ОСВЕТИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА
ILLUMINATION SYSTEM

Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности к лазерным осветительным устройствам, применяемым в различных оптико-электронных системах, например в приборах наведения летательных объектов по лазерному лучу для формирования лазерного поля управления. Такие приборы обычно включают лазерную осветительную систему для освещения кодовых дорожек вращающегося растра, панкратическую систему и объектив, формирующий в пространстве предметов лазерное поле управления.
Для обеспечения надежного управления объектом приборы наведения должны обеспечивать высокую плотность мощности лазерного излучения в зоне нахождения управляемого объекта, сохранять ее в широком диапазоне температур, а также обеспечивать равномерность освещения по сечению пучка.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой является осветительная система [1], содержащая источник лазерного излучения, систему формирования двух или более параллельных лазерных пучков и фокусирующий компонент, в задней фокальной плоскости которого находится вращающийся растр с кодовыми дорожками, которые и подсвечиваются лазерным излучением. Когерентное лазерное излучение, распространяясь по оптическим элементам устройства, претерпевая дифракцию на неоднородностях и дефектах реальной оптики и интерферируя с прямо прошедшим излучением, образует паразитную интерференционную картину, снижая равномерность освещения в фокальной плоскости фокусирующего компонента. Для устранения когерентности служит система формирования взаимно параллельных лазерных пучков, названная в [1] устройством для расщепления лазерного луча и выполненная в виде одной или двух наклонных стеклянных пластинок, на части одной из рабочих поверхностей которых нанесено спектроделительное, а на второй - зеркальное покрытие. Толщина пластинок и углы наклона рассчитываются таким образом, чтобы обеспечивалось требуемое расстояние между разделенными пучками, а разность хода между любыми выходящими из них лучами превышала длину когерентности излучения лазера. Для обеспечения засветки зоны растра с требуемыми размерами, согласованными с шириной кодовых дорожек, на практике лазерное излучение фокусируют в плоскость, расположенную недалеко от стеклянных пластинок, и в этой же плоскости размещают переднюю фокальную плоскость фокусирующего компонента. В этом случае в плоскости растра складываются освещенности нескольких квазипараллельных пучков лучей, оси которых пересекаются в задней фокальной плоскости фокусирующего компонента, совпадающей с вращающимся растром.
Недостатком известной осветительной системы является недостаточная равномерность освещенности. При устранении неравномерности освещения, обусловленной когерентностью и паразитной интерференцией, из-за большой разности хода после прохождения плоскопараллельных пластин, сформированные лазерные пучки имеют перетяжки, значительно удаленные вдоль оптической оси друг от друга. В этом случае все суммируемые в фокальной плоскости фокусирующего компонента пучки имеют различные плоскости фокусировки и различную угловую расходимость, что также приводит к нарушению равномерности освещенности, преимущественно на краях рабочей зоны.
Задачей предлагаемого изобретения является создание осветительной системы, обеспечивающей повышение равномерности освещенности в пределах всей рабочей зоны.
Предложена осветительная система, содержащая оптически связанные источник лазерного излучения, устройство формирования параллельных лазерных пучков и фокусирующий компонент. Новизна предложения состоит в том, что источник лазерного излучения выполнен в виде системы n лазерных диодов, где n>1, устройство формирования параллельных лазерных пучков выполнено в виде последовательно установленных и оптически связанных системы из n волоконных световодов, оптической проекционной системы, содержащей, по меньшей мере, два оптических компонента, образующих первую телескопическую систему, и плоскопараллельной пластинки, при этом вход каждого из волоконных световодов подключен к соответствующему лазерному диоду, выходные зоны световодов жестко соединены друг с другом в едином соединительном блоке так, что их оси параллельны друг другу, а торцы расположены в одной плоскости, плоскопараллельная пластинка выполнена из материала, обладающего свойствами активной среды для формирования в ней генерированного лазерного излучения, установленная так, что ее рабочие поверхности перпендикулярны оптической оси оптической проекционной системы и образуют плоскопараллельный резонатор, при этом на входной поверхности пластинки нанесено спектроделительное покрытие, максимально пропускающее излучение лазерных диодов и отражающее генерируемое излучение, на выходной поверхности плоскопараллельной пластинки нанесено покрытие, частично пропускающее генерируемое излучение, при этом выходные торцы волоконных световодов оптически сопряжены посредством оптической проекционной системы с плоскопараллельной пластинкой.
Плоскопараллельная пластинка может быть выполнена из кристалла алюмо-иттриевого граната, легированного ионами иттербия.
По меньшей мере, один из лазерных диодов может отличаться от других по длине волны излучения.
Фокусирующий компонент может быть выполнен в виде второй телескопической системы и объектива, состоящего, по меньшей мере, из одной линзы.
Источник лазерного излучения выполнен в виде системы n лазерных диодов, где n>1, излучение которых передается по отдельным каналам с помощью n волоконных световодов, выходные зоны которых жестко соединены друг с другом в соединительном блоке, так что их оси параллельны, а торцы расположены в одной плоскости, являющейся плоскостью предметов оптической проекционной системы, и формирует в указанной плоскости n излучающих источников. Указанные n излучающих источников оптически сопряжены посредством оптической проекционной системы с плоскопараллельной пластинкой и формируют в ней n перетяжек, обеспечивая продольную накачку активной среды материала пластинки и вызывая генерацию лазерного излучения, выходящего из пластинки вдоль оси системы в виде узких параллельных пучков.
Благодаря единой плоскости положения перетяжек внутри активной среды плоскопараллельной пластинки, строгой взаимной параллельности и одинаковым углам расходимости генерируемых пучков, в задней фокальной плоскости фокусирующего компонента, совпадающей с освещаемой плоскостью, происходит строгое наложение всех пучков друг на друга, обеспечивая образование освещенного пятна нужного размера, большой плотности мощности и требуемой равномерности. При этом отсутствует когерентность излучения между пучками, наличие которой могло бы приводить к интерференционным явлениям и нарушать равномерность освещения.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 представлена оптическая схема осветительной системы. На фиг.2 приведен вариант выполнения соединительного блока волоконных световодов.
Оптическая система (фиг.1) содержит источник лазерного излучения, включающий четыре лазерных диода 1, устройство формирования параллельных пучков, содержащее систему из четырех волоконных световодов 2, входы которых подключены к соответствующим лазерным диодам 1, а выходные зоны жестко связаны в соединительном блоке 3 так, что их оси параллельны друг другу, а торцы расположены в одной плоскости, оптическую проекционную систему, включающую компоненты 4 и 5, и плоскопараллельную пластинку 6. В передней фокальной плоскости компонента 4 оптической проекционной системы расположены торцы волоконных световодов 2, задняя фокальная плоскость которого совпадает с передней фокальной плоскостью компонента 5 оптической проекционной системы, а его задняя фокальная плоскость проходит внутри пластинки 6. Материал пластинки 6 представляет собой активную среду для формирования в ней генерированного лазерного излучения, рабочие поверхности пластинки перпендикулярны оптической оси оптической проекционной системы (компоненты 4 и 5) и образуют плоскопараллельный резонатор, при этом на входной поверхности пластинки 6 нанесено спектроделительное покрытие, максимально пропускающее излучение лазерных диодов и отражающее генерируемое излучение, а на ее выходной поверхности нанесено покрытие, частично пропускающее генерируемое излучение.
Материалом пластинки 6 может быть кристалл алюмоиттриевого граната, легированного иттербием.
По меньшей мере, один из лазерных диодов 1 может отличаться от других по длине волны излучения.
Фокусирующий компонент 7 установлен на оптической оси за пластинкой 6 так, что его задняя фокальная плоскость совпадает с освещаемой рабочей плоскостью 8. Компонент 7 (на фиг.1 показан схематично) может быть выполнен в виде одиночной линзы либо в виде второй телескопической системы и объектива, состоящего, по меньшей мере, из одной линзы. Вторая телескопическая система может быть введена при необходимости согласования осветительной системы с последующим оптическим трактом прибора.
На фиг.2 представлен возможный вариант выполнения соединительного блока 3 (вид Б соединительного блока 3, изображенного на фиг.1).
Осветительная система работает следующим образом.
Излучение лазерных диодов 1 (фиг.1) выходит из торцов волоконных световодов 2, жестко соединенных в соединительном блоке 3 и расположенных в передней фокальной плоскости компонента 4 оптической проекционной системы, в виде нескольких пучков, оси которых параллельны друг другу. Пучки излучения проходят компоненты 4 и 5 оптической проекционной системы, расположенные на оптической оси так, что задняя фокальная плоскость компонента 4 совпадает с передней фокальной плоскостью компонента 5, благодаря чему сохраняется взаимная параллельность осей пучков за компонентом 5, и формируют в задней фокальной плоскости компонента 5 внутри плоскопараллельной пластинки 6 изображения торцов волоконных световодов 2 в виде перетяжек одинакового размера, обеспечивая продольную накачку активной среды материала пластинки 6 и вызывая генерацию лазерного излучения, выходящего из пластинки 6 вдоль оси системы в виде узких взаимно параллельных пучков.
Заявляемая оптическая система обладает рядом преимуществ по сравнению с прототипом, а именно:
1. Благодаря одинаковым размерам и единой плоскости положения перетяжек внутри активной среды плоскопараллельной пластинки 6, строгой взаимной параллельности и одинаковым углам расходимости генерируемых пучков, в задней фокальной плоскости фокусирующего компонента 7, совпадающей с освещаемой рабочей плоскостью 8, происходит строгое наложение всех пучков друг на друга, обеспечивая образование освещенного пятна нужного размера, большой плотности мощности и требуемой равномерности. При этом полностью отсутствует когерентность излучения между пучками, наличие которой могло бы приводить к интерференционным явлениям и нарушению равномерности освещения.
2. Выполнение источника излучения в виде системы лазерных диодов обеспечивает повышение надежности осветительной системы. При выходе из строя, например, одного из лазерных диодов, лишь частично снизится мощность освещения, но не нарушится работоспособность всего изделия. При необходимости можно увеличить мощность осветительной системы за счет простого наращивания количества лазерных диодов и соответствующего увеличения числа суммируемых пучков.
3. Конструкция оптической системы проста в изготовлении, обеспечивается небольшим набором стандартных компонентов, не требующих сложной технологии изготовления и сборки и не подверженных разъюстировке, что также повышает надежность системы.
4. Габариты осветительной системы могут быть минимизированы благодаря использованию короткофокусной оптики и возможности рассредоточенного размещения диодов с волоконными световодами в удобных местах на теплоотводящем корпусе изделия.
5. Расширение температурного диапазона работы системы обеспечивается за счет того, что, во-первых, в оптической проекционной системе материал плоскопараллельной пластинки может представлять собой кристалл алюмо-иттриевого граната, легированного ионами иттербия, имеющего более широкую спектральную полосу эффективного поглощения излучения накачки по сравнению с аналогичными активными средами; во-вторых, за счет того, что длина волны излучения, по меньшей мере, одного из лазерных диодов может отличаться от других. В предлагаемой осветительной системе осуществляется подбор лазерных диодов с, по меньшей мере, двумя различными номинальными длинами волн излучения таким образом, чтобы излучение лазерных диодов с более короткой длиной волны попадало в спектральную область максимального поглощения активной среды при повышенных температурах, а излучение лазерных диодов с большей длиной волны - при пониженных температурах, обеспечивая необходимую мощность генерации в осветительной системе при сильных морозах, в нормальных условиях и при экстремальной жаре.
Один из возможных вариантов выполнения осветительной системы приведен ниже.
Лазерный излучатель включает четыре лазерных диода с волоконными многомодовыми световодами длиной 1 м, каждый с параметрами:
- диаметр сердцевины, мкм
62,5 или 250
- числовая апертура излучения, sin U
0,15 или 0.22
Параметры оптической проекционной системы с телескопическим ходом лучей, состоящей из двух одиночных линз:
- линейное увеличение V, крат
-1,5
- фокусные расстояния линз:
f'<sub>1</sub>, мм
6,5
f'<sub>2</sub>, мм
10
Материал пластинки - кристалл Yb(10 aT.%):YAG
- толщина, мм
1,5 или 2
- диаметр, мм
7
Параметры каждого из четырех пучков генерируемого в кристалле излучения:
- угол расходимости излучения ?<sub>86</sub>, мрад
22
- диаметр перетяжки, мкм
100 или 350
Эквивалентное фокусное расстояние
фокусирующего компонента F', мм
90
Диаметр освещаемой рабочей зоны, мм
2
Таким образом, использование предложенного изобретение позволяет создать простую и надежную лазерную осветительную систему с минимальными габаритами, обладающую высокой равномерностью освещения рабочей зоны при большой плотности мощности, работающую без существенного снижения мощности в широком температурном диапазоне при отсутствии принудительной термостабилизации.
Источники информации
1. BY 13294 C1 (ОАО «ПЕЛЕНГ»), G02F 1/01, 2010.06.30, весь документ (прототип).