УСТРОЙСТВО ДЛЯ СКАНИРОВАНИЯ ПРОСТРАНСТВА ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

Область техники
Полезная модель относится к квантовой электронике, в частности к устройствам, позволяющим непрерывно и достаточно равномерно в заданном телесном угле и во времени сканировать лазерным излучением пространство, и может быть применено в технологических операциях облучения излучением различных материалов, для лазерной локации, при поиске излучающих объектов, в том числе с помощью установок на основе импульсно-периодических газовых лазеров, размещаемых на транспортных средствах и генерирующих излучение во время их движения.
Уровень техники
Известные устройства для сканирования пространства лазерным излучением основаны на изменении во времени расходимости излучения и (или) направления его распространения оптическими или механическими способами.
Изменение расходимости излучения можно осуществить, например, с помощью панкратических систем типа предложенной в [1. Massey G.A. - Appl. Optics, 1972, v.11, №12, p.2981.] При перемещении одной или нескольких линз расходимость лазерного излучения меняется практически линейно в широких пределах, в десятки раз. Для изменения расходимости можно применить набор линз разной оптической силы, размещаемых в револьверном устройстве, при переключении которого по желанию оператора в любое положение будет меняться расходимость лазерного излучения. Общими недостатками этих устройств является их инерционность, не позволяющая изменять объем сканируемого пространства с заданной частотой, хотя бы в несколько десятков герц, и крайне неоднородное облучение пространства, так при повышенной расходимости интенсивность облучения на периферии сканирующего лазерного луча всегда недостаточна для эффективного облучения поверхностей и сканирования объема.
В патентах [2. Патент РФ RU 02091940 С1, МПК НО1S 3/10, опубликовано 27.09.1997. Заявитель - Научно-исследовательский институт комплексных испытаний оптико-электронных приборов и систем ВНЦ “ГОИ им. С.В.Вавилова”, авторы - Вицинский В.А., Дивин В.Д., Ловчий И.Л., Исаков В.К.], [3. Патент РФ RU 02107367 С1, МПК HО1S 3/10, HO1S 3/22, опубликовано 20.03.1998. Заявитель - Научно-исследовательский институт комплексных испытаний оптико-электронных приборов и систем ВНЦ “ГОИ им. С.В.Вавилова”, авторы - Вицинский В.А., Дивин В.Д., Ловчий И.Л.] описаны устройства сканирования пространства, в которых изменение направления лазерного луча осуществляется с помощью пространственно-временных модуляторов или поляризаторов света, установленных внутри резонатора лазера. Благодаря отсутствию в оптическом тракте вращающихся и перемещаемых деталей эти устройства просты в реализации. Однако эти устройства не применимы при использовании для сканирования излучения лазеров, размещаемых на движущихся транспортных средствах и генерирующих излучение во время движения, т.к. наличие в резонаторе большого, до полутора десятков, количества сложных оптических деталей ведет не только к большим потерям энергии, но и к росту вероятности разъюстировки резонатора лазера при работе.
Известно устройство сканирования лазерным лучом пространства, основанное на изменение направления оси лазерного луча при его проходе через независимо вращаемые вручную два оптических клина [4. Патент РФ RU 02126125 С1, МПК F41A 33/02, опубликовано 10.02.1999, Заявитель - 193036, г.Санкт-Петербург, а/я 24, НЕВИНПАТ Патентному поверенному Поликарпову А.В., авторы - Кьюбик Дифенс Системз, Инк. (US), Парих Химнашу Н. (US), Хили Фриц У. US).]. Устройство применено для юстировки лазерного прицела стрелкового оружия. Инерционность и невозможность однородного сканирования пространства с заданными амплитудой и частотой являются недостатками этого устройства.
Изменение направления (прецессия) лазерного луча при проходе его через устройство из оптических клиньев, подобное устройству [4], будет зависеть от их клиновидности, коэффициента преломления материала клиньев и, при их механическом вращении, передаточного отношения между их угловыми скоростями. При различных сочетаниях указанных параметров прецессия оси лазерного луча в проекции на сферу будет иметь вид то прямой линии, то окружности, то спирали и т.д., и не во всех случаях пространство будет сканироваться эффективно.
Подобный метод сканирования лазерным лучом пространства реализован в приборе для медицинских целей [5. Патент РФ RU 02163790 С1, МПК А61В 18/20, A61N 5/067, опубликовано 10.03.2001, Заявитель - г.Тула, ГУП “Конструкторское бюро приборостроения”, авторы - Золотарева А.Р., Куликов В.Б., Погорельский С.Л., Телышев В.А., Шипунов А.Г., Якунин О.Г.]. Перемещение лазерного луча в пространстве в данном случае также осуществляют с помощью устройства на основе двух оптических клиньев, но клинья с разной клиновидностью и вращают их в одном направлении с небольшой разницей в угловых скоростях. При этом ось луча непрерывно перемещается от направления, близкого к оси резонатора лазера, в сторону и затем назад по спиральной траектории. За счет такого перемещения луча достигается достаточно равномерное облучение поверхности живой ткани. Однако при этом ось сканирующего луча никогда не совпадает с осью излучения лазера, обычно при лазерной локации, совпадающей с наиболее вероятным направлением на сканируемый объект, и надолго отклоняется от нее, что приводит к неэффективному сканированию пространства, в том числе и во времени.
Последнее устройство как наиболее близкое по технической сущности выбрано в качестве прототипа.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом полезной модели является обеспечение при сканировании лазерным лучом достаточно однородного во времени и в заданном телесном угле облучения пространства, большего в несколько раз, чем исходным лазерным лучом, без изменения расходимости излучения и с плотностью облучения в заданном телесном угле не ниже определенного уровня.
0,5Е
λ
Технический результат достигается тем, что изменение направления распространения лазерного излучения во времени и в заданном телесном угле достигается посредством пропускания его через оптическое устройство, состоящее из двух рядом установленных с возможностью вращения оптических клиньев, изготовленных из материала, прозрачного к лазерному излучению. Новым в способе является то, что оптические клинья выполнены с одинаковой клиновидностью и имеют возможность независимого вращения в противоположных направлениях с разными угловыми скоростями, причем общая ось вращения клиньев совпадает с энергетической осью излучения или параллельна ей. Оптимальное соотношение скоростей вращения примерно 0,7. При этом оптические клинья могут быть выполнены в форме дисков с клиновидностью φ радиан, рассчитываемой с учетом расходимости лазерного луча по уровню 0,5 энергии θ, показателя преломления материала клиньев на длине волны излучения n и задаваемой заранее минимально необходимой интенсивности облучения по центру и на периферии сканируемого пространства i по нижеприведенной формуле, при этом предполагается, что распределение интенсивности излучения по углу в лазерном луче подчиняется формуле Гаусса. Принято также, что синус угла равен значению угла в радианах, ввиду малости углов клиновидности дисков и расходимости излучения.
λ
Расходимость излучения при этом меняется незначительно, и только в пределах хроматической разности, если излучение не монохроматическое. Но оптическая (энергетическая) ось излучения будет непрерывно менять направление (прецессировать) от совпадающего с осью излучения лазера до какого-то максимального значения, при этом лазерный луч последовательно сканирует все пространство внутри телесного угла, размеры которого зависят от расходимости излучения, коэффициента преломления материала клиньев и их клиновидности. Максимальное отклонение оси излучения от начального направления составляет Δ≈2φ(n-1). При каждых двух оборотах более скоростного клина ось излучения описывает неправильную восьмерку из двух узких лепестков, трижды проходя через положение, совпадающее с начальным направлением лазерного луча, а это, например, при лазерной локации, наиболее вероятное направление на объект сканирования, и дважды максимально удаляясь от него. С каждым оборотом лепестки восьмерки смещаются по азимуту, и это смещение зависит от отношения скоростей вращения клиньев. С определенной периодичностью перемещение оси в пространстве будет повторяться при передаточных отношениях типа простых дробей 1/2, 2/3, 3/4 и им подобным.
Выполнение оптических клиньев с одинаковой клиновидностью позволяет при лазерной локации в течение каждого оборота более скоростного клина дважды совмещать ось перемещающегося лазерного луча с наиболее вероятным направлением на сканируемый объект.
Вращение оптических клиньев в противоположных направлениях с разной угловой скоростью вокруг общей оси, совпадающей с энергетической осью излучения лазера или параллельной ей, позволяет непрерывно смещать по азимуту траекторию перемещения энергетической оси луча вокруг наиболее вероятного направления на сканируемый объект. Благодаря этому обеспечивается достаточно однородное во времени и в телесном угле сканирование пространства, большего в несколько раз, чем исходным лазерным лучом, и без изменения расходимости излучения.
Вращение оптических клиньев с отношением угловых скоростей примерно 0,7 позволяет за каждые пять или шесть оборотов более скоростного клина отсканировать все пространство вокруг наиболее вероятного направления на сканируемый объект практически без повторения траектории перемещения оси луча в дальнейшем.
λ
λ
Выполнение оптических клиньев с клиновидностью φ, рассчитанной по вышеприведенной формуле (1), обеспечивает интенсивность облучения сканируемого пространства не ниже заданного уровня по центру и на периферии телесного угла, полный плоский угол которого порядка ω=8φ·(n-1) радиан, где n - относительный показатель преломления материала клиньев на длине волны излучения.
Достигаются и дополнительные эффекты - преднамеренная прецессия оси излучения снимает вопрос о ее несанкционированном уводе в сторону при небольшой разъюстировке резонатора лазера, менее критичным становится расстояние до объектов локации и сканирования.
Полезная модель реализуется следующим образом. Вблизи лазера на пути транспортировки его излучения размещают оптическое устройство, состоящее из двух оптических клиньев, изготовленных из материала, прозрачного для лазерного излучения, одного размера с одинаковой клиновидностью, рассчитанной по выше приведенной формуле, и привода для обеспечения вращения клиньев. Оптические клинья устанавливают на одной оси с возможностью вращения их в противоположных направлениях с разной угловой скоростью, причем общая ось вращения клиньев совпадает с осью излучения лазера или параллельна ей. Толщина и диаметр оптических клиньев не имеют значения и выбираются конструктивно. Однако, если поперечное смещение луча должно быть минимальным, клинья должны быть минимально возможной толщины и располагаться на минимальном расстоянии друг от друга наклонными поверхностями друг к другу, и ось их вращения должна совпадать с энергетической осью излучения лазера. Так, при диаметре луча 15 мм оптические клинья с клиновидностью 0,003 радиан могут иметь диаметр 20-25 мм, толщину 2-3 мм, и зазор между собой 0,5-1 мм, при этом поперечное смещение лазерного луча на выходе из последнего клина практически отсутствует. Вращение клиньев может осуществляться с помощью электромеханического приспособления на основе шагового или любого другого микроэлектродвигателя, кинематически связанного с клиньями пассиками или зубчатыми передачами, или, если лазер газопроточный, с помощью пневматического приспособления, использующего поток рабочего вещества, отбираемый из газодинамического контура лазера. Абсолютные скорости вращения клиньев большого значения также не имеют, т.к. прецессия оси сканирующего луча происходит постоянно и не зависит от алгоритма излучения, и в большей мере определяется излучаемой энергией и минимально необходимой средней интенсивностью потока в центре и на периферии телесного угла для эффективного облучения поверхностей или сканирования пространства.
Передаточное отношение скоростей вращения оптических клиньев целесообразно взять таким, чтобы не выражалось простой дробью, например 0,71…0,731. Так, при отношении - 0,71 и клиновидности 0,002 радиан, уже за первые пять оборотов более скоростного клина ось излучения последовательно опишет около 5-и “восьмерок”, почти равномерно заполняющих пространство в пределах телесного угла с максимальным отклонением от начальной оси излучения до 0,0016 радиан. При скорости вращения клиньев порядка 600 об/мин на это потребуется 0,5 секунды. За следующие 0,5 секунды “лепестки восьмерок” почти равномерно “зачертят” пространство между первыми 5-ю “восьмерками” и т.д.
2
0,5Е
-3
На фиг. показаны результаты расчета прецессии энергетической оси излучения с длиной волны излучения λ=3,8 мкм за время, соответствующее 1, 2 и 3-м оборотам от начального положения оптических клиньев, при котором их наклонные поверхности параллельны. Клинья из CaF с клиновидностью φ=0,003 радиан, передаточное отношение скоростей - 0,721, расходимость излучения по уровню 0,5 энергии θ=3,2·10 радиан при гауссовом распределении энергии по углу, масштаб - 1 мрад/деление. Максимальное отклонение оси излучения от начального направления в долях угла клиновидности клиньев составляет Δ≈0,246 радиан. Как следует из расчетов, в данном случае интенсивность облучения i по центру сканируемого пространства будет не менее 0,2 от максимальной, не менее 0,2 будет интенсивность облучения и на периферии телесного угла, полный плоский угол которого ω≈0,01 радиан, т.е. будет облучаться намного большее пространство, чем при обычном исполнении лазера без применения предлагаемого устройства сканирования. На среднем рисунке для двух случайных моментов времени показаны изолинии интенсивности лазерного излучения по уровням 0,5 и ≈0,2. При клиновидности клиньев 0,002 радиан интенсивность облучения i по центру сканируемого пространства будет не менее 0,5 от максимальной. Средняя за длительный промежуток времени интенсивность потока облучения снижается, конечно, пропорционально увеличению объема сканируемого пространства
По данному техническому решению на предприятии был создан макетный образец устройства, через которое проходило излучение гелий-неонового лазера. Прецессия оси излучения происходила точно в соответствии с расчетом.
Заявляемое устройство найдет применение в технологических операциях облучения лазерным излучением различных материалов, сканирования пространства, особенно для лазерной локации, при поиске излучающих объектов, в том числе с помощью установок на основе импульсно-периодических газовых лазеров, размещаемых на транспортных средствах и генерирующих излучение во время их движения. Подобное устройство может быть применено и в обратном ходе лучей, т.е. для поиска в сканируемом пространстве излучающих объектов.