптико-механическая система формирования и наведения лазерного пучка, и космическим аппаратом, на котором установлено фотоприемное устройство оптико-электронного преобразователя. 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 формирующую узконаправленный лазерный пучок с целью концентрации лазерного излучения на удаленном фотоприемном устройстве.
Известны лазерно-оптические системы для формирования мощных лазерных пучков на протяженных трассах с заданными характеристиками.
Так в изобретении предложенном в [Патент №2117322. Опубл. 10.08.1998. 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
c
В изобретении, предложенном в [Патент RU 2663121, опубликован 07.08.2018, бюл. №22, МПК: G01S 17/88 (2006.01), F41G 3/22 (2006.01)] рассмотрена оптическая система формирования и наведения лазерного излучения, которая 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  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 , 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  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.
1
1
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является оптическая система формирования и наведения лазерного пучка, рассмотренная в [Патент №2715083, опубл. 25.02.2020, бюл. №6, МПК: G02B 27/09 (2006.01), G02B 17/06 (2006.01), G01S 7/481 (2006.01); СПК: G02B 27/0977 (2019.08), G02B 17/0621 (2019.08), G01S 7/4814 (2019.08)] и включающая лазерный волоконный модуль с оптоволоконным выводом, включающим оптоволокно, состоящее из оптической оболочки, заключающей сердцевину, через излучающий торец которой с числовой апертурой NA выходит пучок с центральным лучом, а на выходе из оптической системы пучок, отраженный от отражающей плоскости вторичного зеркала, с центральной осью, падает на главное оптическое зеркало, конструктивно связанное с устройством "грубого" наведения, от отражающей поверхности которого, выполненной вогнутой внеосевой параболической с фокусом F полной параболы, выходит малорасходящийся лазерный пучок падающий на плоскость изображения, причем упомянутая ранее центральная ось пучка совпадает с фокальным радиусом-вектором точки на полной параболе, через эту точку проходит выходная оптическая ось пучка, совпадающая с диаметром полной параболы, при этом диаметр образует, при пересечении с касательной плоскостью к отражающей поверхности в этой точке, угол β, а отражающая плоскость вторичного зеркала параллельна касательной плоскости, при этом выходная оптическая ось параллельна центральной оптической оси прямолинейного отрезка оптоволокна, отстоящего от оси полной параболы на расстоянии h, причем излучающий торец сердцевины оптоволоконного вывода отстоит на расстоянии L от точки пересечения центральной оптической оси с отражающей плоскостью вторичного зеркала, образующей при пересечении угол β, где β=β. Нужно отметить, что предложенная компоновка оптической системы не позволяет эффективнее решать задачу дальнейшего улучшения качества изображения, повышения оптических характеристик и совершенствования конструкции оптических приборов, уменьшения их размеров и массы, достижения компактности.
Задачей изобретения является совершенствование конструкции оптической системы формирования и наведения пучка лазерного излучения. Техническим результатом изобретения являются:
- создание компактной оптической системы телескопического типа дистанционной передачи энергии лазерного излучения на базе волоконных лазеров;
повышение направленности формируемого пучка лазерного излучения за счет повышения точности юстировки и сканирования.
О
С
1
1
2
1
1
Б
B
B
B
Б
К
B
К
2
1
В
О
К
Технический результат достигается тем, что оптическая система формирования и наведения пучка лазерного излучения, включающая лазерный волоконный модуль с оптоволоконным выводом, включающим оптоволокно, состоящее из оптической оболочки диаметром δ, заключающей сердцевину диаметром δ, через излучающий торец которой с числовой апертурой NA выходит пучок с центральным лучом, а на выходе из оптической системы пучок, отраженный от отражающей плоскости вторичного зеркала, с центральной осью, падает на главное оптическое зеркало, конструктивно связанное с устройством "грубого" наведения, от отражающей поверхности которого, выполненной вогнутой внеосевой параболической с фокусом F полной параболы, выходит малорасходящийся лазерный пучок падающий на плоскость изображения, причем упомянутая ранее центральная ось пучка совпадает с фокальным радиусом-вектором точки на полной параболе, через эту точку проходит выходная оптическая ось пучка, совпадающая с диаметром полной параболы, при этом диаметр образует, при пересечении с касательной плоскостью к отражающей поверхности в этой точке, угол β, а отражающая плоскость вторичного зеркала параллельна касательной плоскости, при этом выходная оптическая ось параллельна центральной оптической оси прямолинейного отрезка оптоволокна, отстоящего от оси полной параболы на расстоянии h, причем излучающий торец сердцевины оптоволоконного вывода отстоит на расстоянии L от точки пересечения центральной оптической оси с отражающей плоскостью вторичного зеркала, образующей при пересечении угол β, где β=β, при этом введено дополнительное вторичное зеркало, с отражающей плоскостью, размещенное в блоке расширителя пучка с механизмом перемещения вдоль центральной оптической оси, при этом отражающая плоскость выполнена в виде круга, диаметром d, перпендикулярна центральной оптической оси, проходящей через ее геометрический центр, отстоит на расстоянии L от точки пересечения центральной оптической оси с отражающей плоскостью вторичного зеркала, а также введен блок-коннектор, который состоит из вторичного зеркала и оптического разъема с системой терморегулирования, причем вторичное зеркало выполнено в виде усеченного кругового цилиндра, диаметром d, со скошенной плоскостью, образующей отражающую плоскость вторичного зеркала, внутри которого осесимметрично выполнен сквозной канал, с осью совпадающей с осью усеченного кругового цилиндра вторичного зеркала и с центральной оптической осью, с заключенным в нем оптическим разъемом оконцовывающим оптоволоконный вывод, который включает прямолинейный отрезок кабеля, закрепленный в оптическом разъеме, прямолинейные отрезки буферной оболочки и открытый отрезок оптоволокна, закрепленные во втулке осесимметрично размещенной в оптическом разъеме, причем отрезок буферной оболочки с внешним диаметром d фиксируется втулкой, с внутренним диаметром d и внешним диаметром D, где d=d, а в торцевой части втулки, выполненной в виде усеченного прямого конуса, с диаметром основания D=D, диаметром основания усеченной части δ и с углом β<β между образующей конуса и высотой, в ее осесимметричном канале, с осью совпадающей с центральной оптической осью, с диаметром δ=δ-δ, фиксируется открытый отрезок оптоволокна, причем основание усеченной части прямого конуса торцевой части втулки, торец оптической оболочки, излучающий торец, через который выходит пучок излучения на дополнительное вторичное зеркало, лежат в одной плоскости, проходящей перпендикулярно центральной оптической оси через точку пересечения ее с отражающей плоскостью вторичного зеркала, при этом главное оптическое зеркало конструктивно связано с устройством сканирования, а параметры оптической системы отвечают соотношениям:
где  а  - минимально допустимое расстояние, при выбранном h, отражающей плоскости дополнительного вторичного зеркала от точки пересечения центральной оптической оси с отражающей плоскостью вторичного зеркала;
α - угол между центральной оптической осью прямолинейного отрезка оптоволокна и одним из предельных апертурных лучей, которые образуют световой конус на выходе из сердцевины;
Р - фокальный параметр полной параболы, образованной пересечением плоскости YOX с параболоидом вращения с координатной осью ОХ и образующим вогнутую отражающую поверхность главного оптического зеркала;
лп
D- диаметр пучка лазерного излучения на выходе из оптической системы.
Суть изобретения поясняется фиг. 1-4, где приняты следующие обозначения:
1 - лазерный волоконный модуль;
2 - оптоволоконный вывод;
3 - оптоволокно (прямолинейный отрезок оптоволокна);
4 - оптическая оболочка оптоволокна 3;
5 - сердцевина оптоволокна 3;
6 - излучающий торец сердцевины 5 оптоволокна 3;
7 - центральный луч пучка, выходящего через излучающий торец 6;
8 - отражающая плоскость вторичного зеркала 9;
9 - вторичное зеркало (в виде усеченного кругового цилиндра);
10 - центральная ось пучка, отраженного от вторичного зеркала 9;
11 - главное оптическое зеркало;
12 - отражающая поверхность главного оптического зеркала 11;
13 - полная парабола;
14 - плоскость изображения;
15 - выходная оптическая ось;
16 - диаметр полной параболы 13;
17 - касательная плоскость к отражающей поверхности 12 главного оптического зеркала 11 (касательная к полной параболе 13);
18 - центральная оптическая ось прямолинейного отрезка оптоволокна 3;
19 - ось полной параболы 13;
20 - дополнительное вторичное зеркало;
21 - отражающая плоскость дополнительного вторичного зеркала 20;
22 - блок расширителя пучка;
23 - механизм перемещения дополнительного вторичного зеркала 20;
24 - блок-коннектор;
25 - оптический разъем оптоволоконного вывода 2;
26 - система терморегулирования оптического разъема 25;
27 - сквозной канал во вторичном зеркале 9;
28 - ось сквозного канала 27, выполненного во вторичном зеркале 9;
29 - ось вторичного зеркала, выполненного в виде усеченного кругового цилиндра;
30 - отрезок кабеля оптоволоконного вывода 2;
31 - отрезок буферной оболочки;
32 - открытый отрезок оптоволокна 3
33 - втулка;
34 - осесимметричный канал в торцевой части втулки 33;
35 - ось осесимметричного канала 34;
36 - плоскость размещения основания усеченной части прямого конуса торцевой части втулки 33, торца оптической оболочки 4 и излучающего торца 6;
37 - устройство сканирования;
38, 39 - крайние лучи, отраженные от отражающей плоскости 8 вторичного зеркала 9;
40, 41 - крайние лучи, отраженные от отражающей поверхности 12 главного оптического зеркала 11;
42, 43 - предельные апертурные лучи пучка, выходящего через излучающий торец 6;
44, 45 - крайние лучи, отраженные от отражающей плоскости 21 дополнительного вторичного зеркала 20.
1
2
1
2
лп
1
0
0
1
1
2
2
1
2
3
3
3
1
Д
2
2
На фиг. 1 приведена принципиальная схема оптической системы формирования и наведения пучка лазерного излучения. На фиг. 1 обозначено: F фокус полной параболы 13; точки М, М, М фокальных радиусов-векторов в этих точках на полной параболе 13; d - диаметр отражающей плоскости 8 вторичного зеркала 9; d - диаметр отражающей плоскости 21 дополнительного вторичного зеркала 20; D - диаметр пучка лазерного излучения на выходе из оптической системы; α - угол между центральной оптической осью 18 прямолинейного отрезка оптоволокна 3 и предельным апертурным лучом 42, 43, образующим световой конус на выходе из сердцевины 5; β - угол образованный при пересечении диаметра 16 полной параболы 13, с касательной плоскостью 17 к отражающей поверхности 12 главного оптического зеркала 11 в плоскости YOX; β - угол образованный при пересечении центральной оптической оси 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9 в плоскости YOX; х, у, х, у, х, у - координаты точек М, М, М, соответственно, на полной параболе 13 в плоскости YOX; М - точка, с координатами х, у, пересечения центральной оптической оси 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9 в плоскости YOX; L - расстояние от отражающей плоскости 21 дополнительного вторичного зеркала 20 до точки пересечения центральной оптической оси 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9; X, Y, Z - координаты положения элементов оптической системы; О - начало координат и вершина полной параболы 13; h - расстояние центральной оптической оси 18 прямолинейного отрезка оптоволокна 3 от оси 19 полной параболы 13; Т - точка пересечения с осью ОХ касательной плоскости 17 к отражающей поверхности 12 главного оптического зеркала 11 в плоскости YOX, t - точка пересечения вертикали проходящей через точку М3 с осью X. m - точка пересечения с осью OY продолжения фокального радиуса-вектора точки М полной параболы 13; х - точка пересечения фокального радиуса-вектора точки М с прямой у=h+d/2 в плоскости YOX. Вид А приведен на фиг. 2.
На фиг. 2 на виде А приведен разрез блок-коннектора 24, включающий вторичное зеркало 9, выполненное в виде усеченного кругового цилиндра, с осью 28, совпадающей с центральной оптической осью 18, со скошенной плоскостью, образующей отражающую плоскость 8 вторичного зеркала 9, и оптический разъем 25, оконцовывающий оптоволоконный вывод 2. На фиг. 2 обозначено: α - угол между центральной оптической осью 18 прямолинейного отрезка оптоволокна 3 и предельным апертурным лучом 42 или 43, образующим световой конус на выходе из сердцевины 5; β - угол, образованный при пересечении центральной оптической оси 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9 в плоскости YOX.
Б
B
В
С
О
B
K
K
B
К
К
В
О
На фиг. 3 частично показаны блок-коннектор 24 и вторичное зеркало 9, внутри которого осесимметрично выполнен сквозной канал 27, с осью 28 совпадающей с осью 29 усеченного кругового цилиндра вторичного зеркала 9 и с центральной оптической осью 18. На фиг. 3 обозначено: d - внешний диаметр отрезка буферной оболочки 31; d - внутренний диаметр втулки 33; δ - диаметр осесимметричного канала 34 в торцевой части втулки 33; δ, δ - диаметры сердцевины 5 и оптической оболочки 4, соответственно, прямолинейного отрезка оптоволокна 3; D - внешний диаметр втулки 33; D - диаметр основания усеченного прямого конуса в торцевой части втулки 33, где D=D; δ - диаметр основания усеченной части усеченного прямого конуса в торцевой части втулки 33, где δ=δ=δ; вид Б приведен на фиг. 4.
3
В
С
О
К
К
В
О
1
2
2
1
На фиг. 4 (вид Б) частично показано вторичное зеркало 9, в котором осесимметрично выполнен сквозной канал 27 с осью 28 совпадающей с осью 29 усеченного кругового цилиндра вторичного зеркала 9, внутри которого частично показана торцевая часть втулки 33, выполненной в виде усеченного прямого конуса. В ее осесимметричном канале 34, с осью 35, совпадающей с центральной оптической осью 18, фиксируется открытый отрезок 32 оптоволокна 3. Причем основание усеченной части прямого конуса торцевой части втулки 33, торец оптической оболочки 4, излучающий торец 6, через который выходит пучок излучения, лежат в одной плоскости 36, проходящей перпендикулярно центральной оптической оси 18 через точку пересечения ее с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9. На фиг. 4 обозначено: М - точка пересечения центральной оптической оси 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9; S* - точечный источник света; S - мнимое изображение точки S*; r - расстояние от точки S до излучающего торца 6; δ - диаметр осесимметричного канала 34 в торцевой части втулки 33; δ, δ - диаметры сердцевины 5 и оптической оболочки 4, соответственно, прямолинейного отрезка оптоволокна 3; δ - диаметр основания усеченной части усеченного прямого конуса в торцевой части втулки 33, где δ=δ=δ; β - угол образованный при пересечении центральной оптической оси 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9 в плоскости YOX; β - угол между высотой и образующей усеченного прямого конуса торцевой части втулки 33, где β<β; α - угол между центральной оптической осью 18 прямолинейного отрезка оптоволокна 3 и одним из предельных апертурных лучей 42 или 43, образующих световой конус на выходе из сердцевины 5; L - расстояние от излучающего торца 6 сердцевины 5 оптоволоконного вывода 2 до точки пересечения центральной оптической оси 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9.
1
1
2
1
1
Б
B
B
B
Б
K
B
К
2
1
В
О
К
Оптическая система формирования и наведения пучка лазерного излучения, включающая лазерный волоконный модуль 1 с оптоволоконным выводом 2, включающим оптоволокно 3, состоящее из оптической оболочки 4 диаметром 80, заключающей сердцевину 5 диаметром бс, через излучающий торец 6 которой с числовой апертурой NA выходит пучок с центральным лучом 7, а на выходе из оптической системы пучок, отраженный от отражающей плоскости 8 вторичного зеркала 9, с центральной осью 10, падает на главное оптическое зеркало 11, конструктивно связанное с устройством "грубого" наведения, от отражающей поверхности 12 которого, выполненной вогнутой внеосевой параболической с фокусом F полной параболы 13, выходит малорасходящийся лазерный пучок падающий на плоскость изображения 14. Причем упомянутая ранее центральная ось 10 пучка совпадает с фокальным радиусом-вектором точки на полной параболе 13, через эту точку проходит выходная оптическая ось 15 пучка, совпадающая с диаметром 16 полной параболы 13. При этом диаметр 16 образует, при пересечении с касательной плоскостью 17 к отражающей поверхности 12 в этой точке, угол Р, а отражающая плоскость 8 вторичного зеркала 9 параллельна касательной плоскости 17. При этом выходная оптическая ось 15 параллельна центральной оптической оси 18 прямолинейного отрезка оптоволокна 3, отстоящего от оси 19 полной параболы 13 на расстоянии h. Причем излучающий торец 6 сердцевины 5 оптоволоконного вывода 2 отстоит на расстоянии L от точки пересечения центральной оптической оси 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9, образующей при пересечении угол β, где β=β. При этом в оптическую систему введено дополнительное вторичное зеркало 20, с отражающей плоскостью 21, размещенное в блоке расширителя пучка 22 с механизмом перемещения 23 вдоль центральной оптической оси 18. При этом отражающая плоскость 21 выполнена в виде круга, диаметром d, перпендикулярна центральной оптической оси 18, проходящей через ее геометрический центр, отстоит на расстоянии L от точки пересечения центральной оптической оси 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9. В оптическую систему также введен блок-коннектор 24, который состоит из вторичного зеркала 9 и оптического разъема 25 с системой терморегулирования 26. Причем вторичное зеркало 9 выполнено в виде усеченного кругового цилиндра, диаметром d, со скошенной плоскостью, образующей отражающую плоскость 8 вторичного зеркала 9, внутри которого осесимметрично выполнен сквозной канал 27, с осью 28 совпадающей с осью 29 усеченного кругового цилиндра вторичного зеркала 9 и с центральной оптической осью 18, с заключенным в нем оптическим разъемом 25 оконцовывающим оптоволоконный вывод 2, который включает прямолинейный отрезок кабеля 30, закрепленный в оптическом разъеме 25, прямолинейные отрезки буферной оболочки 31 и открытый отрезок 32 оптоволокна 3, закрепленные во втулке 33 осесимметрично размещенной в оптическом разъеме 25. Причем отрезок буферной оболочки 31 с внешним диаметром d фиксируется втулкой 33, с внутренним диаметром d и внешним диаметром D, где d=d. А в торцевой части втулки 33, выполненной в виде усеченного прямого конуса, с диаметром основания D=D, диаметром основания усеченной части δ и с углом β<β между образующей конуса и высотой, в ее осесимметричном канале 34, с осью 35 совпадающей с центральной оптической осью 18, с диаметром δ=δ=δ, фиксируется открытый отрезок 32 оптоволокна 3. Причем основание усеченной части прямого конуса торцевой части втулки 33, торец оптической оболочки 4, излучающий торец 6, через который выходит пучок излучения на дополнительное вторичное зеркало 20, лежат в одной плоскости 36, проходящей перпендикулярно центральной оптической оси 18 через точку пересечения ее с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9. При этом главное оптическое зеркало 11 конструктивно связано с устройством сканирования 37, а параметры оптической системы отвечают соотношениям:
1
1
C
О
d=(4 L⋅tgα⋅tgβ+δ⋅tgβ+δ⋅tgα)/(tgβ-tgα);
2
C
1
О
d=δ+2⋅tgα⋅L+δ⋅tgα⋅ctgβ;
лп
D=P {[l+cos(2β-α)]/sin(2β-α)-[1+cos(2β+α)]/sin(2β+α)};
1
С
О
h/(2 L+0,5⋅δ/tgα+0.5⋅δ/tgβ)=sin(l80°-2β),
где  а  - минимально допустимое расстояние, при выбранном h, отражающей плоскости 21 дополнительного вторичного зеркала 20 от точки пересечения центральной оптической оси 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9;
α - угол между центральной оптической осью 18 прямолинейного отрезка оптоволокна 3 и предельным апертурным лучом 42 или 43, образующим световой конус на выходе из сердцевины 5;
Р - фокальный параметр полной параболы 13, образованной пересечением плоскости YOX с параболоидом вращения с координатной осью ОХ и образующим вогнутую отражающую поверхность 12 главного оптического зеркала 11;
лп
D - диаметр пучка лазерного излучения на выходе из оптической системы.
О
С
1
2
0
1
1
0
1
0
2
1
1
1
1
B
B
B
Б
K
B
К
2
1
В
О
К
Оптическая система формирования и наведения пучка лазерного излучения работает следующим образом. С помощью специальной системы поиска, слежения и наведения (ПСН) (на фиг. 1-4 не показано) осуществляется поиск, захват и удержание приемника лазерного излучения, установленного на воздушных или космических объектах, оснащенных, например, фотоэлектрическими приемными панелями (на фиг. 1-4 не показано), преобразующими когерентное электромагнитное излучение, генерируемое лазерным волоконным модулем 1 с оптоволоконным выводом 2, в электрический ток. Определение координат центра и слежение за центром приемника лазерного излучения система ПСН ведет с помощью, например, опорных источников (на фиг. 1-4 не показано) и выдает данные в систему питания и управления (СПУ) (на фиг. 1-4 не показано), которая формирует команды для обеспечения "грубого" наведения оптической системы с главным оптическим зеркалом 11, например, с помощью поворотной платформы (на фиг. 1-4 не показано), на которой установлена конструкция с главным оптическим зеркалом 11. Причем, наводят малорасходящийся лазерный пучок так, чтобы выходная оптическая ось 15 пучка была направлена нормально в геометрический центр, например, фотоэлектрических панелей (на фиг. 1-4 не показаны) приемника-преобразователя. Для облегчения обнаружения приемника-преобразователя по командам и сигналам системы питания и управления (СПУ) при наведении могут быть использованы, например, уголковые отражатели (на фиг. 1-4 не показаны), установленные на приемнике-преобразователе. После выполнения захвата и удержания приемника лазерного излучения по сигналу от СПУ поступает управляющая команда на подачу электропитания лазерному волоконному модулю 1, выполненному в виде генератора излучения с определенной длиной волны λ, с оптоволоконным выводом 2. Оптоволоконный вывод 2 оконцован оптическим разъемом 25, конструкции которого рассмотрены, например, в [Патент №2480797. МПК: G02B 6/36 (2006.01) Способ и узел крепления оптического коннектора в коллимирующем устройстве волоконного лазера. Опубл. 27.04.2013. Бюл. №12], [JIK/YLR-Серия. Руководство Пользователя. НТО ИРЭ ПОЛЮС, 2015, Оптический выход волоконного кабеля. Приборы с коннектором, с. 17], [Дэвид Бейли, Эдвин Райт.Волоконная оптика. Теория и практика. Раздел 5.4. Коннекторы. http://izmer-ls.ru/w/v60.html#:~:text=], [QBH-кабель для волоконных лазеров высокой мощности от Lightel. https://sphotonics.ru/news/2018/41086/]. 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. Лазерный волоконный модуль 1 генерирует когерентные электромагнитные волны с длиной волны излучения λ, передаваемые по оптоволоконному выводу 2 в оптическую систему формирования и точного наведения малорасходящегося лазерного пучка, с выходной оптической осью 15 и с крайними лучами 40 и 41 отраженными от отражающей поверхности 12 главного оптического зеркала 11, падающего на плоскость изображения 14 (фиг. 1), совмещая ее с плоскостью приемника лазерного излучения, например, с панелями фотоэлектрических преобразователей (ФЭП). С началом работы и в процессе работы лазерного волоконного модуля 1 от системы диагностики состояния (на фиг. 1-4 не показано) ЛСПЭ поступает информация в СПУ о состоянии элементов оптической системы, в частности по температурным параметрам от системы терморегулирования 26 оптического разъема 25, и выдачи информационных сигналов о готовности, отказе или нештатном режиме работы оптической системы для выработки и принятия управляющих команд. Когерентное электромагнитное излучение оптического диапазона, генерируемое лазерным волоконным модулем 1, распространяется по оптоволокну 3, состоящему из оптической оболочки 4, диаметром δ, заключающей сердцевину 5, диаметром δ, благодаря явлению полного внутреннего отражения на границе раздела диэлектрических сред (сердцевина 5 - оптическая оболочка 4). Для оптоволокна 3 показатель преломления n сердцевины 5, соответствующий длине волны излучения λ лазерного волоконного модуля 1, обычно имеет величину всегда немного большую, чем показатель преломления n оптической оболочки 4. Поэтому световые волны, распространяющиеся в сердцевине 5 под углом, не превышающим критическое значение, претерпевают полное внутреннее отражение от оптической оболочки 4. Путем многократных переотражений от оптической оболочки 4 эти волны распространяются по оптоволоконному выводу 2 и выходят из сердцевины 5 через излучающий торец 6, с числовой апертурой NA, в виде конического пучка с центральным лучом 7 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. политехи, ун-та, 2011, с. 9]. При этом мощное электромагнитное излучение, исходящее из сердцевины 5 прямолинейного отрезка оптоволокна 3, как из точечного источника S (фиг. 4) лазерного излучения на центральной оптической оси 18 сердцевины 5 оптоволокна 3, падает на плоскость излучающего торца 6 оптоволокна 3. Электромагнитные волны на границе двух сред (плоскость излучающего торца 6), попадая из более плотной среды (материал сердцевины 5, с показателем преломления n) в менее плотную (воздух или космическое пространство) с показателем преломления n, где n>n, испытывают преломление, вызванное тем, что скорости распространения волн в этих средах различны. Продолжения лучей (определяющих положение сферического фронта преломленной волны) расходящегося пучка пересекаются в точке S, на расстоянии r от излучающего торца 6, являющейся мнимым изображением точки S*. Расходящийся пучок лазерного излучения, с центральным лучом пучка 7 и углом α между центральной оптической осью 18 прямолинейного отрезка оптоволокна 3 и предельным апертурным лучом 42 или 43, образующим световой конус, выходит из сердцевины 5 и через излучающий торец 6 падает на дополнительное вторичное зеркало 20. Отражающая плоскость 21 дополнительного вторичного зеркала 20 выполнена в виде круга, диаметром d, перпендикулярного центральной оптической оси 18, проходящей через его геометрический центр. Причем, дополнительное вторичное зеркало 20, с механизмом перемещения 23 его вдоль центральной оптической оси 18, размещено в блоке расширителя пучка 22. Таким образом, пучок лазерного излучения, с предельными апертурными лучами 42 или 43, расходящимся сферическим фронтом отражается от отражающей плоскости 21 дополнительного вторичного зеркала 20 также расходящимся сферическим фронтом с крайними лучами 44, 45 и падает на отражающую плоскость 8 вторичного зеркала 9, размещенного в блок-коннекторе 24. Причем, отражающая плоскость 21 дополнительного вторичного зеркала 20 отстоит на расстоянии L от точки пересечения центральной оптической оси 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9. Далее пучок отражается от отражающей плоскости 8 вторичного зеркала 9, с центральной осью 10 и крайними лучами 38, 39, и падает на главное оптическое зеркало 11, конструктивно связанное с устройством "грубого" наведения (на фигурах не показано). На выходе из оптической системы от отражающей поверхности 12 главного оптического зеркала 11, выполненной вогнутой внеосевой параболической с фокусом F полной параболы 13, выходит малорасходящийся лазерный пучок, с выходной оптической осью 15 и крайними лучами 40, 41, и падает на плоскость изображения 14. Причем в рассматриваемой оптической системе, упомянутая ранее, центральная ось 10 пучка совпадает с фокальным радиусом-вектором точки на полной параболе 13. Через эту точку проходит выходная оптическая ось 15 пучка, совпадающая с диаметром 16 полной параболы 13. При этом диаметр 16 образует, при пересечении с касательной плоскостью 17 к отражающей поверхности 12 в этой точке, угол β, а отражающая плоскость 8 вторичного зеркала 9 установлена в оптической системе параллельно касательной плоскости 17. При этом выходная оптическая ось 15 параллельна центральной оптической оси 18 прямолинейного отрезка оптоволокна 3, отстоящего от оси 19 полной параболы 13 на расстоянии h, причем излучающий торец 6 сердцевины 5 оптоволоконного вывода 2 отстоит на расстоянии L от точки пересечения центральной оптической оси 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9, образующей при пересечении угол β, где β=β. Блок-коннектор 24 состоит из вторичного зеркала 9 и оптического разъема 25 с системой терморегулирования 26. Причем вторичное зеркало 9 выполнено в виде усеченного кругового цилиндра, диаметром d со скошенной плоскостью, образующей отражающую плоскость 8 вторичного зеркала 9, внутри которого осесимметрично выполнен сквозной канал 27, с осью 28, совпадающей с осью 29 усеченного кругового цилиндра вторичного зеркала 9 и с центральной оптической осью 18, с заключенным в нем оптическим разъемом 25 оконцовывающим оптоволоконный вывод 2. Оптоволоконный вывод 2 включает прямолинейный отрезок кабеля 30, закрепленный в оптическом разъеме 25, и прямолинейные отрезки буферной оболочки 31 и открытый отрезок 32 оптоволокна 3, закрепленные во втулке 33 осесимметрично размещенной в оптическом разъеме 25. Причем отрезок буферной оболочки 31 с внешним диаметром dB фиксируется втулкой 33, с внутренним диаметром d и внешним диаметром D, где d=d, а в торцевой части втулки 33, выполненной в виде усеченного прямого конуса, с диаметром основания D=D, диаметром основания усеченной части δ и с углом β<β между образующей конуса и высотой, в ее осесимметричном канале 34, с осью 35 совпадающей с центральной оптической осью 18, с диаметром δ=δ=δ, фиксируется открытый отрезок 32 оптоволокна 3. Оптическую систему выполняем так, чтобы основание усеченной части прямого конуса торцевой части втулки 33, торец оптической оболочки 4, излучающий торец 6, через который выходит пучок излучения на дополнительное вторичное зеркало 20, лежали в одной плоскости 36 проходящей перпендикулярно центральной оптической оси 18 через точку пересечения ее с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9. Таким образом, в приведенной геометрии оптической системы, на выходе из оптической системы лучи распространяющиеся как из точки F, являющейся мнимым изображением точки S, после отражения от параболической отражающей поверхности 12 главного оптического зеркала 11 идут параллельно друг другу с крайними лучами 40, 41 и выходной оптической осью 15 пучка не пересекаются или, как говорят, пересекаются на бесконечности. После "грубого" наведения выполняют точное наведение малорасходящегося лазерного пучка, совмещая плоскость изображения 14 с плоскостью, например фотоэлектрических панелей приемника-преобразователя внутренним перемещением излучения в рассматриваемой оптической системе формирования и наведения лазерного пучка. Плоскость изображения 14 может быть выполнена в виде приемника-преобразователя, где лазерное излучение может быть эффективно преобразовано в электроэнергию с помощью фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) на основе полупроводниковых гетероструктур [В.А. Грилихес, П.П. Орлов, Л.Б. Попов. Солнечная энергия и космические полеты. М: Наука, 1984, с. 110]. Управляя отклонением луча на выходе из оптической системы от начального (нулевого) положения осуществляют точное наведение малорасходящегося лазерного пучка, т.е. фокусировку и сканирование в плоскости изображения 14, по командам и управляющим сигналам от системы СПУ, поступающим соответственно в блок расширителя пучка 22 и устройство сканирования 37, с которым конструктивно связано главное оптическое зеркало 11. С помощью механизма перемещения 23 отражающей плоскости 21 дополнительного вторичного зеркала 20 вдоль центральной оптической оси 18 (по координате X), осуществляется фокусировка изображения предмета, которым является светящаяся точка S, в плоскости изображения 14. СПУ обеспечивает работу механизма перемещения 23 и контролирует положение отражающей плоскости 21 дополнительного вторичного зеркала 20 с помощью встроенных в механизм перемещения 23 датчиков перемещения (на фиг. 1-4 не показаны). Причем, механизм перемещения 23 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/lineinye-pezoplatformy/]. Главное оптическое зеркало 11 конструктивно связано с устройством сканирования 37 и может быть выполнено, например на основе моторизированного двух осевого кинематического пьезоэлектрического нанопозиционера [Моторизированный двух осевой (XY) кинематический пьезоэлектрический нанопозиционер QNP2-100-XYA, http://www.phcloud.ru, производитель: Aerotech, Inc.]. С помощью устройства сканирования 37, включающего подвижную пьезоэлектрическую платформу с главным оптическим зеркалом 11, осуществляются наклоны платформы по углам ϕz и ϕу, как показано на фиг. 1. Таким образом, однокоординатное перемещение (X) отражающей плоскости 21 в блоке расширителя пучка 22 и перемещение подвижного главного оптического зеркала 11 в двух поперечных направлениях (Z, Y) позволяют осуществлять соответственно точную фокусировку и сканирование малорасходящегося лазерного пучка в плоскости изображения 14. При этом параметры оптической системы отвечают соотношениям:
1
1
C
О
d=(4 L⋅tgα⋅tgβ+δ⋅tgβ+δ⋅tgα)/(tgβ-tgα);
2
C
1
О
d=δ+2⋅tgα⋅L+δ⋅tgα⋅ctgβ;
лп
D=P {[1+cos(2β-α)]/sin(2β-α)-[1+cos(2β+α)]/sin(2β+α)};
1
С
О
h/(2 L+0,5⋅δ/tgα+0.5⋅δ/tgβ)=sin(l80°-2β),
где  а  - минимально допустимое расстояние, при выбранном h, отражающей плоскости 21 дополнительного вторичного зеркала 20 от точки пересечения центральной оптической оси 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9;
α - угол между центральной оптической осью 18 прямолинейного отрезка оптоволокна 3 и предельным апертурным лучом 42 или 43, образующим световой конус на выходе из сердцевины 5;
Р - фокальный параметр полной параболы 13, образованной пересечением плоскости YOX с параболоидом вращения с координатной осью ОХ и образующим вогнутую отражающую поверхность 12 главного оптического зеркала 11;
лп
D - диаметр пучка лазерного излучения на выходе из оптической системы.
Приведем расчетный пример проектирования оптической системы формирования и наведения пучка лазерного излучения, на базе мощных волоконных лазеров, сочетающих в себе свойства собственно генераторов излучения (лазерных диодов), усилителей излучения и высокоэффективных световодов.
О
С
1
Б
B
B
B
B
Б
К
B
К
К
2
В
О
К
1
1
2
2
1
2
Нужно отметить, что в данном техническом решении рассматривается внеосевая оптическая схема с тремя силовыми компонентами, с тремя зеркалами и внеосевым ходом лучей. А именно, используются внеосевое асферическое зеркало, в виде параболоида вращения - главное зеркало 11, и два плоских зеркала - отклоняющее вторичное зеркало 9 и дополнительное вторичное зеркало 20. Зеркальные схемы обеспечивают дифракционное качество изображения и не вносят хроматические аберрации. Кроме того, 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]. Причем, как это видно из фиг. 1 в предлагаемом техническом решении рассматривается внеосевое размещение зеркал - оптическая схема брахита. К положительным качествам брахитов можно отнести отсутствие экранирования, что положительно сказывается на четкости и контрастности изображения [Глава четвертая. СЛОЖНЫЕ ТЕЛЕСКОПЫ. http://www.old.astronomer.ru/data/library/books/sikoruk/glava4/4_1.htm], [Рефлектор (телескоп), https://ru.wikipedia.org/wiki/]. Из всех типов асферических отражателей именно внеосевые параболические зеркала лишены сферических аберраций, поэтому проецируют точечный источник в бесконечность и могут быть эффективно применимы в устройствах расширения лазерного пучка. Кроме того, использование такой оптической схемы сокращает размеры и массу оптической системы, а также позволяет использовать зеркала как клиновидной, так и равнотолщинной конфигурации [TYDEX: Внеосевые параболические зеркала http://www.tydexoptics.com/ru/products/spectroscopy/oap_mirrors/]. Для примера проектируем оптическую систему включающую лазерный волоконный модуль 1 с оптоволоконным выводом 2 на основе лазерного модуля (ЛМ) типа иттербиевого волоконного лазера ЛК-1000, производитель IPG Photonics (Россия) [https://www.stankoff.ru/product/11234/itterbievyiy-volokonnyiy-lazer-lk-1000]. Положим, что иттербиевый волоконный лазер генерирует инфракрасное излучение с длиной волны λ=1070 нм и выполнен с оптоволоконным выводом 2, конструкции которого рассмотрены, например, в [Патент №2480797. G02B 6/36 (2006.01) Способ и узел крепления оптического коннектора в коллимирующем устройстве волоконного лазера. Опубл. 27.04.2013. Бюл. №12], [ЛК/YLR-Серия. Руководство Пользователя. НТО ИРЭ ПОЛЮС, 2015, Оптический выход волоконного кабеля. Приборы с коннектором, с. 17], [Дэвид Бейли, Эдвин Райт. Волоконная оптика. Теория и практика. Раздел 5.4. Коннекторы. http://izmer-ls.ru/w/v60.html#:~:text=]. Положим, что оптоволоконный вывод 2 включает оптоволокно 3, состоящее из оптической оболочки 4 с диаметром δ=0,125 мм, заключающей сердцевину 5, с диаметром 5 δ=0,02 мм, через излучающий торец 6 которой выходит пучок с числовой апертурой NA=0,06. Положим, что выход излучения выполнен через, размещенный в блок-коннекторе 24, оптический разъем 25, оконцовывающий оптоволоконный вывод 2, как приведено на фиг. 1-4. Конструкция блок-коннектора 24 включает вторичное зеркало 9 и оптический разъем 25 с системой терморегулирования 26. Вторичное зеркало 9 выполняем в виде усеченного кругового цилиндра, диаметром d со скошенной плоскостью, образующей отражающую плоскость 8 вторичного зеркала 9, внутри которого осесимметрично выполнен сквозной канал 27, с осью 28 совпадающей с осью 29 усеченного кругового цилиндра вторичного зеркала 9 и с центральной оптической осью 18, с заключенным в нем оптическим разъемом 25 оконцовывающим прямолинейный участок оптоволоконного вывода 2 с центральной оптической осью 18. Оптический разъем 25 включает прямолинейный отрезок кабеля 30, закрепленный в оптическом разъеме 25, и прямолинейные отрезки буферной оболочки 31 и открытый отрезок 32 оптоволокна 3, закрепленные во втулке 33 осесимметрично размещенной в оптическом разъеме 25. Оптоволокно 3 имеет дополнительную защитную оболочку вокруг оптической оболочки 4. Защитная оболочка, представляющая собой один или несколько слоев полимера, один из слоев - слой-буфер (буферная оболочка), предохраняет сердцевину 5 и оптическую оболочку 4 от воздействий, которые могут повлиять на их оптические свойства, предохраняет оптоволокно 3 от разрывов из-за неровностей поверхности; определяет внешние условия эксплуатации оптоволокна: диапазон температур, уровень радиации, вакуум, химическое воздействие и минимальный радиус изгиба. Защитная оболочка не влияет на процесс распространения света по волокну, а всего лишь предохраняет от ударов [Специальные волоконные световоды: учеб. пособие / Д.Б. Шумкова, А.Е. Левченко. - Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2011, с. 58], [Волоконные компоненты для спектрометрических измерений Avantes, https://in-science.ru/library/article_post/volokonnye-komponenty-dlya-spektrometricheskih-izmerenij-avantes]. Причем отрезок буферной оболочки 31 с внешним диаметром, положим d=6 мм, фиксируется втулкой 33, с внутренним диаметром d и внешним диаметром D, положим D=8 мм, где d=d=6 мм, а в торцевой части втулки 33, выполненной в виде усеченного прямого конуса, с диаметром основания D=D=8 мм, диаметром основания усеченной части δ, положим δ=0,125 мм и с углом β между образующей конуса и высотой, примем β=45°, в ее осесимметричном канале 34, с осью 35 совпадающей с центральной оптической осью 18, с диаметром δ=δ=δ=0,125 мм, фиксируем открытый отрезок 32 оптоволокна 3. Причем основание усеченной части прямого конуса торцевой части втулки 33, торец оптической оболочки 4, излучающий торец 6, через который выходит пучок излучения на дополнительное вторичное зеркало 20, устанавливаем так, чтобы они лежали в одной плоскости 36, проходящей перпендикулярно центральной оптической оси 18 через точку пересечения ее с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9. Причем проектируемая оптическая система выполнена так, что упомянутая ранее центральная ось 10 пучка совпадает с фокальным радиусом-вектором точки на полной параболе 13, через эту точку проходит выходная оптическая ось 15 пучка, совпадающая с диаметром 16 полной параболы 13. При этом диаметр 16 образует, при пересечении с касательной плоскостью 17 к отражающей поверхности 12 в этой точке, угол β. При этом оптическую систему проектируем так, чтобы выходная оптическая ось 15 была параллельной центральной оптической оси 18 прямолинейного отрезка оптоволокна 3, отстоящего от оси 19 полной параболы 13 на расстоянии h (в данном расчетном примере примем h=60 мм). Вторичное зеркало 9 в оптической системе устанавливаем так, чтобы ее отражающая плоскость 8 была параллельной касательной плоскости 17. В результате центральная оптическая ось 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9 будет образовывать при пересечении угол β, равный углу β, т.е. β=β. Торцевую часть втулки 33 выполняем в виде усеченного прямого конуса с углом β так, чтобы удовлетворялось условие β<β. Положим, что проектируемая оптическая система выполнена с фокальным параметром Р=2F=820 мм полной параболы 13, образованной пересечением плоскости YOX с параболоидом вращения с координатной осью ОХ и образующим вогнутую отражающую поверхность 12 главного оптического зеркала 11. Главное оптическое зеркало 11 с отражающей поверхностью 12 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/(м К)), 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.
1
0
1
0
Мощное электромагнитное излучение, исходящее из сердцевины 5 прямолинейного отрезка оптоволокна 3, как из точечного источника S* (фиг. 4) лазерного излучения на центральной оптической оси 18 сердцевины 5 оптоволокна 3, падает на плоскость излучающего торца 6 оптоволокна 3. Электромагнитные волны на границе двух сред (плоскость излучающего торца 6), попадая из более плотной среды (материал сердцевины 5, с показателем преломления n) в менее плотную (воздух или космическое пространство) с показателем преломления n, где n>n, испытывают преломление, вызванное тем, что скорости распространения волн в этих средах различны. Продолжения лучей (определяющих положение сферического фронта преломленной волны) расходящегося пучка пересекаются в точке S, на расстоянии r от излучающего торца 6, являющейся мнимым изображением точки S*.
0
0
c
Принимаем, что числовая апертура оптоволокна 3 определяется соотношением NA=n⋅sinα, где n=1 - показатель преломления воздуха, α - угол между центральной оптической осью 18 прямолинейного отрезка оптоволокна 3 и предельным апертурным лучом 42 или 43, образующим световой конус на выходе из сердцевины 5 [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 6 сердцевины 5 оптоволокна 3. Расстояние r точечного источника излучения (точка S) от излучающего торца 6 на центральной оптической оси 18 сердцевины 5 оптоволоконного вывода 2, как показано на фиг. 4, в первом приближении можно определить как r=0.5⋅δ/tgα. Для малых углов α можно принять
С
С
r=0.5⋅δ/sinα=0.5⋅δ/NA=0,5⋅0,02/0,06=0,17 мм.
1
1
2
1
1
0
0
Расходящийся пучок лазерного излучения, с центральным лучом пучка 7 и углом α между центральной оптической осью 18 прямолинейного отрезка оптоволокна 3 и предельным апертурным лучом 42 или 43, образующим световой конус, как из точечного источника S (фиг. 4), выходит из сердцевины 5 через излучающий торец 6 суммарно проходит расстояние L+r+L и падает на отражающую плоскость 21 дополнительного вторичного зеркала 20, где L - расстояние от отражающей плоскости 21 дополнительного вторичного зеркала 20 до точки пересечения центральной оптической оси 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9; r - расстояние от точки S до излучающего торца 6; L - расстояние от излучающего торца 6 сердцевины 5 оптоволоконного вывода 2 до точки пересечения центральной оптической оси 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9. Дополнительное вторичное зеркало 20 выполняем в виде круга, диаметром d перпендикулярного центральной оптической оси 18 проходящей через его геометрический центр, отстоящего на расстоянии L (для проектируемой оптической системы примем L=88 мм) от точки пересечения центральной оптической оси 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9. Дополнительное вторичное зеркало 20 размещаем в блоке расширителя пучка 22 с механизмом перемещения 23 его вдоль центральной оптической оси 18. Механизм перемещения 23 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.coml, [Линейные пьезоплатформы. http://www.innfocus.ru/ru/catalog/photonics_c/pozicionery/physik-instrumente-pi/linejnye-pezoplatformy/]. Далее пучок лазерного излучения отражается от отражающей плоскости 21 дополнительного вторичного зеркала 20 также расходящимся сферическим фронтом и падает на отражающую плоскость 8 вторичного зеркала 9, размещенного в блок-коннекторе 24. Выполняем вторичное зеркало 9 и дополнительное вторичное зеркало 20 из материала представляющего композит АКК «Скелетон», аналогичного рассмотренному выше для главного оптического зеркала 11 со специальным конструкционным покрытием на отражающей плоскости 8 и отражающей плоскости 21, аналогично как и у главного оптического зеркала 11. Угол α на фиг. 1-4 определяем из приведенного выше соотношения NA=n⋅sinα, где n=1: α=Arcsin NA=Arcsin 0,06=3,44°.
1
1
Расстояние L торца 6 сердцевины 5 оптоволоконного вывода 2 от точки пересечения центральной оптической оси 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 11, образующей при пересечении угол β, где β=β, выбираем минимальным так, чтобы торцы сердцевины 5 и оптической оболочки 4, лежащие в одной плоскости 36, не выходили за пределы отражающей плоскости 8 вторичного зеркала 9. Определим L, как следует из фиг. 4, по соотношению
О
1
1
1
О
О
L/(0.5⋅δ)=tg(90°-β)=ctg β, учитывая, что β=β, получаем L= L/(0.5⋅δ⋅ctg β=0.5⋅δ/tg β.
1
1
О
О
Определим угол β из трансцендентного уравнения (5), которое можно решить приближенно [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. 147], или как в данном расчетном примере, анализируя уравнение (5). Исходя из принятой оптической схемы, как видно из фиг. 1, угол β ограничен интервалом 45°<β<90°. Откуда следует, что для принятого в данном примере диаметра оптической оболочки 4 δ=0,125 мм, третье слагаемое в левой части уравнения (5) для L=0.5⋅δ/tg β ограничено интервалом 0<L<0,0625.
1
С
О
Таким образом, считая известными параметры h, L δ, δ, α, и имея в виду соотношение 0<L<0,0625, определим угол β из уравнения (5):
1
c
О
h/(2⋅L+0,5⋅δ/tgα+0.5⋅δ/ tgβ)=sin(180°-2β) или
60/(2⋅88+0,5⋅0,02/0,06+0.5⋅0,125/tgβ)=sin(180°-2β)
или 60/(176+0,167+0.5⋅0,125/tgβ)=sin(180°-2β), т.е. третье слагаемое пренебрежимо мало в сравнении с первыми двумя слагаемыми и в первом приближении им можно пренебречь.
1
С
Откуда определяем β как β=90°-0,5⋅Arcsin[h/(2 L+0,5⋅δ/tgα)]=90°-0,5⋅Arcsin[60/(2⋅88+0,5⋅0,02/0,06)]=80,04°.
2
1
В результате приближенного решения получаем β=80,04°, что отвечает условию β<β=β.
Определим расстояние L торца 6 сердцевины 5 оптоволоконного вывода 2 от точки пересечения центральной оптической оси 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 11:
О
L=0.5⋅δ⋅ctg β=0,5⋅0,125⋅ctg 80,04°=0,011 мм.
1
2
лп
Диаметр d отражающей плоскости 8 вторичного зеркала 9, диаметр d отражающей плоскости 21 дополнительного вторичного зеркала 20, а так же диаметр пучка лазерного излучения D на выходе из оптической системы определим из соотношений (1-3).
1
1
С
О
d=(4⋅L⋅tgα⋅tgβ+δ⋅tg β+δ⋅tgα)/(tgβ-tgα)= =(4⋅88⋅tg 3,44°⋅tg 80,04°+0,02⋅tg 80,04°+0,125⋅tg 3,44°)/(tg 80,04°-tg 3,44°)==21 мм;
2
С
1
О
d=δ+2⋅tgα⋅L+δ⋅tgα⋅ctg β=0,02+2⋅tg 3,44°⋅88+0,125⋅tg 3,44°⋅ctg 80,04°=11 мм;
лп
D=P⋅{[1+cos(2⋅β-α)]/sin(2⋅β-a)-[1+cos(2⋅β+α)]/sin(2⋅β+α)}=820 {[1+cos(2⋅80,04°-3,44°)]/sin(2⋅80,04°-3,44°)-[1+cos(2⋅80,04°+3,44°)]/sin(2⋅80,04°+3,44°)}=51 мм.
1
min
Определим минимально допустимое расстояние L, при выбранном h, по соотношению (4)
= что удовлетворяет условию
Приведем вывод выражений (1-5), определяющих основные геометрические соотношения и технические характеристики, необходимые при конструкторской проработке проектируемой оптической системы формирования и наведения пучка лазерного излучения.
При выводе соотношений (1-5) примем, что излучение исходит из сердцевины 5 через излучающий торец 6 из точечного источника излучения (точка S), как показано на фиг. 4, размещенного на расстоянии г от излучающего торца 6 на центральной оптической оси 18 прямолинейного отрезка оптоволокна 3 установленного в оптическом разъеме 25 оконцовывающим оптоволоконный вывод 2 лазерного волоконного модуля 1.
Вывод соотношений (1-5) вытекает из законов отражения и преломления света, а также определения и основных свойств полной параболы 13, образованной пересечением плоскости YOX с параболоидом вращения с координатной осью ОХ и образующим вогнутую отражающую поверхность 12 главного оптического зеркала 11 [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].
Как приведено на фиг. 1, отражающая поверхность 12 главного оптического зеркала 11, являющаяся частью параболоида вращения полной параболы 13, выполнена вогнутой, внеосевой с фокусом F. Причем, как видно из фиг. 1, касательная плоскость 17 в точке М к отражающей поверхности 12 главного оптического зеркала 11 в плоскости YOX образует касательную 17 к полной параболе 13 в точке М. Касательная 17 и нормаль к полной параболе 13 являются биссектрисами углов между фокальным радиусом-вектором точки М полной параболы 13 и диаметром 16, проходящим через эту же точку М, при этом диаметр 16 образует, при пересечении с касательной 17 в этой точке, угол β. А вторичное зеркало 9 установлено в оптической системе так, что его отражающая плоскость 8 параллельна касательной плоскости 17 к отражающей поверхности 12 главного оптического зеркала 11 в точке М.
0
0
0
0
При этом принимаем, что числовая апертура оптоволокна определяется соотношением NA=n⋅sinα, где n=1 - показатель преломления воздуха, α - угол между центральной оптической осью 18 прямолинейного отрезка оптоволокна 3 и предельным апертурным лучом 42 или 43, образующим световой конус на выходе из сердцевины 5 [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 6 сердцевины 5 оптоволоконного вывода 2. Из соотношения NA=n⋅sinα, где n=1, определяем угол α (фиг. 1-4), т.е.
Расстояние r точечного источника излучения (точка S) от излучающего торца 6 на центральной оптической оси 18 сердцевины 5 оптоволоконного вывода 2, как показано на фиг. 4, в первом приближении можно определить как
Для малых углов а можно принять
1
1
Расстояние L от торца 6 сердцевины 5 оптоволоконного вывода 2 до точки пересечения центральной оптической оси 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 11, образующей при пересечении угол β, где β=β, выбираем минимальным так, чтобы торцы сердцевины 5 и оптической оболочки 4, лежащие в одной плоскости 36, не выходили за пределы отражающей плоскости 8 вторичного зеркала 9. Определим L, как следует из фиг. 4, по соотношению
o
1
1
1
L/(0,5⋅δ)=tg(90°-β)=ctgβ, учитывая, что β=β, получаем
1
3
Угол β, образованный при пересечении диаметра 16 полной параболы 13, с касательной плоскостью 17 к отражающей поверхности 12 главного оптического зеркала 11 в плоскости YOX и равный ему угол β, образованный при пересечении центральной оптической оси 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9 в плоскости YOX, для принятого конструктивного решения рассматриваемой оптической системы, учитывая соотношения (7) и (9), определяем, например, из треугольника ΔtMF (фиг. 1)
3
3
3
1
В соотношении (10) Mt=h, где, как видно из фиг. 1, h - расстояние центральной оптической оси 18 прямолинейного отрезка оптоволокна 3 от оси 19 полной параболы 13. Гипотенуза MF, как видно из фиг. 1 и фиг. 4, является мнимым отрезком фокального радиуса-вектора точки М на полной параболе 13, равным расстоянию пройденному центральным лучом 7 пучка излучения, исходящего из сердцевины 5 через излучающий торец 6, от точечного источника S, после отражения от отражающей плоскости 21 дополнительного вторичного зеркала 20, до отражающей плоскости 8 вторичного зеркала 9. Откуда в соотношении (10) MF=2 L+r+L.
Подставляя в (10) выражения для r и L из (7) и (9), получаем для β трансцендентное уравнение
которое можно решить приближенно [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. 147]. Откуда для определения β приходим к соотношению (5).
2
С
1
Диаметр d отражающей плоскости 21 дополнительного вторичного зеркала 20, как видно из фиг. 1 и фиг. 4, имея в виду закон отражения лучей падающих на отражающую плоскость 21 дополнительного вторичного зеркала 20 и предварительно считая известными параметры α, δ, L, r и L, учитывая (7) и (9), можно определить из соотношения
2
1
2
0,5⋅d/(L+r+L)=tgα, откуда определяем d
2
С
1
О
d=δ+2⋅tgα⋅L+δ⋅tgα⋅ctgβ, т.е. приходим к соотношению (2).
1
3
Диаметр d отражающей плоскости 8, как видно из фиг. 1 и фиг. 4, имея в виду закон отражения лучей падающих на отражающую плоскость 8 вторичного зеркала 9, находим как ординату (у) точки пересечения крайнего луча 44, отраженного от отражающей плоскости 21 дополнительного вторичного зеркала 20, с отражающей плоскостью 8, как точку на отражающей плоскости 8 наиболее отдаленную от центральной оптической оси 18, из решения системы уравнений крайнего луча 44 и прямой, образованной от пересечения отражающей плоскости 8 с плоскостью YOX, перенеся точку начала координат, для этого частного случая, в точку М:
Совместно решая уравнения (12) и (13) находим ординату (у) точки пересечения крайнего луча 44 с отражающей плоскостью 8, как точку наиболее отдаленную от центральной оптической оси 18:
1
Подставляя в (14) выражения из (7) и (9) определяем диаметр d из соотношения
1
1
С
O
d=2⋅у=(4 L⋅tgα⋅tgβ+δ⋅tgβ+δ⋅tgα)/(tgβ-tgα), т.е. приходим к соотношению (1).
лп
1
2
Диаметр D пучка лазерного излучения на выходе из оптической системы определим как разность ординат точек M и М на полной параболе 13 соответствующих фокальных радиусов-векторов, как это видно из фиг.ь 1, предварительно определив ординату точки М на полной параболе 13.
Совместно решая уравнение фокального радиуса-вектора точки М на полной параболе 13, используя треугольники на фиг. 1 ΔTMF и ΔOmF,
и каноническое уравнение параболы [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]
где Р - фокальный параметр полной параболы 13, образованной пересечением плоскости YOX с параболоидом вращения с координатной осью ОХ и образующим вогнутую отражающую поверхность 12 главного оптического зеркала 11.
0
0
Из совместного решения уравнений (15) и (16) находим ординату точки М(х, у)
1
2
лп
1
2
Аналогично, используя рисунок на фиг. 1, определяем ординаты точек M и М на полной параболе 13, а диаметр D пучка лазерного излучения на выходе из оптической системы определим как разность ординат точек М и М
лп
1
2
D=y-y=P⋅{[l+cos(2β-α)]/sin(2β-α)-[1+cos(2β+α)]/sin(2β+α)}, т.е. приходим к соотношению (3).
3
1
1
3
2
2
3
3
3
3
3
Определим минимально допустимое расстояние , при выбранном h, отражающей плоскости 21 дополнительного вторичного зеркала 20 от точки (М) пересечения центральной оптической оси 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9, чтобы сравнить с предварительно выбранным параметром L, при этом очевидно, как видно из фиг. 1, L должно быть больше .  определим как разность абсцисс точки М и точки пересечения фокального радиуса-вектора точки М с прямой у=h+d/2. Абсциссу х точки М(х, у), где у=h, определим совместно решая уравнение (15) фокального радиуса-вектора точки М на полной параболе 13 с уравнением у=h. Откуда получаем
Д
2
2
Аналогично (18) получаем абсциссу (назовем ее х) точки пересечения фокального радиуса-вектора точки М с прямой у=h+d/2, эта точка на отражающей плоскости 21 дополнительного вторичного зеркала 20 наиболее удалена от центральной оптической оси 18, откуда получаем
3
Откуда определяем минимально допустимое расстояниепри выбранном h, отражающей плоскости 21 дополнительного вторичного зеркала 20 от точки (М) пересечения центральной оптической оси 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9, как  т.е. получаем соотношение (4).
Нужно отметить, что при применении выше приведенных соотношений необходимо учитывать конструктивные особенности оправ, в которых размещены главное оптическое зеркало 11, вторичное зеркало 9 и дополнительное вторичное зеркало 20 в конструкции реальной оптической системы.