Оптическая система формирования и наведения лазерного излучения
OPTICAL SYSTEM FOR FORMATION AND INDUCTION OF LASER RADIATION

Изобретение относится к области создания систем передачи мощного 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) [В.И. Кишко, В.Ф. Матюхин. Принципы построения адаптивных ретрансляторов для стратосферных систем передачи энергии // Автометрия. 2012. Т. 48, №2. с. 59-66] с последующим преобразованием в электроэнергию в приемниках-преобразователях. 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. Заказное, 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 [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.
В [Сысоев В.К. Анализ архитектуры лазерного информационно-измерительного канала дистанционной передачи энергии в космосе. ФГУП НПО им. С.А. Лавочкина. Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» с. 799-807. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2007/076.pdf] предложена оптическая система для реализации передачи лазерного излучения на КА, формирующая малорасходящийся пучок, а так же обеспечивающая наведение «лазерного прожектора» на космический объект-потребитель. Для формирования узконаправленного пучка лазерного излучения использована зеркальная оптическая система из первичного и вторичного отражающих зеркал, позволяющая за счет излома луча уменьшить линейные размеры системы. Для реализации такой системы использовалась двухконтурная оптическая схема. Первый контур: это суммирование единичных лазерных пучков, исходящих из лазерного излучателя на первичное отражающее зеркало, размещенное в фокальной плоскости второго контура, для формирования малорасходящегося суммарного лазерного пучка кольцевого сечения. Причем, лазерный излучатель включает кольцевую решетку полупроводниковых лазеров, позволяющих производить сложение единичных лазерных пучков. «Лазерный прожектор» имеет двухкоординатный привод с системой управления для перенацеливания и систему стабилизации наведения лазерного пучка во время передачи энергии.
Одним из основных недостатков данной ЛСПЭ, ограничивающим ее потенциал, является способ формирования результирующего лазерного пучка. Способ основан 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, затрудняющим эксплуатацию ЛСПЭ, является вероятная сложность замены отдельных лазерных источников при выходе их из строя или падении их мощности.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является оптическая система формирования и наведения 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 формирования и наведения лазерного излучения, включающая передающий лазерный комплекс из n-лазерных модулей, на основе волоконных лазеров каждый с выходом через высокоэффективный световод, торец сердцевины которого является источником излучения, создающего единичный лазерный пучок. Причем на выходе отдельные световоды объединены в жгут и расположены по его периметру, так что середина жгута остается свободной. Излучение торца волоконного жгута через светоделительный элемент поступает на вход телескопической системы формирования выходного лазерного пучка. Одним из элементов оптической системы является трехкоординатный элемент сканирования, выполненный в виде подвижной линзы, что позволяет осуществлять точную фокусировку и сканирование лазерного пучка в двух поперечных направлениях. На выходе оптической системы 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. 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. Кроме того, очевидна сложность замены отдельных лазерных модулей при выходе их из строя или падении их мощности.
Задачей изобретения являются:
- расширение функциональных возможностей оптической системы формирования и наведения лазерного излучения, способствующих успешной реализации передачи электромагнитной энергии лазерного излучения на фотоэлектрический приемник-преобразователь;
- повышение надежности ЛСПЭ;
- облегчение сервисного обслуживания и ремонта ЛСПЭ при снижении мощности или выходе из строя отдельных лазерных модулей;
- снижение себестоимости ЛСПЭ.
Техническим результатом изобретения является:
- создание компактной оптической системы, эффективно собирающей единичные лазерные пучки различных источников с оптоволоконным выводом и формирующей малорасходящийся суммарный пучок лучей;
- повышение направленности формируемого лазерного пучка лучей за счет повышения точности юстировки;
- расширение функциональных возможностей оптической системы и ее унификация, что позволяет использовать оптическую систему как в научных исследованиях, так и в демонстрационных экспериментах по беспроводной передаче электромагнитной энергии по лазерному каналу.
i
i
a
a
a
*
Технический результат достигается тем, что оптическая система формирования и наведения лазерного излучения, включающая 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, при этом на выходе оптической системы суммарный лазерный пучок лучей падает на зеркало, конструктивно связанное с устройством "грубого" наведения, и отражается в виде малорасходящегося пучка лучей, при этом в нее 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, при этом ее главная оптическая ось перпендикулярна плоскости торца сердцевины соответствующего оптоволоконного вывода и проходит через его центр, размещенный в переднем фокусе f упомянутой асферической линзы, 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, причем главные оптические оси асферических линз параллельны и лежат в одной плоскости, а упомянутые дихроичные пластины, плоскости которых одинаковой конфигурации и выполнены с характерным размером
c
c
c
*
*
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, причем главная оптическая ось подвижной линзы проходит через фокус F зеркала, выполненного параболическим, и 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 с учетом выполнения следующих условий:
л
min
где d - минимальный диаметр асферических линз и подвижной линзы;
j
max
NA - максимальное значение числовой апертуры оптоволоконного вывода лазерного модуля с порядковым номером i=j;
j
max
j - порядковый номер лазерного модуля с оптоволоконным выводом с максимальным значением числовой апертуры NA;
A
min
D - минимальная апертура параболического зеркала;
k
d - диаметр сердцевины оптоволоконного вывода лазерного модуля с порядковым номером i=k;
k
NA - значение числовой апертуры оптоволоконного вывода лазерного модуля с порядковым номером i=k;
k
k
k - порядковый номер лазерного модуля с оптоволоконным выводом, для которого произведение d⋅NA принимает максимальное значение;
L - расстояние от параболического зеркала до плоскости изображения;
L
D - диаметр пятна в плоскости изображения.
Суть изобретения поясняется рисунками на фиг. 1-2.
c
0
L
*
На фиг. 1 приведена принципиальная оптическая схема формирования и наведения лазерного излучения на приемную плоскость приемника-преобразователя (на фиг. 1-2 не показан). На фиг. 1 обозначено: L - расстояние от геометрического центра параболического зеркала до плоскости изображения; F - фокус параболического зеркала; f - задний фокус подвижной линзы; x, y, z - координаты оптического центра подвижной линзы, установленной на микропозиционере трехкоординатного блока сканирования; 0 - начало координат; z - нуль микропозиционера по оси z, параллельной отрезку соединяющему геометрический центр параболического зеркала и фокус F; D - диаметр пятна в плоскости изображения; А - выносной элемент (приведен на фиг. 2).
i
a
i
На фиг. 2, в виде выносного элемента А, показан оптоволоконный вывод, торец сердцевины которого является источником, откуда выходит дивергентный луч лазера. На фиг. 2 обозначено: d - диаметр сердцевины i-го оптоволоконного вывода; f - переднее фокусное расстояние асферической линзы; α - максимальный угол, под которым луч лазера выходит из торца сердцевины i-го оптоволоконного вывода.
На фиг. 1-2 приведено:
1 - передающий лазерный комплекс;
2 - лазерный модуль;
3 - оптоволоконный вывод (световод);
4 - сердцевина оптоволоконного вывода 3;
5 - торец сердцевины оптоволоконного вывода 3;
6 - единичный лазерный пучок;
7 - светоделительный элемент (дихроичная пластина);
8 - подвижная линза (трехкоординатный элемент сканирования);
9 - суммарный лазерный пучок;
10 - параболическое зеркало;
11 - малорасходящийся пучок лучей;
12 - коллиматор;
13 - сумматор;
14 - асферическая линза коллиматора 12;
15 - главная оптическая ось асферической линзы 14;
16 - главная оптическая ось подвижной линзы 8;
17 - микропозиционер трехкоординатного блока сканирования 18;
18 - трехкоординатный блок сканирования;
19 - геометрический центр параболического зеркала 10;
20 - оптическая ось параболического зеркала 10;
21 - оптическая ось полной параболы 22;
22 - полная парабола;
23 - плоскость изображения.
i
i
a
a
a
c
c
c
*
*
*
Оптическая система формирования и наведения (СФИН) лазерного излучения включает передающий лазерный комплекс 1 из n-лазерных модулей 2, каждый из которых содержит оптоволоконный вывод 3 с сердцевиной 4, торец сердцевины 5 которого является источником излучения, создающего единичный лазерный пучок 6, светоделительный элемент 7, трехкоординатный элемент сканирования 8, выполненный в виде подвижной линзы 8, при этом на выходе оптической системы суммарный лазерный пучок 9 лучей падает на параболическое зеркало 10, конструктивно связанное с устройством "грубого" наведения (на фиг. 1 и 2 не показано), и отражается в виде малорасходящегося пучка лучей 11, при этом в нее введены n коллиматоров 12 и сумматор 13 единичных лазерных пучков 6, причем каждый i-й лазерный модуль 2, где i=1, 2, … n, снабжен оптоволоконным выводом 3 с числовой апертурой NA и диаметром d сердцевины 4, с торца сердцевины 5 которого дивергентный луч лазера поступает в упомянутый i-ый коллиматор 12 на содержащуюся в нем асферическую линзу 14 с передним и задним фокусными расстояниями f и f соответственно, при этом ее главная оптическая ось 15 перпендикулярна плоскости торца сердцевины 5 соответствующего оптоволоконного вывода 3 и проходит через его центр, размещенный в переднем фокусе f упомянутой асферической линзы 14, сумматор 13 единичных лазерных пучков 6 состоит из n светоделительных элементов 7, выполненных в виде дихроичных пластин 7, через геометрический центр каждой из которых проходит под углом 45° главная оптическая ось 15 соответствующей асферической линзы 14 коллиматора 12, причем главные оптические оси 15 асферических линз 14 параллельны и лежат в одной плоскости, а упомянутые дихроичные пластины 7, плоскости которых одинаковой конфигурации и выполнены с характерным размером , установлены параллельно между собой так, что через их геометрические центры под углом 45° проходит главная оптическая ось 16 подвижной линзы 8 перпендикулярная главным оптическим осям 15 асферических линз 14, при этом подвижная линза 8 установлена на микропозиционере 17 трехкоординатного блока сканирования 18 и выполнена асферической с передним и задним фокусными расстояниями f и f соответственно, причем главная оптическая ось 16 подвижной линзы 8 проходит через фокус F зеркала 10, выполненного параболическим, и через его геометрический центр 19, через который проходит оптическая ось 20 параболического зеркала 10, параллельная или совпадающая с оптической осью 21 его полной параболы 22, при этом упомянутый фокус F совпадает с задним фокусом f подвижной линзы 8 с учетом выполнения следующих условий:
c
a
c
a
Л
a
j
A
k
k
L
*
*
min
max
min
f=f; f=f; d≥2⋅f⋅tg[arcsin(NA)]; D≈max{2⋅(d-NA)⋅L/D},
л
min
где d - минимальный диаметр асферических линз 14 и подвижной линзы 8;
j
max
NA - максимальное значение числовой апертуры оптоволоконного вывода 3 лазерного модуля 2 с порядковым номером i=j;
j
max
j - порядковый номер лазерного модуля 2 с оптоволоконным выводом 3 с максимальным значением числовой апертуры NA;
A
min
D - минимальная апертура параболического зеркала 10;
k
d - диаметр сердцевины 4 оптоволоконного вывода 3 лазерного модуля 2 с порядковым номером i=k;
k
NA - значение числовой апертуры оптоволоконного вывода 3 лазерного модуля 2 с порядковым номером i=k;
k
k
k - порядковый номер лазерного модуля 2 с оптоволоконным выводом 3, для которого произведение d⋅NA принимает максимальное значение;
L - расстояние от параболического зеркала 10 до плоскости изображения 23;
L
D - диаметр пятна в плоскости изображения 23.
Оптическая система формирования и наведения (СФИН) лазерного излучения работает следующим образом.
i
i
i
i
a
a
a
i
c
c
Л
a
j
j
c
a
c
a
c
L
A
k
k
L
k
k
*
*
min
max
max
*
*
*
min
По сигналу от системы питания и управления (СПУ) (на фиг. 1-2 не показана) поступает управляющая команда на подачу электропитания передающему лазерному комплексу 1, обеспечивая электропитанием каждый лазерный модуль 2. Передающий лазерный комплекс 1, состоящий из n лазерных модулей 2, каждый из которых может непрерывно генерировать когерентные электромагнитные волны передаваемые по своему оптоволоконному выводу 3, торец сердцевины 5 которого является источником излучения, откуда выходит единичный лазерный пучок 6. Причем, в зависимости от поставленной перед оптической системой задачи, лазерные модули 2 по сигналу от системы питания и управления могут работать одновременно или попеременно. С началом работы лазерных модулей 2 в блок контроля параметров излучения (на фиг. 1-2 не показан) поступает информация о состоянии элементов оптической системы, в частности по температурным параметрам, и выдачи информационных сигналов о готовности, отказе или нештатном режиме работы оптической системы формирования и наведения лазерного излучения. Лазерные модули 2 выполнены в виде генераторов излучения, которые могут отличаться друг от друга своей длиной волны λ, где i=1, 2, …, n. Причем, хотя бы один из n-лазерных модулей 2 может быть выполнен в виде генератора волн из диапазона видимого света. Видимый луч лазера облегчает процесс наведения малорасходящегося пучка лучей 11 и управления фокусировкой изображения в виде пятна на плоскости изображения 23. Причем каждый i-й лазерный модуль 2 снабжен оптоволоконным выводом 3 с числовой апертурой NA и диаметром d сердцевины 4. С торца сердцевины 5 оптоволоконного вывода 3 как из единичного источника излучения исходит дивергентный луч лазера. Для каждого i-го лазерного модуля 2 единичный лазерный пучок 6 с длиной волны λ поступает в свой коллиматор 12 падая на поверхность асферической линзы 14, входящей в состав коллиматора 12 и выполненной с передним и задним фокусными расстояниями f и f соответственно. При этом асферическая линза 14 в составе коллиматора 12 установлена так, что ее главная оптическая ось 15 перпендикулярна плоскости торца сердцевины 5 соответствующего оптоволоконного вывода 3 и проходит через его центр, размещенный в переднем фокусе f упомянутой асферической линзы 14. Асферическая поверхность 2-го порядка с симметрией относительно главной оптической оси 15 асферической линзы 14 изменяет ход краевых лучей расходящегося единичного лазерного пучка 6, 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 14 происходит преобразование единичного лазерного пучка 6 со сферическим фронтом волны в плоскую волну [https://ru.wikipedia.org/wiki/Acфepичecкaя_линзa]. Из каждого коллиматора 12 единичные лазерные пучки 6 после преобразования поступают в сумматор 13 с установленными в нем светоделительными элементами 7, выполненными в виде дихроичных пластин 7. Причем единичный лазерный пучок 6 после преобразования из каждого коллиматора 12 падает на свою дихроичную пластину 7 сумматора 13. При этом дихроичные пластины 7 устанавливают в сумматоре 13 так, что через геометрический центр каждой из них проходит под углом 45° главная оптическая ось 15 соответствующей асферической линзы 14 коллиматора 12. Причем главные оптические оси 15 асферических линз 14 параллельны и лежат в одной плоскости. Плоскости дихроичных пластин 7 выполнены одинаковой конфигурации, в соответствии с условием (1), с характерным размером. Дихроичные пластины 7 устанавливают параллельно между собой так, чтобы через их геометрические центры под углом 45° проходила главная оптическая ось 16 подвижной линзы 8 перпендикулярная главным оптическим осям 15 асферических линз 14. Падающее из коллиматора 12 излучение с длиной волны λ отражается от соответствующей дихроичной пластины 7 в сторону подвижной линзы 8 в виде пучка лучей параллельных ее главной оптической оси 16. Коллимированные асферическими линзами 14 пучки лазерного излучения в сумматоре 13 складываются в единый пучок дихроичными пластинами 7. Сформированный таким образом, в сумматоре 13 единый лазерный пучок падает на подвижную линзу 8, выполненную асферической, с передним и задним фокусными расстояниями f и f, соответственно. При этом асферические линзы 14 и подвижная линза 8 выполнены одинаковыми с минимальным диаметром отвечающим соотношению (3) d≥2⋅f⋅tg[arcsin(NA)], где j - порядковый номер лазерного модуля 2 с оптоволоконным выводом 3 с максимальным значением числовой апертуры NA, и установлены с соблюдением условия (2): f=f; f=f. В результате источником излучения суммарного лазерного пучка 9, падающего на параболическое зеркало 10, в этой оптической системе будет являться фокальное пятно фокусирующей асферической подвижной линзы 8, стоящей на выходе сумматора 13 и закрепленной на микропозиционере 17 трехкоординатного блока сканирования 18. Причем подвижная линза 8 установлена в оптической системе так, что ее главная оптическая ось 16 проходит через фокус F параболического зеркала 10 и через его геометрический центр 19. При этом упомянутый фокус F совпадает с задним фокусом f подвижной линзы 8. При этом через геометрический центр 19 параболического зеркала 10 проходит оптическая ось 20, параллельная или совпадающая с оптической осью 21 его полной параболы 22. Расходящийся суммарный лазерный пучок 9 отражается от параболического зеркала 10 в виде малорасходящегося пучка лучей 11 падающих на плоскость изображения в виде пятна. Причем, при известном качестве излучения лазерных модулей 2 с оптоволоконным выводом 3 и известных ограничениях на диаметр пятна D излучения в плоскости изображения 23 на приемнике, удаленном на расстоянии L, оценка требуемого минимального диаметра апертуры параболического зеркала 10 должна отвечать соотношению (4) D≈max{2⋅(d⋅NA)⋅L/D}, где k - порядковый номер лазерного модуля 2 с оптоволоконным выводом 3, для которого произведение d⋅NA принимает максимальное значение. Обнаружение приемника-преобразователя (на фиг. 1-2 не показан) и наведение на него лазерного малорасходящегося пучка лучей 11 осуществляют механическим устройством "грубого" наведения (на фиг. 1-2 не показан) и точного наведения СФИН. Механическое устройство "грубого" наведения может быть выполнено, например, в виде опорно-поворотной платформы, на которой установлена СФИН с параболическим зеркалом 10. Причем наводят лазерный малорасходящийся пучок лучей 11 так, чтобы оптическая ось 20 параболического зеркала 10 была направлена нормально в геометрический центр, например, фотоэлектрических панелей (на фиг. 1-2 не показаны) приемника-преобразователя. Для облегчения обнаружения приемника-преобразователя по командам и сигналам системы питания и управления при наведении могут быть использованы, например, уголковые отражатели (на фиг. 1-2 не показаны), установленные на приемнике-преобразователе. Для засветки уголковых отражателей и поиска отблеска от них может быть использован один из n-лазерных модулей 2, генерирующий излучение с длиной волны из диапазона видимого света. После "грубого" наведения выполняют точное наведение лазерного малорасходящегося пучка лучей 11, совмещая плоскость изображения 23 с плоскостью фотоэлектрических панелей приемника-преобразователя внутренним поворотом излучения в рассматриваемой оптической системе формирования и наведения лазерного излучения. Фокусировку и сканирование в плоскости изображения 23, отстоящей на расстоянии L от геометрического центра 19 параболического зеркала 10, выполняют по командам СПУ поступающим в трехкоординатный блок сканирования 18, включающий подвижную линзу 8, установленную на микропозиционере 17, осуществляющем перемещение подвижной линзы 8 по трем координатам x, y и z, как показано на фиг. 1. Подвижная линза 8 трехкоординатного блока сканирования 18 позволяет осуществлять точную фокусировку и сканирование малорасходящегося пучка лучей 11 в двух поперечных направлениях.
Приведем расчетный пример проектирования оптической системы формирования и наведения лазерного излучения.
Для рассматриваемого примера оптической системы выбираем вариант, основанный на внеосевой схеме Ломоносова-Гершеля [Г.С. Ландсберг. Оптика. Издание пятое. Из-во «Наука», Москва 1976, с. 334], с одним параболическим зеркалом, поскольку 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 луча. 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 передающий лазерный комплекс, состоящий из n=3 лазерных модулей с различными типами лазерного источника излучения, а именно:
1
1
1
1
- оптоволоконный лазер, генерирующий излучение с длиной волны λ=1064 нм мощностью 5 Вт с внутренним диаметром оптоволокна d=6 мкм и числовой апертурой NA=0,12; является каналом для передачи мощности на большие расстояния; для генерации лазерного излучения с λ=1064 нм используем, например, лазер волоконный одномодовый непрерывный FL-Yb-5, лазерную систему «Иттербий-1064» [http://www.liroptics.ru/fiber-lasers?lang=ru], выход излучения выполняем через разъем оптоволокна FC/PC;
2
2
2
2
- твердотельный лазер, генерирующий электромагнитное излучение с длиной волны из диапазона видимого света λ=532 нм мощностью 0,3 Вт и с волоконным выводом с внутренним диаметром оптоволокна d=100 мкм и числовой апертурой NA=0,22; является каналом для целеуказания. Для генерации лазерного излучения с λ=532 нм из диапазона электромагнитных волн, воспринимаемых человеческим глазом, используем, например, зеленый твердотельный лазер LS-1-N-532/300 [http://lascompany.ru/index.php?option=com_content&view=article&id=14], при этом выход излучения выполняем через разъем оптоволокна SMA905;
3
3
3
3
- полупроводниковый диодный лазер, генерирующий инфракрасное излучение с длиной волны λ=808 нм мощностью 120 Вт и с волоконным выводом с внутренним диаметром оптоволокна d=200 мкм и числовой апертурой NA=0,22; является основным каналом передачи мощности; лазерный модуль с длиной волны λ=808 нм выполняем, например, на основе лазерной системы LIMO120-F200-DL808 [http://www.atcsd.ru/catalog/dl/], выход излучения выполняем через разъем оптоволокна SMA905.
1
2
3
Коллиматоры с асферическими линзами в оптической системе формирования и наведения лазерного излучения размещаем по направлению к линзе сканирования по длинам волн генерируемых лазерными модулями в следующей последовательности: λ=1064 нм, λ=532 нм, λ=808 нм.
j
a
л
max
Выбираем для всех коллиматоров асферические линзы одинаковыми, диаметр которых должен удовлетворять условию (3). Из используемых в примере типов лазеров с оптоволоконным выводом максимальное значение апертуры NA=0,22 имеют лазерные модули с порядковыми номерами 2 и 3. В качестве асферической линзы выбираем плоско-выпуклую асферическую линзу a25-40fpx 800 фирмы "Asphericon" Германия [http://www.aspheric-beamexpander.com/wp-content/uploads/2015_03/2015-SPA-Europe-web.pdf] с передним фокусным расстоянием f=40 мм и диаметром d=25 мм, что удовлетворяет условию (3)
л
a
j
min
max
d≥2⋅f⋅tg[arcsin(NA)]=2⋅40⋅tg[arcsin(0,22)]=18 мм.
Причем в коллиматорах устанавливаем асферические линзы так, чтобы их главные оптические оси были параллельны и лежали в одной плоскости.
2
3
В сумматоре пластины светоделительных элементов выполняем с характерным размером ДД в соответствии с условием (1). С целью унификации рассматриваемой оптической системы пластины светоделительных элементов выполняем одного размера. С учетом вышесказанного выбираем лазерный модуль с оптоволоконным выводом с максимальным значением числовой апертуры NA или NA=0,22, откуда в соответствии с условием (1) определяем требование для характерного размера светоделительных элементов . Выбираем пластины светоделительных элементов размером 31×40 мм и толщиной 11 мм, что удовлетворяет условию (1). Пластины светоделительных элементов могут быть выполнены, например, из оптического стекла К8 [Физические величины. Справочник под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. С. 770] с покрытием тонкой диэлектрической пленкой.
Л
Подвижная линза выполнена асферической, также как и асферические линзы коллиматоров из того же материала с диаметром d=25 мм, и размещена в оптической системе, с соблюдением условий (2) и (3) в трехкоординатном блоке сканирования, на микропозиционере, представляющем прецизионный шаговый пьезопозиционер модульной конструкции ПШ14.14.14(0)0,1-19 (разработка ООО "КОМНЕТ", г. Воронеж), предназначенный для перемещения объектов массой до 100 г в пределах объема 14 мм × 14 мм × 14 мм с точностью до 1 мкм.
Причем пластины светоделительных элементов устанавливают так, чтобы через геометрический центр каждой из них проходила под углом 45° главная оптическая ось соответствующей асферической линзы коллиматора. Кроме того пластины светоделительных элементов устанавливают параллельно между собой так, что бы через их геометрические центры под углом 45° проходила главная оптическая ось подвижной линзы перпендикулярно главным оптическим осям асферических линз. При этом подвижную линзу устанавливают так, что бы ее главная оптическая ось проходила через геометрический центр параболического зеркала и через его фокус. Причем подвижную линзу и параболическое зеркало устанавливают так, чтобы упомянутый фокус параболического зеркала совпадал с задним фокусом подвижной линзы.
6
L
k
k
3
3
3
Положим, что рассматриваемая оптическая система должна формировать на удаленном приемнике-преобразователе излучения, расположенном на расстоянии L=1000 м=10 мм от параболического зеркала, пятно лазерного излучения диаметром D=300 мм. Лазерный модуль с оптоволоконным выводом, для которого произведение d⋅NAпринимает максимальное значение, как видно из рассматриваемого примера, отмечается у полупроводникового диодного лазера, генерирующего инфракрасное излучение с длиной волны λ=808 нм мощностью 120 Вт, под порядковым номером i=k=3, т.е. d=200 мкм = 0,2 мм, NA=0,22.
A
A
k
k
L
3
3
L
min
min
6
С учетом вышесказанного, из соотношения (4) оценим минимально допустимую апертуру параболического зеркала D. D≈max{2⋅(d⋅NA)⋅L/D}=2⋅(d⋅NA)⋅L/D=2⋅(0,2⋅0,22)⋅10/300=293 мм.
A
Выполняем параболическое зеркало из оптического стекла, например, марки ЛК-7 [Физические величины. Справочник под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. С. 770] с отражающей пленкой серебра нанесенную на полированную поверхность с выпуклой стороны зеркала. Выполняем параболическое зеркало с фокусным расстоянием f=270 мм и диаметром апертуры D=300 мм, что как показано выше соответствует требуемому условию по соотношению (4). Таким образом, в рассмотренном примере отдельные пучки лазерного излучения коллимируется асферическими короткофокусными линзами и затем складываются сумматором в единый пучок тремя дихроичными пластинами, а далее источником излучения на параболическое зеркало в этой оптической схеме будет являться фокальное пятно фокусирующей асферической подвижной линзы, стоящей на выходе сумматора и закрепленной на микропозиционере.
л
1
1
min
Соотношения (1) и (3), определяющие характерные размеры пластин (ДД) светоделительных элементов и минимальный диаметр (d), используемых в оптической системе асферических линз, очевидно вытекают из определения числовой апертуры оптоволокна, унификации, принятых соотношений (2) и принятой оптической схемы. При этом принимаем, что числовая апертура оптоволокна определяется соотношением NA=n⋅sinα, где n=1 - показатель преломления воздуха, α - максимальный угол между оптической осью оптоволокна и лучом, под которым он выходит из торца оптоволокна перпендикулярного к его оптической оси [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 торец сердцевины оптоволоконного вывода.
A
min
При выводе соотношения (4), как отмечалось выше, рассматривалось, как источник излучения на параболическое зеркало, фокальное пятно фокусирующей асферической подвижной линзы, стоящей на выходе сумматора и закрепленной на микропозиционере трехкоординатного блока сканирования. Соотношение (4) для минимальной апертуры параболического зеркала (D) получено с использованием формулы тонкой линзы (зеркала).
0
ф
0
где L - расстояние от параболического зеркала до плоскости изображения; f - фокусное расстояние параболического зеркала; Δz=z-z, расстояние фокуса параболического зеркала от упомянутого выше фокального пятна с эквивалентным диаметром d; z - нуль микропозиционера по оси z; z - значение положения фокального пятна как источника излучения в системе координат микропозиционера.
Откуда определим размер изображения
Используя инвариант Лагранжа-Гельмгольца [Г.С. Ландсберг. Оптика. Издание пятое. Из-во «Наука», Москва 1976, с. 286], из соотношения
A
и соотношения (6) определим требуемую апертуру параболического зеркала D для i-го лазерного модуля
Используя соотношение (8), полученное для лазерного излучения от одного (i-го) лазерного источника, нетрудно получить соотношение (4) для нескольких лазерных источников.
Необходимо также отметить, что в предложенной оптической системе формирования и наведения лазерного излучения использование нескольких лазерных источников, объединяемых затем в один канал, имеет определенные преимущества с точки зрения практической эксплуатации и функциональных возможностей.
Во-первых, повышается устойчивость системы к отказам, так как при выходе из строя одного или даже нескольких лазерных источников система может продолжать выполнять задачу. Кроме того, известно, что вероятность отказа более мощного лазера обычно существенно выше, чем вероятность отказа эквивалентного числа менее мощных. При этом стоимость и трудоемкость ремонта снижается.
Во-вторых, рассмотренная модульная архитектура системы увеличивает функциональные возможности аппаратуры лазерной системы передачи энергии (ЛСПЭ) без переделки:
- может быть достигнута максимальная выходная мощность ЛСПЭ при использовании спектрального, поляризационного и других способов сложения лазерных пучков;
- в зависимости от задачи легко может быть добавлено или убавлено необходимое число лазерных источников с целью увеличения или уменьшения выходной мощности;
- за счет использования лазеров с разной длиной волны излучения может осуществляться передача лазерной энергии с оптимальным или заданным спектральным составом, например, в зависимости от типа приемника, погодных условий и т.п.;
- могут быть использованы лазеры различного типа, например, волоконные для передачи энергии на большие расстояния или диодные для близких дистанций;
- за счет пространственного сложения пучков отдельных лазерных источников различными способами может быть создано требуемое распределение плотности мощности по сечению выходного пучка в зависимости от используемого приемника излучения.