ОПТИЧЕСКИЙ КОММУТАТОР

Предполагаемое техническое решение относится к области лазерной техники, оптической локации и может быть использовано при создании силовых лазерных установок.
Известна лазерная система, содержащая, по крайней мере, два одинаковых неустойчивых резонатора, каждый из которых включает вогнутое и выпуклое конфокальные зеркала, и равное числу резонаторов число активных сред, каждая из которых расположена между вогнутым и выпуклым зеркалами соответствующего резонатора, при этом между выходами резонаторов установлена оптическая связь для обеспечения ввода части выходного пучка одного резонатора в другой параллельно оптической оси этого другого резонатора и наоборот, результатом чего должна быть синхронизация основных мод резонаторов (1).
Недостатком данной лазерной системы является практическая трудность строгого согласования направления вводимого в резонатор синхронизирующего пучка излучения с направлением оптической оси этого резонатора, которое, однако, заранее неизвестно.
n
В случае, если направление пучка, вводимого со стороны выхода резонатора, лежит в одной плоскости с оптической осью резонатора и составляет с ней угол α, то после n двойных проходов в резонаторе направление пучка составит с осью резонатора угол α*М, в связи с чем в зависимости от знака угла α пучок может не достигнуть приосевой области резонатора и вернуться назад, либо он может пересечь приосевую область и выйти с другой стороны резонатора, не трансформировавшись в основную моду. Поэтому коллективная мода генерации системы может оказаться целиком внутри замкнутой оптической системы из резонаторных и
поворотных зеркал, а генерация резонаторов на основной моде будет происходить независимо, то есть, без фазовой синхронизации. Если направления введенного во второй резонатор пучка и оптической оси резонатора не будут лежать в одной плоскости, путь распространения пучка внутри резонатора получит азимутальную составляющую, что также препятствует совмещению введенного пучка с приосевой областью резонатора в процессе многократных проходов в резонаторе. Таким образом, практическая невозможность точного совмещения направления вводимого со стороны выхода второго резонатора пучка части излучения первого резонатора с направлением оптической оси второго резонатора ставит под сомнение реализуемость работоспособной системы на предложенном принципе.
Известны системы волноводных лазеров, в которых оптический путь внутри резонатора разделен на множество прямолинейных участков, оптически связанных между собой поворотными зеркалами, причем расположение этих участков может быть разнообразным, в том числе взаимно параллельное, в виде сложных фигур с пересекающимися участками оптического пути, расположенных в параллельных плоскостях, оптически связанных между собой зеркальными «мостиками», в виде пространственных спиральных структур (2-4).
Основной недостаток указанных систем - ограничение возможности наращивания мощности лазерного излучения вследствие чрезмерных лучевых нагрузок на зеркалах.
Известна лазерная система, содержащая три или более узких щелевых разрядных каналов, смонтированных радиально относительно основной оси (5).
Возбуждение разрядных объемов может быть радиочастотным, постоянным током или фотоиндуцированным импульсным электрическим сигналом с магнитной стабилизацией. Разрядные каналы могут быть вмонтированы в обычный нестабильный оптический резонатор, тороидальный резонатор с обратной связью и без нее. Пара соседних каналов может быть объединена для формирования кольцевого микроволнового резонатора в виде гребенчатого волновода, оптимально возбуждаемого магнетроном.
Указанная лазерная система обладает следующими недостатками.
1. Радиальное расположение разрядных каналов не обеспечивает возможности получения возбужденной активней среды в области, непосредственно прилегающей к основной оси лазерной системы, в связи с чем применение обычного нестабильного резонатора из двух зеркал неэффективно.
2. В случае использования тороидального резонатора с обратной связью и без нее излучающая апертура лазерной системы состоит
из набора малых субапертур, размещенных по кольцу значительного диаметра с азимутальным шагом 2π/М, где N - число субапертур. Такая структура апертуры лазерной системы даже в случае фазовой синхронизации пучков излучения приводит к многолепестковой диаграмме направленности изучения в дальней зоне, что нежелательно для многих приложений. Кроме того, изготовление точной тороидальной оптики требует наличия уникального оборудования для оптической обработки, а резонаторы на тороидальных зеркалах имеют высокую чувствительность к разъюстировке.
Наиболее близким по технической сущности к предполагаемой полезной модели (прототипом) является лазерная система, содержащая лазерный модуль в виде установленных по замкнутому контуру пластинчатых электродов с разрядными каналами щелевой формы и резонатора, включающего оптически сопряженные через разрядные каналы вогнутое и выпуклое зеркала, установленные напротив соседних торцов пластинчатых электродов со смещением относительно последних для прохода выходного пучка лазерного излучения модуля (6).
Недостатком прототипа является ограниченная мощность выходного лазерного излучения, обусловленная предельными лучевыми нагрузками на зеркалах при недостаточно высокой точности попадания излучения на объект.
Технический результат от использования предлагаемого технического решения заключается в повышении средней плотности мощности лазерного излучения на объекте при ослаблении лучевой нагрузки на оптические элементы.
В соответствии с предлагаемой полезной моделью указанный технический результат достигается тем, что оптический коммутатор, содержащий лазерный модуль в виде n параллельно установленных излучателей, каждый из которых подключен к системе энергопитания, а также оптически сопряженные телескопическую систему и фотоприемное устройство, дополнительно содержит последовательно соединенные задатчик программы сканирования, усилительно-преобразовательный блок привода и двигатель с установленным на его валу поворотным зеркалом, оптически сопряженным со светоделительной пластиной и каждым из n оптических каналов матрицы сведения, при этом выход фотоприемного устройства подключен ко входу задатчика программы сканирования, выход которого подсоединен ко входу системы энергопитания, светоделительная пластина установлена между поворотным зеркалом и телескопической системой и оптически с ними сопряжена, матрица сведения установлена между поворотным зеркалом и лазерным модулем и оптически с ними сопряжена, а каждый из n оптических каналов матрицы сведения оптически сопряжен с соответствующим излучателем лазерного модуля.
На фигуре представлен предлагаемый оптический коммутатор.
1
2
n
i
Оптический коммутатор содержит лазерный модуль 1, состоящий из n параллельно установленных лазерных модулей 2 (2, 2,...2), которые подключены к системе электропитания 3. Управление системой энергопитания 3, также как и усилительно-преобразовательным блоком привода 4 осуществляется с задатчика программы сканирования 5, на который задается режим работы оптического коммутатора, т.е. частоту работы лазерного модуля 1, время работы каждого излучателя 2, порядок следования импульсов излучения, точность их попадания на объект, длительность воздействия излучения и т.д. Усилительно-преобразовательный блок привода 4 подключен к двигателю 6, на валу которого закреплено зеркало поворотное 7. Часть лазерного излучения, направленного с помощью поворотного зеркала 7 на объект, отклоняется светоделительной пластиной 8, формируется телескопической системой 9 и поступает в фотоприемное устройство 10, где определяется точность попадания лазерного излучения на объект и информация о ней передается в задатчик программы сканирования 4. Вывод излучения каждого излучателя 2: лазерного модуля 1 на единую оптическую ось осуществляется с помощью матрицы сведения 11, представляющую собой n независимых оптических каналов, каждый из которых содержит пару зеркал, оптически сопряженных с поворотным зеркалом 7 и с соответствующим лазерным излучателем 2.
i
i
Оптический коммутатор работает следующим образом. В задатчике программы сканирования 5 устанавливается требуемый режим работы оптического коммутатора. По команде с задатчика программы сканирования 5 система энергопитания 3 осуществляет генерацию соответствующего лазерного излучателя 2 лазерного модуля 1, а усилительно-преобразовательный блок привода 4 включает двигатель 6 и устанавливает поворотное зеркало 7 в положение, соответствующее выводу излучения требуемого лазерного излучателя 2 через его оптический канал матрицы сведения 11 на общую оптическую ось в направлении объекта. Часть этого излучения с помощью светоделительной пластины 8 отводится через телескопическую систему 9 в фотоприемное устройство 10, где осуществляется контроль за точностью установки оптической оси коммутатора на объект. По сигналу с фотоприемного устройства 10 на задатчик программы сканирования 5 осуществляется корректировка пространственного положения оптических осей лазерных излучателей 2.
При расположении лазерных излучателей 2 по кругу в один ряд можно использовать один двигатель 6. При необходимости уменьшить размеры оптического коммутатора можно скомпонавать лазерные излучатели в матрицу, но тогда необходимо использовать два двигателя. Принцип действия оптического коммутатора может быть построен на базе двигателя постоянного тока ДП-172 при работе его в форсированном режиме, т.е. при кратковременном прохождении через двигатель тока 100-200А. Поворотное
-4
2
зеркало, установленное на валу такого двигателя, обеспечивает переключение пучков лазерного излучения диаметром 50-70 мм с моментом инерции ~3.10кг.м. Дискретное перемещение поворотного зеркала осуществляется на угол 1-6 град.
Светоделительная пластина 8 может быть выполнена в виде плоскопараллельной пластины с зональным покрытием. С ее помощью часть основного лазерного излучения отводится через телескопическую систему в фотоприемное устройство, откуда информация о точности установки оптического коммутатора поступает в задатчик программы сканирования и в случае необходимости корректируется.
Предлагаемая схема оптического коммутатора обеспечивает синхронизацию пространственного положения поворотного зеркала и излучения соответствующего лазерного излучателя. Время переключения работы коммутатора с одного излучателя на другой составляет 3-5 мс при точности установки излучения на объекте 5-10 угл.с.
На основании вышеизложенного следует, что предлагаемый оптический коммутатор имеет преимущества по сравнению с известными, а именно, за счет поочередного вывода излучения каждого лазерного излучателя на общую оптическую ось позволяет осуществлять непрерывное воздействие лазерного излучения на объект, осуществляя удержание лазерного излучения на объекте в течении заданного времени с требуемой точностью, повышая этим среднюю плотность мощности излучения на объекте. Осуществляя вывод лазерного излучения на объект предложенным выше образом, получаем ослабление лучевой нагрузки на элементы оптического тракта.
Следовательно, предложенный оптический коммутатор при использовании дает технический результат, заключающийся в повышении плотности мощности лазерного излучения на объекте с улучшением пространственных характеристик излучения и ослаблением лучевой нагрузки на оптических элементах.
В настоящее время на предприятии изготовлен действующий макет предложенного оптического коммутатора, испытания которого подтвердили достижение вышеуказанного технического результата.
Источники информации.
1. Патент США №4682339, МПК Н 01 S 3/08,1987 г.
2. Европейский патент №0427229 А2, МПК H 01 S 3/07, 1990 г.
3. Европейский патент №0292277 А1, МПК H 01 S 3/03, 1988 г.
4. Европейский патент №0305893 B1, МПК H 01 S 3/03, 1994 г.
5. Патент США №5029173, МПК H 01 S 3/10, 1991 г.
6. Патент США №5373528, МПК Н 01 S 3/097,1994 г (прототип).