Оптическая система формирования и наведения лазерного излучения
OPTICAL SYSTEM FOR GENERATION AND GUIDANCE 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. 198-199].
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. 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 малорасходящийся пучок и точного наведения его на протяженных трассах.
Известны лазерно-оптические системы для формирования мощных лазерных пучков на протяженных трассах с заданными характеристиками.
Так в изобретении, предложенном в [Патент RU 2117322, опубл. 10.08.1998, МПК: G02B 27/48 (2006.01)] приведено устройство для формирования световых пучков. Устройство содержит источник когерентного оптического излучения и вогнутое главное зеркало, устройство обращения волнового фронта со светоделителем на входе и две вспомогательные оптические системы, обеспечивающие самопроецирование главного зеркала самого на себя. Главное зеркало и элементы обеих вспомогательных систем расположены соосно. Светоделитель выполнен в виде полупрозрачного зеркала, нанесенного на поверхность линзового элемента одной из вспомогательных систем. Первая вспомогательная система может быть выполнена в виде вогнутого зеркала, линзового компонента и мениска, обращенного выпуклой поверхностью к главному зеркалу. Следует отметить, что вспомогательные оптические системы должны иметь высокое оптическое качество. При использовании предложенной оптической системы в качестве коллиматора существенным недостатком является то, что вспомогательные системы содержат большое количество оптических поверхностей, погрешности которых сказываются на точности формируемого волнового фронта.
Также известна оптическая система формирования и наведения лазерного излучения (СФИНЛИ) в публикации [В.И. Кишко, В.Ф. Матюхин. Принципы построения адаптивных ретрансляторов для стратосферных систем передачи энергии // Автометрия. 2012, т. 48, №2, с. 59-66], 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.
i
i
a
a
a
c
c
c
*
*
*
Наиболее близкой к изобретению по технической сущности является оптическая система формирования и наведения лазерного излучения, предложенная в [Патент RU 2663121, опубликован 07.08.2018, бюл. №22, МПК: G01S 17/88 (2006.01), F41G 3/22 (2006.01)], 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 f соответственно. Причем главная оптическая ось асферической линзы перпендикулярна плоскости торца сердцевины соответствующего оптоволоконного вывода и проходит через его центр, размещенный в переднем фокусе f. Сумматор единичных лазерных пучков состоит из n светоделительных элементов, выполненных в виде дихроичных пластин, через геометрический центр каждой из которых проходит под углом 45° главная оптическая ось соответствующей асферической линзы коллиматора. Главные оптические оси асферических линз параллельны и лежат в одной плоскости, а упомянутые дихроичные пластины установлены параллельно между собой так, что через их геометрические центры под углом 45° проходит главная оптическая ось подвижной линзы перпендикулярная главным оптическим осям асферических линз. При этом подвижная линза установлена на микропозиционере трехкоординатного блока сканирования и выполнена асферической, с передним и задним фокусными расстояниями f и f, соответственно. Главная оптическая ось подвижной линзы проходит через фокус F зеркала через его геометрический центр, через который проходит оптическая ось параболического зеркала, параллельная или совпадающая с оптической осью его полной параболы. При этом упомянутый фокус F совпадает с задним фокусом f подвижной линзы.
Одним из основных недостатков данной оптической системы формирования и наведения лазерного излучения, ограничивающим ее потенциал, является конструктивное исполнение СФИНЛИ 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.
Задачей изобретения является:
- повышение надежности оптической СФИНЛИ;
- облегчение сервисного обслуживания и ремонта оптической СФИНЛИ;
- снижение себестоимости оптической СФИНЛИ. Техническим результатом изобретения является:
- создание компактной оптической СФИНЛИ, эффективно формирующей малорасходящийся 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.
Л
Л
Технический результат достигается тем, что оптическая система формирования и наведения лазерного излучения, включающая устройство сканирования, передающий лазерный модуль с оптоволоконным выводом с числовой апертурой NA и диаметром d сердцевины, с торца которого дивергентный луч лазера поступает на коллимирующую асферическую линзу с фокусным расстоянием f и диаметром d,
a
при этом ее главная оптическая ось перпендикулярна плоскости торца сердцевины оптоволоконного вывода и проходит через его центр, размещенный в переднем фокусе f упомянутой асферической линзы, при этом на выходе оптической системы лазерный пучок лучей падает на вогнутое главное зеркало, выполненное параболическим с фокусом F, через геометрический центр которого проходит его оптическая ось, параллельная или совпадающая с оптической осью его полной параболы, конструктивно связанное с устройством "грубого" наведения, и отражается в виде малорасходящегося пучка лучей на плоскость изображения, при этом в нее введены блок фокусировки, включающий упомянутую коллимирующую асферическую линзу с механизмом перемещения вдоль ее главной оптической оси, выпуклое вторичное зеркало, выполненное параболическим, оптическая ось которого совпадает с главной оптической осью асферической линзы, причем оптическая ось вторичного зеркала параллельна или совпадает с оптической осью его полной параболы, отстоящей от главной оптической оси асферической линзы на расстоянии h, при этом вторичное зеркало выполнено с фокусом f, совпадающим с фокусом F, а оптическая ось его полной параболы совпадает с оптической осью полной параболы главного зеркала, причем вторичное зеркало, оптическая ось которого параллельна или совпадает с оптической осью главного зеркала, конструктивно связано с устройством сканирования и отражает идущий от асферической линзы лазерный пучок параллельных лучей в виде расходящегося пучка лучей на главное зеркало, отражающее в свою очередь на плоскость изображения малорасходящийся пучок лучей, причем характерный размер апертуры главного зеркала оценивают по соотношению:
А
B
где углы α и α рассчитывают по формулам
r - радиус лазерного пучка, рассчитанный по формуле
при этом
δ - коэффициент, принимающий значения
Суть изобретения поясняется фиг. 1-3.
А
B
На фиг. 1 приведена принципиальная схема оптической системы формирования и наведения лазерного излучения на плоскость изображения. На фиг. 1 обозначено: F - фокус главного зеркала; f - фокус вторичного зеркала; r - радиус пучка; h - расстояние между главной оптической осью асферической линзы и оптической осью полной параболы вторичного зеркала; α и α - углы в плоскости (YZ) между крайними лучами и оптической осью полной параболы вторичного зеркала; X, Y, Z - координаты положения элементов оптической системы; I - выносной элемент.
a
Л
На выносном элементе I, показан оптоволоконный вывод, торец сердцевины которого является источником, откуда выходит дивергентный луч лазера. На выносном элементе I обозначено: α - максимальный угол, под которым луч лазера выходит из торца сердцевины оптоволоконного вывода; d - диаметр сердцевины оптоволоконного вывода; f - передний фокус асферической линзы; f - переднее фокусное расстояние асферической линзы.
Фиг. 2 и 3 поясняют вывод соотношения (2).
A
B
a
Л
а
a
b
b
На фиг. 2 обозначено: f - фокус вторичного зеркала; r - радиус пучка; h - расстояние между главной оптической осью асферической линзы и оптической осью полной параболы вторичного зеркала; α, α - углы в плоскости рисунка между крайними лучами и оптической осью полной параболы вторичного зеркала; α - максимальный угол, под которым луч лазера выходит из торца сердцевины оптоволоконного вывода; f - передний фокус асферической линзы; f - переднее фокусное расстояние асферической линзы; у, z и у, z - координаты точек а и b; Y, Z - координаты положения элементов оптической системы.
A
В
A
A
B
B
На фиг. 3 обозначено: F - фокус главного зеркала; α, α - углы в плоскости рисунка между крайними лучами и оптической осью полной параболы вторичного зеркала; Y, Z и Y, Z - координаты точек А и В; Y, Z - координаты положения элементов оптической системы.
На фиг. 1-3 приведено:
1 - передающий лазерный модуль;
2 - оптоволоконный вывод;
3 - сердцевина оптоволоконного вывода 2;
4 - торец сердцевины 3 оптоволоконного вывода 2;
5 - дивергентный луч (лазерный пучок);
6 - асферическая линза;
7 - главная оптическая ось асферической линзы 6;
8 - главное зеркало;
9 - оптическая ось главного зеркала 8;
10 - оптическая ось полной параболы 11 главного зеркала 8;
11 - полная парабола главного зеркала 8;
12 - малорасходящийся пучок (лазерный пучок);
13 - плоскость изображения;
14 - блок фокусировки;
15 - механизм перемещения асферической линзы 6;
16 - вторичное зеркало;
17 - оптическая ось вторичного зеркала 16;
18 - оптическая ось полной параболы 19 вторичного зеркала 16;
19 - полная парабола вторичного зеркала 16;
20 - устройство сканирования;
21 - пучок параллельных лучей (лазерный пучок);
22, 23 - луч (лазерный пучок).
Л
Л
Л
Л
Л
a
A
Оптическая СФИНЛИ включает устройство сканирования 20, передающий лазерный модуль 1 с оптоволоконным выводом 2 с числовой апертурой NA и диаметром d сердцевины 3, с торца 4 которого дивергентный луч 5 лазера поступает на коллимирующую асферическую линзу 6 с фокусным расстоянием f и диаметром d, где d>>d∧d>2⋅f⋅tg[arcsin(NA)]. При этом ее главная оптическая ось 7 перпендикулярна плоскости торца 4 сердцевины 3 оптоволоконного вывода 2 и проходит через его центр, размещенный в переднем фокусе f асферической линзы 6. На выходе оптической системы лазерный пучок лучей падает на вогнутое главное зеркало 8, выполненное параболическим с фокусом F, через геометрический центр которого проходит его оптическая ось 9, параллельная или совпадающая с оптической осью 10 его полной параболы 11, конструктивно связанное с устройством "грубого" наведения (на рисунке не показано), и отражается в виде малорасходящегося пучка 12 лучей на плоскость изображения 13. При этом в нее введены блок фокусировки 14, включающий коллимирующую асферическую линзу 6 с механизмом перемещения 15 асферической линзы 6 вдоль ее главной оптической оси 7, выпуклое вторичное зеркало 16, выполненное параболическим, оптическая ось 17 которого совпадает с главной оптической осью 7 упомянутой асферической линзы 6, причем оптическая ось 17 вторичного зеркала 16 параллельна или совпадает с оптической осью 18 его полной параболы 19, отстоящей от главной оптической оси 7 асферической линзы 6 на расстоянии h. При этом вторичное зеркало 16 выполнено параболическим с фокусом f, совпадающим с фокусом F, а оптическая ось 18 его полной параболы 19 совпадает с оптической осью 10 полной параболы 11 главного зеркала 8. Причем вторичное зеркало 16, оптическая ось 17 которого параллельна или совпадает с оптической осью 9 главного зеркала 8, конструктивно связано с устройством сканирования 20 и отражает идущий от асферической линзы 6 лазерный пучок параллельных лучей 21 в виде расходящегося лазерного пучка 22, 23 на главное зеркало 8, отражающее в свою очередь на плоскость изображения 13 малорасходящийся пучок лучей 12. Причем характерный размер апертуры для главного зеркала 8 оценивают по соотношению (2), с учетом соотношений (3)-(5) и (7). При этом параметр h должен отвечать соотношению (6) [2⋅F⋅tg(α/2)-r]>h>r∨h=0.
Оптическая система формирования и наведения лазерного излучения работает следующим образом.
Л
Л
Л
Л
Л
a
A
А
По сигналу от системы питания и управления (СПУ) (на фиг. 1 не показана) поступает управляющая команда на подачу электропитания передающему лазерному модулю 1, выполненному в виде генератора излучения с определенной длиной волны λ. Лазерный модуль 1 генерирует когерентные электромагнитные волны, передаваемые по оптоволоконному выводу 2 с числовой апертурой NA и диаметром d сердцевины 3, через торец 4 которой, как из источника излучения, выходит дивергентный луч 5 лазера, который, в результате формирования, выходит из оптической системы в виде малорасходящегося лазерного пучка 12 для дистанционной передачи электромагнитной энергии на плоскость изображения 13. С началом работы передающего лазерного модуля 1 от системы диагностики состояния (на фиг. 1 не показан) оптической СФИНЛИ поступает информация в СПУ 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. Исходящий с торца 4 дивергентный луч 5 лазера с длиной волны λ падает на поверхность коллимирующей асферической линзы 6, которая выполнена с фокусным расстоянием f и диаметром d так, чтобы выполнялось условие (1) d>>d∧d>2⋅f⋅tg[arcsin(NA)]. При этом для фокусировки изображения предмета, которым является торец 4, в плоскости изображения 13 служит блок фокусировки 14, в состав которого входит асферическая линза 6 с механизмом перемещения 15 асферической линзы 6 вдоль ее главной оптической оси 7 (на фиг. 1 ось Z). СПУ обеспечивает работу механизма перемещения 15 и контролирует положение асферической линзы 6 с помощью встроенных в механизм перемещения 15 датчиков перемещения (на фиг. 1 не показаны). При этом асферическую линзу 6 устанавливают в блоке фокусировки 14 так, что бы ее главная оптическая ось 7 была перпендикулярна плоскости торца 4 сердцевины 3 оптоволоконного вывода 2 и проходила через его центр, размещенный в переднем фокусе f упомянутой асферической линзы 6. Асферическая поверхность 2-го порядка с симметрией относительно главной оптической оси 7 асферической линзы 6 изменяет ход краевых лучей расходящегося лазерного пучка 5, 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 6 происходит преобразование лазерного пучка 5 со сферическим фронтом волны в плоскую волну [https://ru.wikipedia.org/wiki/Асферическая_линза]. Коллимированный асферической линзой 6 лазерный пучок 5 после преобразования в виде пучка параллельных лучей 21 падает на выпуклое вторичное зеркало 16, которое выполнено параболическим с фокусом f, оптическая ось 17 которого параллельна или совпадает с оптической осью 18 его полной параболы 19. Причем оптическая ось 18 полной параболы 19, установлена отстоящей от главной оптической оси 7 асферической линзы 6 на расстоянии h, отвечающем соотношению (6) [2⋅F⋅tg(α/2)-r]>h>r∨h=0, где α и r отвечают соотношениям (3) и (5), соответственно. Лазерный пучок 21 лучей параллельных главной оптической оси 7 асферической линзы 6, отражаясь от вторичного зеркала 16, выходит как бы из мнимого главного фокуса f, совпадающего с фокусом F главного зеркала 8, в виде расходящегося лазерного пучка (фиг. 1-3). Крайние лучи 22, 23 расходящегося лазерного пучка падают на главное зеркало 8, выполненное параболическим с фокусом F, отражающее в свою очередь на плоскость изображения 13 малорасходящийся пучок 12 лучей параллельных оптической оси полной параболы 11. Вторичное зеркало 16 выполнено параболическим с фокусом f, совпадающим с фокусом F, а оптическая ось 18 его полной параболы 19 совпадает с оптической осью 10 полной параболы 11 главного зеркала 8. Причем вторичное зеркало 16, оптическая ось 17 которого параллельна или совпадает с оптической осью 9 главного зеркала 8, конструктивно связано с устройством сканирования 20 для точного наведения малорасходящегося пучка 12 на плоскость изображения 13. Причем, характерный размер апертуры (диаметр апертуры D) для главного зеркала 8 оценивают по соотношению (2), с учетом соотношений (3)-(5) и (7), а выбор расстояния h проверяют по соотношению (6). Главное параболическое зеркало 8, через геометрический центр которого проходит его оптическая ось 9 параллельная или совпадающая с оптической осью 10 его полной параболы 11, конструктивно связано с устройством "грубого" наведения (на фиг. 1 не показано). Обнаружение, приемника-преобразователя в плоскости изображения 13 и наведение на него лазерного малорасходящегося пучка 12 осуществляют механическими устройствами "грубого" наведения и точного наведения оптической СФИНЛИ. Механическое устройство "грубого" наведения может быть выполнено, например, в виде опорно-поворотной платформы, на которой установлена оптическая СФИНЛИ с главным зеркалом 8. Причем, наводят лазерный малорасходящийся пучок 12 так, чтобы оптическая ось 9 главного зеркала 8 была направлена нормально в геометрический центр, например, фотоэлектрических панелей (на фиг. 1 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 не показаны), установленные на приемнике-преобразователе. После "грубого" наведения выполняют точное наведение лазерного малорасходящегося пучка 12, совмещая плоскость изображения 13 с плоскостью фотоэлектрических панелей приемника-преобразователя внутренним перемещением излучения в рассматриваемой оптической системе формирования и наведения лазерного излучения. Точное наведение лазерного малорасходящегося пучка 12, т.е. фокусировку и сканирование в плоскости изображения 13 выполняют по командам СПУ поступающим соответственно в блок фокусировки 14 и устройство сканирования 20. С помощью механизма перемещения 15 осуществляется фокусировка изображения перемещением асферической линзы 6, установленной в блоке фокусировки 14, по ее главной оптической оси 7 (по координате Z). С помощью устройства сканирования 20, включающего подвижное вторичное зеркало 16, осуществляется перемещение подвижного вторичного зеркала 16 по двум координатам X и Y, как показано на фиг. 1. Таким образом, однокоординатное перемещение (Z) асферической линзы 6 блока фокусировки 14 и перемещение подвижного вторичного зеркала 16 в двух поперечных направлениях (X, Y) позволяют осуществлять соответственно точную фокусировку и сканирование малорасходящегося пучка лучей 12 в плоскости изображения 13.
Приведем расчетный пример проектирования оптической системы формирования и наведения лазерного излучения.
Нужно отметить, что в данном техническом решении рассматривается двухзеркальная оптическая система с несферическими поверхностями второго порядка (параболические зеркала). 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, СИ. Кирюшин, В.Н. Кузичев. Теория оптических систем. 3-е изд. М.: Машиностроение, 1992. с. 357]. Причем, как это видно из соотношений (3)-(7), предлагаемое техническое решение позволяет рассматривать как осевое размещение зеркал, так и внеосевое. При осевом размещении зеркал рассматривается оптическая схема, где главное зеркало большего диаметра (вогнутое параболическое), а вторичное зеркало выпуклое меньшего диаметра (в данном техническом решении - параболическое). [Глава четвертая. Сложные телескопы. http://www.old.astronomer.ru/data/library/books/sikoruk/glava4/4_1.htm], [Г.С. Ландсберг. Оптика. Издание пятое. Из-во «Наука», Москва 1976, с. 335]. При внеосевом размещении зеркал рассматривается оптическая схема брахита [Рефлектор (телескоп), https://ru.wikipedia.org/wiki/], [Глава четвертая. СЛОЖНЫЕ ТЕЛЕСКОПЫ. http://www.old.astronomer.ru/data/library/books/sikoruk/glava4/4_1.htm]. В такой схеме вторичное зеркало вынесено за пределы пучка, падающего на главное зеркало. 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]. 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/].
Л
Л
Для примера проектируем оптическую СФИНЛИ, включающую передающий лазерный модуль 1 на основе полупроводникового диодного лазера. Выбираем лазер, генерирующий инфракрасное излучение с длиной волны λ=808 нм мощностью 120 Вт и с оптоволоконным выводом 2 с числовой апертурой NA=0,22 и диаметром сердцевины 3 d=200 мкм. Лазерный модуль 1 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. С торца 4 сердцевины 3 дивергентный луч 5 лазера поступает на коллимирующую асферическую линзу 6, которую выбираем с фокусным расстоянием f=80 мм и диаметром d=40 мм, что удовлетворяет условию (1)
Л
Л
Л
d>>d∧d>2⋅f⋅tg[arcsin(NA)]=2⋅80⋅tg[arcsin(0,22)]=36 мм.
a
При этом главная оптическая ось 7 асферической линзы 6 установлена перпендикулярно плоскости торца 4 сердцевины 3 оптоволоконного вывода 2 и проходит через его центр, размещенный в переднем фокусе f упомянутой асферической линзы 6. При этом на выходе оптической системы лазерный пучок 22 лучей падает на вогнутое главное зеркало 8, выполненное параболическим с фокусом F, например равным F=900 мм. Выполняют главное зеркало 8 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 зеркала [http://www.nppfocus.com/opticheskoe-zerkalo.php]. Оптическая система выполнена так, что через геометрический центр главного зеркала 8 проходит его оптическая ось 9, параллельная или совпадающая с оптической осью 10 его полной параболы 11, конструктивно связанное с устройством "грубого" наведения (на фиг. не показано), и отражается в виде малорасходящегося пучка 12 лучей на плоскость изображения 13. Устройство "грубого" наведения выполнено, например, в виде двухкоординатного привода с системой управления для перенацеливания и с системой стабилизации наведения лазерного пучка 12 во время передачи энергии. Плоскость изображения 13 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]. Для фокусировки изображения предмета, которым является торец 4, в плоскости изображения 13 служит блок фокусировки 14, в состав которого входит асферическая линза 6 с механизмом перемещения 15 асферической линзы 6 вдоль ее главной оптической оси 7 (на фиг. 1 ось Z). СПУ обеспечивает работу механизма перемещения 15 и контролирует положение асферической линзы 6 с помощью встроенных в механизм перемещения 15 датчиков перемещения (на фиг. 1 не показаны). Причем, механизм перемещения 15 может быть выполнен на основе прецизионного шагового однокоординатного пьезопозиционера, включающего программное обеспечение, позволяющее управлять и контролировать основные параметры движения пьезопозиционера [Пьезопозиционер для нанофокусировки. http://www.eurotek-general.com], [Линейные пьезоплатформы. http://www.innfocus.ru/ru/catalog/photonics_c/pozicionery/physik-instrumente-pi/linejnye-pezoplatformy/].
Вторичное зеркало 16 выполнено выпуклым и параболическим, а его оптическая ось 17 совпадает с главной оптической осью 7 упомянутой асферической линзы 6. Причем СФИНЛИ выполнена так, что оптическая ось 17 вторичного зеркала 16 параллельна или совпадает с оптической осью 18 его полной параболы 19, отстоящей от главной оптической оси 7 асферической линзы 6 на расстоянии h. При этом примем, что вторичное зеркало 16 выполнено с фокусом f=100 мм, совпадающим с фокусом F, а оптическая ось 18 его полной параболы 19 совпадает с оптической осью 10 полной параболы 11 главного зеркала 8. Выполняем вторичное 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 зеркала [http://www.nppfocus.com/opticheskoe-zerkalo.php]. Причем СФИНЛИ выполнена так, что вторичное зеркало 16, оптическая ось 17 которого параллельна или совпадает с оптической осью 9 главного зеркала 8, конструктивно связано с устройством сканирования 20. Устройство сканирования 20 может быть выполнено, например на основе моторизированного двух осевого (XY) кинематического пьезоэлектрического нанопозиционера [Моторизированный двух осевой (XY) кинематический пьезоэлектрический нанопозиционер QNP2-100-XYA, http://www.phcloud.ru, производитель: Aerotech, Inc.]. Вторичное зеркало 16 отражает идущий от асферической линзы 6 лазерный пучок параллельных лучей 21 в виде расходящегося лазерного пучка 22, 23 на главное зеркало 8, отражающее в свою очередь на плоскость изображения 13 малорасходящийся пучок лучей 12. Оценим по соотношению (2), с учетом соотношений (3)-(7), характерный размер апертуры для главного зеркала 8.
Далее рассмотрим два варианта оптической схемы СФИНЛИ:
вариант №1, где h≠0, т.е. внеосевое размещение двух зеркал;
вариант №2, где h=0, т.е. осевое размещение двух зеркал.
Вариант №1 с внеосевым размещением зеркал. В такой схеме вторичное зеркало 16 вынесено за пределы лазерного пучка 22, падающего на главное зеркало 8.
Определим из (5) радиус лазерного пучка r по формуле
Л
r=f⋅tg[arcsin(NA)]=80⋅tg[arcsin(0,22)]=18 мм.
Выбираем h=30 мм и из (7) определяем коэффициент δ=1.
А
B
По формулам (3) и (4) определим α и α
А
2
2
2
2
2
2
2
2
α=δ⋅arccos{[4f-(h-r)]/[4f+(h-r)]}==1⋅arccos{[4⋅100-(30-18)]/[4⋅100+(30-18)]}=6,87°,
B
2
2
2
2
2
2
2
2
α=arccos{[4f-(h+r)]/[4f+(h+r)]}==arccos{[4⋅100-(30+18)]/[4⋅100+(30+18)]}=27°;
A
Покажем, что выбранный параметр h отвечает соотношению (6), а поскольку h≠0 проверяем только левую часть условия (6), которая определена в первую очередь технологичностью изготовления конструкции выбранного варианта СФИНЛИ, т.е. [2⋅F⋅tg(α/2)-r]>h>r.
[2⋅900⋅tg(6,87°/2)-18]>30>18 или 89,9>30>18.
Оценим по соотношению (2) характерный размер апертуры главного зеркала 8:
B
A
B
A
2
2
2
2
1/2
2
2
2
2
1/2
D=F⋅{4[tg(α/2)-tg(α/2)]+[tg(α/2)-tg(α/2)]}=900⋅{4[tg(27°/2)-tg(6,87°/2)]+[tg(27°/2)-tg(6,87°/2)]}=328 мм.
Вариант №2 с осевым размещением зеркал, где h=0 и коэффициент δ, в соответствии с (7), принимает значение δ=-1.
А
В
По формулам (3) и (4) определим α и α
А
2
2
2
2
2
2
2
2
α=δ⋅аrccos{[4f-(h-r)]/[4f+(h-r)]}=-1⋅arccos{[4⋅100-(-18)]/[4⋅100+(-18)]}=-10,285°,
В
2
2
2
2
2
2
2
2
α=arccos{[4f-(h+r)]/[4f+(h+r)]}=arccos{[4⋅100-(18)]/[4⋅100+(18)]}=10,285°;
Оценим по соотношению (2) характерный размер апертуры главного зеркала 8:
B
A
B
A
2
2
2
2
1/2
2
2
2
2
1/2
2
1/2
D=F⋅{4[tg(α/2)-tg(α/2)]+[tg(α/2)-tg(α/2)]}=900⋅{4[tg(10,285°/2)-tg(-10,285°/2)]+[tg(10,285°/2)-tg(-10,285°/2)]}=900⋅{4[tg(10,285°/2)-tg(-10,285°/2)]}=324 мм.
Приведем вывод соотношения (2) для оценки характерного размера апертуры главного зеркала. Определим из фиг. 2 координаты точек пересечения полной параболы 19 с крайними лучами лазерного пучка 21 в рассматриваемой плоскости YOZ - это точки а и b, используя уравнение параболы [Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. - 13-е изд., исправленное. - М.: Наука, Гл. ред.физ.-мат.лит., 1986. с. 204]
где р - фокальный параметр полной параболы 19 вторичного зеркала
16.
Откуда координаты для точек а и b:
причем рассматриваем общий случай, когда h>r.
Из свойств параболы [Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. - 13-е изд., исправленное. - М.: Наука, Гл. ред.физ.-мат.лит., 1986. с. 203] определим длины мнимых лучей af и bf
a
b
А
B
Из треугольников Δazf и Δbzf определим углы α и α
Определим по фиг. 3 координаты точек пересечения полной параболы 11 с крайними лучами 22 и 23 в рассматриваемой плоскости YOZ - это точки А и В, используя свойства параболы [Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. - 13-е изд., исправленное. - М.: Наука, Гл. ред.физ.-мат.лит., 1986, с. 203]. Откуда длины лучей 23 и 22 отвечают соотношениям, соответственно:
где Р - фокальный параметр полной параболы 11 главного зеркала 8.
A
B
A
B
Из треугольников ΔAZF и ΔBZF по соотношениям (12), с учетом (11), определяем координаты по Z для точек А и В, т.е. Z и Z
A
B
Из определения параболы, с учетом (13), определяем координаты по Y для точек А и В, т.е. Y и Y
Из ΔАВС, с учетом (13) и (14), определяем сторону АВ, принимая ее за характерный размер апертуры D главного зеркала 8, по соотношению
B
A
B
A
2
2
2
2
1/2
АВ=D=F⋅{4[tg(α/2)-tg(α/2)]+[tg(α/2)-tg(α/2)]}.