ФОКУСИРУЮЩАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА С ТОРОИДАЛЬНЫМИ ЗЕРКАЛАМИ
OPTICAL FOCUSING SYSTEM WITH TOROIDAL MIRRORS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области термоядерной энергетики и может быть использовано при создании оптических систем термоядерных энергетических установок, использующих инерциальное удержание плазмы.
Уровень техники
Цель изобретения: увеличение равномерности облучения термоядерной мишени путем формирования широкоугольного гомоцентрического пучка лазерного излучения, имеющего сплошную апертуру при максимальной компактности и дешевизне оптической системы.
Известна конструкция фокусирующей оптической системы (европейский патент № ЕР 1642301, от 05.04.2006, G21B 1/23), использующей пучок лазерного излучения, который проходит через собирающую линзу и фокусируется на термоядерной мишени. При этом формируется гомоцентрический пучок, имеющий сплошную апертуру. Однако угол конуса этого пучка является узким, причем формирование широкоугольного гомоцентрического пучка привело бы к непропорциональному увеличению и усложнению оптической системы. В результате равномерность облучения термоядерной мишени не обеспечивается.
Известна конструкция фокусирующей оптической системы (европейский патент № ЕР 0772203, от 07.05.1997, G21B 1/03), в которой используются два пучка лазерного излучения, каждый из которых преломляется при прохождении линзы, образуя кольцевую апертуру, и, отражаясь от тороидального кольцевого зеркала с эллиптической образующей, фокусируется на термоядерной мишени. При этом формируется широкоугольный гомоцентрический пучок, однако он имеет кольцевую апертуру, что не обеспечивает равномерность облучения термоядерной мишени.
Известна конструкция фокусирующей оптической системы (патент Франции №2789217, от 04.08.2000, G21B 1/03), использующей пучок лазерного излучения, который преломляется при прохождении линзы, образуя кольцевую апертуру, и, отражаясь от тороидального кольцевого зеркала с параболической образующей, фокусируется на термоядерной мишени. При этом формируется широкоугольный гомоцентрический пучок, однако он имеет кольцевую апертуру, что не обеспечивает равномерность облучения термоядерной мишени.
Наиболее близкой к предлагаемой конструкции является фокусирующая оптическая система (патент США №4118274, от 03.10.1978, G21B 1/23), в которой используются два пучка лазерного излучения, каждый из которых отражается от конического зеркала и от тороидального кольцевого зеркала с параболической образующей, фокусируясь на термоядерной мишени. При этом формируется широкоугольный гомоцентрический пучок, однако он имеет кольцевую апертуру, что не обеспечивает равномерность облучения термоядерной мишени.
Раскрытие изобретения
Цель изобретения: Увеличение равномерности облучения термоядерной мишени путем формирования широкоугольного гомоцентрического пучка лазерного излучения, имеющего сплошную апертуру при максимальной компактности и дешевизне оптической системы.
Предлагаемая фокусирующая оптическая система отличается тем, что тороидальные зеркала формируют широкоугольный пучок лазерного излучения, имеющий сплошную круглую апертуру, причем отражающая поверхность кольцевого тороидального зеркала образована вращением дуги параболы вокруг оптической оси, а отражающая поверхность главного тороидального зеркала образована вращением дуги эллипса вокруг оптической оси. Возможен вариант, при котором предлагаемая фокусирующая оптическая система отличается тем, что тороидальные зеркала формируют широкоугольный пучок лазерного излучения, имеющий сплошную апертуру, характеризующуюся произвольным контуром.
На фиг.1 изображено сечение фокусирующей оптической системы и проходящего через нее пучка лазерного излучения.
На фиг.2 изображен разрез фокусирующей оптической системы, образующие зеркальных поверхностей и вспомогательные линии.
На фиг.3 изображено сечение фокусирующей оптической системы и проходящего через нее пучка лазерного излучения.
Фокусирующая оптическая система содержит корпус 1, имеющий входное отверстие 2 для ввода вдоль оптической оси 3 пучка лазерного излучения 4, который отражается от первого конического зеркала 5, проходит через цилиндрическое окно 6, предшествующее кольцевому коническому зеркалу 7 и, пройдя через кольцевое тороидальное зеркало 8 и главное тороидальное зеркало 9, выводится через выходное отверстие 10 и фокусируется в точке 11. Первое коническое зеркало 5 установлено с помощью поддержек 12 на диске 13, к которому прикреплено главное тороидальное зеркало 9 и цилиндрическое окно 6 с прикрепленным к нему кольцом 14.
Поддержки 12 используются для установки конического зеркала 5, кольцевого конического зеркала 7, кольцевого тороидального зеркала 8 и кольца 14.
Отражающая поверхность кольцевого тороидального зеркала 8 образована вращением дуги параболы вокруг оптической оси 3, а отражающая поверхность главного тороидального зеркала 9 образована вращением дуги эллипса вокруг оптической оси 3, причем ось параболы совпадает с большой осью эллипса и пересекает оптическую ось 3 под углом φ в точке 11, являющейся вторым фокусом эллипса, а первый фокус эллипса совпадает с фокусом параболы. Парабола, эллипс и оптическая ось 3 лежат в одной плоскости.
Краткое описание чертежей
На фигуре 1 изображено сечение фокусирующей оптической системы и проходящего через нее пучка лазерного излучения, сечение которого заштриховано точками. Плоскость сечения проходит через оптическую ось.
На фигуре 2 изображен разрез фокусирующей оптической системы, образующие зеркальных поверхностей и вспомогательные линии. Парабола, эллипс и оптическая ось лежат в плоскости сечения.
На фигуре 3 изображено сечение фокусирующей оптической системы и проходящего через нее пучка лазерного излучения, сечение которого заштриховано точками. Плоскость сечения проходит через оптическую ось.
Осуществление изобретения
В рассмотренных конструкциях аналогичных фокусирующих оптических систем формирование широкоугольного гомоцентрического пучка лазерного излучения ведет либо к неприемлемому увеличению рефракционных оптических элементов, либо к формированию кольцевой апертуры, но с сохранением компактности и дешевизны оптических элементов.
При использовании линзовой системы формирование широкоугольного гомоцентрического пучка лазерного излучения приводит к увеличению диаметра главной собирающей линзы, заготовку которой необходимо изготавливать с высокими требованиями к однородности и обрабатывать с учетом возможных аберраций, в результате чего увеличивается стоимость этой линзы. К тому же увеличиваются линейные размеры корпуса оптической системы по причине использования дополнительных линз, расширяющих пучок лазерного излучения перед главной линзой. Под влиянием вышеупомянутых ограничений становится неприемлемым формирование широкоугольного гомоцентрического пучка, поэтому в существующих реакционных камерах используются сразу несколько лазерных каналов, формирующих узкие пучки.
При использовании рассмотренных зеркальных систем сохраняются преимущества предлагаемой конструкции, однако недостаток заключается в формировании кольцевой апертуры, в центре которой в пределах определенного угла конуса излучение отсутствует. В результате при прямом или непрямом облучении термоядерной мишени такая неоднородность уменьшит полезный эффект от фокусировки широкоугольного гомоцентрического пучка по сравнению с вариантом, в котором этот же пучок имел бы сплошную апертуру. Такие характеристики сфокусированного пучка лазерного излучения, как угол конуса и форма апертуры, являются важными при решении задачи облучения термоядерной мишени, от равномерности которого зависит степень сжатия смеси термоядерного топлива и количество энергии, выделенное в результате термоядерной реакции.
При использовании предлагаемой фокусирующей оптической системы с тороидальными зеркалами появляется возможность на этапе проектирования, меняя угол φ, параметры эллипса и параболы, задавать угол конуса фокусирующегося пучка лазерного излучения в широких пределах при изменении габаритов оптической системы, отражающемся в основном в увеличении или уменьшении диаметра корпуса и системы зеркал. На фигуре 1 изображен вариант исполнения фокусирующей оптической системы, при котором угол конуса гомоцентрического пучка лазерного излучения равен 13 градусам, а на фигуре 3 угол конуса гомоцентрического пучка равен 34 градусам, причем линейные размеры обоих вариантов корпуса близки друг к другу. При этом увеличение зеркал не вызовет больших затруднений благодаря существующей технологии создания облегченных крупногабаритных заготовок зеркал. Использование зеркал в конструкции оптической системы позволит избавиться от аберраций и повысить плотность мощности лазерного излучения в точке фокуса, тем самым обеспечив более приемлемое облучение для некоторых видов термоядерных мишеней. Использование цилиндрического окна в конструкции необходимо по причине того, что лазерное излучение создает завесу вокруг первого конического и главного тороидального зеркал, имея сплошную апертуру перед введением в корпус оптической системы и после выведения из него. При необходимости создания крупных зеркал их можно изготавливать либо из отдельных элементов, закрепляя на жестком каркасе перед обработкой, либо отдельно изготавливать и обрабатывать эти элементы для последующей установки и юстировки на жестком каркасе.