МНОГОКАНАЛЬНЫЙ УЗЕЛ ОТБОРА ИЗЛУЧЕНИЯ
MULTI-CHANNEL RADIATION SAMPLING UNIT

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано для создания оптомеханических приборов, предназначенных для отведения части излучения от направления распространения основного потока с управлением параметрами отводимого излучения.
Из уровня техники известен многоканальный узел отбора излучения американской установки NIF [Fusion science and technology. Vol 69, january/february 2016, Spaeth et al. NIF Laser description, p. 34-38], который представляет собой «крупную оптомеханическую сборочную единицу» устанавливаемую в герметичный корпус с использованием специального подъемника-манипулятора. Управление параметрами оптического излучения осуществляется путем его направления на оптические делительные элементы с покрытиями [D.H. Kalantar et. al., An overview of target and diagnostic alignment at the National Ignition Facility. Proc. of SPIE, v. 8505, 850509, 2012 г.]. Оптические элементы выполнены в виде клиньев с диэлектрическим покрытием [E.S. Bliss, A.A. Grey, R.D. Kyker and others. Beam control and laser diagnostic systems. ICE Quarterly Report Livermore National Laboratory UCRL-LR-105821-95-1].
Представленный многоканальный узел отбора имеет следующие недостатки:
- не обеспечен доступ к оптическим элементам на месте эксплуатации для диагностики, обслуживания и замены без демонтажа всей сборки;
- для демонтажа всей сборки необходимо использование спецоборудования;
- относительно низкие возможности по настройке каждого оптического элемента по отдельности;
- отсутствует возможность регулирования коэффициента отражения;
- неравномерность коэффициента отражения по площади оптического элемента и во времени,
- низкая, в сравнении с материалом подложки, лучевая прочность диэлектрического покрытия.
Известен способ отведения части монохроматического линейно-поляризованного лазерного излучения от направления распространения основного потока [патент RU 2707245, публик. 25.11.2019, МПК: G02B 26/02, G02F 1/01, ГК «Росатом», ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», Седов Д.С., Санкин Е.В. и др.], который заключается в отражении части излучения основного потока от наклонной поверхности делительного оптического элемента, установленного в ход основного потока под углом и дальнейшем направлении отраженной части потока дополнительным оптическим элементом назад на свето делительный оптический элемент для повторного отражения. Делительный оптический элемент установлен на опорно-поворотном устройстве с возможностью вращения вокруг оси, ортогональной направлению распространения основного потока излучения с целью изменения угла падения, а соответственно коэффициента отражения. Дополнительный отражающий элемент оснащен угловыми регулировками для изменения направления распространения отраженного излучения. Данный способ к заявляемому изобретению является наиболее близким по технической сущности и выбран в качестве наиболее ближайшего аналога.
Описанное изобретение имеет следующие недостатки:
- отсутствие элементов, позволяющих поглотить блики от передних и задних граней делительных и отражающих оптических элементов, которые прошли через делительные элементы на проход, что может негативно повлиять на работу оптической системы в целом, в том числе привести к повреждению оптических элементов системы.
- относительно низкие возможности по настройке, как групп оптических элементов, так и каждого оптического элемента по отдельности.
- невозможность неограниченного поворота опорно-поворотного устройства, что при плотной компоновке затрудняет доступ к оптическим элементам для диагностики их состояния, обслуживания и замены или приводит к увеличению габаритов узла или дополнительному конструктиву, а кроме того, может затруднить настройку оптических элементов.
- отсутствие датчика положения в составе опорно-поворотного устройства для осуществления дистанционного контроля угла поворота.
- отсутствие грузоподъемного устройства в составе изделия, что приводит к необходимости использования дополнительного оборудования или делает затруднительным монтаж/демонтаж крупногабаритных оптических элементов.
- низкая защищенность оптических элементов и оптомеханических сборок от окружающей среды, обусловленная отсутствием защитных корпусов, кожухов и т.п.
Технический результат изобретения заключается в расширении эксплуатационных возможностей за счет расширения возможностей по юстировке как групп оптических элементов, так и каждого оптического элемента по отдельности, расширения возможностей по обслуживанию, диагностике состояния, замене оптических элементов, повышения защищенности оптических элементов и оптомеханических сборок от окружающей среды, а также повышения бликозащищенности.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в многоканальном узле отбора излучения, содержащем делительные оптические элементы, размещенные под углом к оптической оси основного излучения на опорно-поворотном устройстве с возможностью изменения угла падения и отражающие оптические элементы с угловыми регулировками, размещенные под углом к оптической оси отраженного от делительных оптических элементов излучения, новым является то, что оснащен юстировочной платформой, на которой размещены опорно-поворотное устройство с делительными оптическими элементами, отражающие оптические элементы и дополнительно поглощающие оптические элементы, установленные с возможностью поглощения бликов от граней делительных и отражающих элементов, оптические элементы сгруппированы по функционалу в оптомеханические сборки, с элементами угловой и линейной регулировок как олтомеханической сборки в целом, так и каждого оптического элемента по отдельности, причем каждый оптический элемент установлен в оправу-контейнер, для монтажа/демонтажа которого в оптомеханическую сборку предусмотрено грузоподъемное устройство, а опорно-новоротное устройство выполнено с возможностью неограниченного поворота вокруг оси и оснащено датчиком положения, при этом оптомеханические сборки с оптическими элементами, опорно-поворотное устройство, грузоподъемное устройство, юстировочная платформа размещены в герметичном корпусе с узлами ввода/вывода лазерного излучения, ввода кабелей, трубопроводов и возможностью доступа персонала во внутренний объем.
Кроме этого, грузоподъемное устройство в многоканальном узле отбора излучения может быть выполнено в виде подвесного подъемника, установленного стационарно на оптомеханические сборки.
Влияние отличительных признаков патентной формулы многоканального узла отбора излучения на технический результат.
Оснащение юстировочной платформой, на которой размещены опорно-поворотное устройство с делительными оптическими элементами, отражающие оптические элементы, позволяет проводить угловую, линейную юстировку и перемещение изделия в собранном виде (без герметичного корпуса) по горизонтальной поверхности без использования дополнительного оборудования, тем самым расширяя эксплуатационные возможности.
Установка дополнительно поглощающих оптических элементов с возможностью поглощения бликов от граней делительных и отражающих элементов, позволяет увеличить бликозащищенность оптической системы в целом, что положительно влияет на технический результат.
Группировка оптических элементов по функционалу в оптомеханические сборки, с элементами угловой и линейной регулировок как оптомеханической сборки в целом, так и каждого оптического элемента по отдельности, позволяет использовать оптомеханические сборки как самостоятельные изделия, значительно расширяет возможности по настройке оптических элементов, в том числе индивидуальной настройке каждого канала.
Установка каждого оптического элемента в оправу-контейнер, позволяет минимизировать вероятность их повреждения и загрязнения при хранении, перемещении, монтаже, а также позволяет обеспечить удобство и высокую скорость монтажа, замены элементов без использования дополнительного оборудования.
Наличие грузоподъемного устройства для монтажа/демонтажа оправ-контейнеров в/из оптомеханическую сборку/оптомеханической сборки, позволяет увеличить скорость и безопасность, уменьшить трудозатраты при монтаже/демонтаже оправ-контейнеров.
Выполнение опорно-поворотного устройства с возможностью неограниченного поворота вокруг оси, позволяет кроме поворота делительных оптических элементов с целью изменения величины отбираемой энергии, решать ряд технологических задач, возникающих при монтаже, юстировке, диагностике состояния, обслуживании и замене оптических элементов при относительно небольших габаритах изделия в целом.
Оснащение опорно-поворотного устройства датчиком положения, позволяет осуществлять дистанционный контроль угла поворота, что также влияет на технический результат.
Размещение оптомеханических сборок с оптическими элементами, опорно-поворотного устройства, грузоподъемного устройства, юстировочной платформы в герметичном корпусе с узлами ввода/вывода лазерного излучения, ввода кабелей, трубопроводов и возможностью доступа персонала во внутренний объем, позволяет изолировать изделие от основного помещения установки в локальном герметичном объеме, в том числе заполняемом специальным газом, с целью, например, уменьшения рассеивания лазерного излучения, защищенности от взвешенных частиц, термостабилизации и т.п. При этом остается возможность монтажа, юстировки, диагностики состояния, обслуживания и замены оптических элементов без демонтажа крупной оптомеханической сборки и применения дополнительного оборудования.
Выполнение грузоподъемного устройства в виде подвесного подъемника, установленного стационарно на оптомеханические сборки позволяет минимизировать его размеры, а соответственно и размеры изделия в целом, что также положительно влияет на технический результат.
Рассмотрим реализацию предлагаемого изобретения, представленного на фигуре, на котором изображена функциональная оптическая схема, где позициями изображены:
1 - делительный оптический элемент;
2 - отражающий оптический элемент;
3 - поглощающий оптический элемент;
4 - оправа-контейнер;
5 - оптомеханическая сборка;
6 - опорный блок оптомеханической сборки;
7 - механизм индивидуальной угловой и линейной регулировки;
8 - опорно-поворотное устройство;
9 - котировочная платформа;
10 - опорный блок юстировочной платформы;
11 -штанга для крепления грузоподъемного устройства;
12 - герметичный корпус.
Многоканальный узел отбора излучения содержит делительные оптические элементы 1, отражающие оптические элементы 2 и поглощающие оптические элементы 3. В качестве делительных используются кварцевые клинья без покрытия, отражающих - зеркала с диэлектрическим покрытием передней грани, поглощающих - матрицы светофильтров.
Оптические элементы установлены в оправы-контейнеры 4 и сгруппированы по типу в оптомеханические сборки 5. Оправа-контейнер 4 включает в себя быстросъемные защитные экраны, ручки, грузоподъемные элементы, а также элементы, обеспечивающие удобство и однозначность установки в оптомеханическую сборку 5 (направляющие, штифты). Опорные блоки оптомеханических сборок 6 выполнены с элементами угловой и линейной регулировки. Кроме того, оптомеханические сборки 5 оснащены механизмами индивидуальной угловой и линейной регулировки 7 для каждого оптического элемента, в том числе дистанционной.
Оптомеханическая сборка 5, содержащая делительные оптические элементы 1 установлена на опорно-поворотном устройстве 8 с возможностью неограниченного поворота вокруг оси, снабженного приводом и датчиком положения для осуществления дистанционной работы. Оптомеханические сборки 5 с отражающими оптическими элементами 2, поглощающими оптические элементы 3 и оптомеханическая сборка 5 с делительными оптическими элементами 1 на опорно-поворотном устройстве 8 установлены на юстировочную платформу 9. При этом оптомеханическая сборка 5 с делительными оптическими элементами 1 установлена под углом, близким к углу Брюстера, к оптической оси основного излучения. Платформа котировочная 9 снабжена механизмом линейных перемещений в горизонтальной Плоскости (на фиг. не показан), транспортировочными колесами, опорными блоками юстировочной платформы 10 с элементами угловой и линейной регулировки.
На верхнюю часть оптомеханических сборок 5 крепятся штанги для крепления грузоподъемного устройства 11, предназначенного для монтажа/демонтажа оправ-контейнеров 4. Кроме того, штанги для крепления грузоподъемного устройства 11 являются дополнительными элементами жесткости.
Юстировочная платформа 9, опорно-поворотное устройство 8, оптомеханические сборки 5, штанги для крепления грузоподъемного устройства 11, грузоподъемное устройство устанавливаются в герметичный корпус 12. Герметичный корпус 12 включает в себя окна для ввода/вывода лазерного излучения, герметичные панели с электрическими и оптическими разъемами, узлы ввода газов, а также быстро открываемый/закрываемый люк, обеспечивающий доступ персонала во внутренний объем для монтажа, настройки, диагностики состояния оптических элементов, их обслуживания и замены.
Рассмотрим работу многоканального узла отбора излучения. После установки на месте эксплуатации составных частей устройства производится его монтажная настройка с использованием опорных блоков юстировочной платформы 10 и механизма линейных перемещений юстировочной платформы 9, а также опорных блоков оптомеханических сборок 6, ориентируясь при этом на положение оптомеханических сборок 5. Монтажная настройка может осуществляться как с установленными оптическими элементами 1,2, 3, так и без них. При этом оптические элементы 1, 2, 3 заранее устанавливаются в оправы-контейнеры 4 в специализированном чистом помещении и закрываются защитными экранами.
Далее по котировочному лучу с использованием механизмов индивидуальной угловой и линейной регулировки 7 и опорно-поворотного устройства 8 производится точная настройка каждого оптического элемента 1, 2, 3.
Для обеспечения доступа персонала к оптическим элементам 1 2, 3 с целью диагностики их состояния, обслуживания или замены производится поворот оптомеханической сборки 5 с делительными оптическими элементами 1 на опорно-поворотном устройстве 8 в соответствующие положения в зависимости от манипуляций с конкретным оптическим элементом. Замена оправ-контейнеров 4 с оптическими элементами производится при помощи установленного на штанги 11 грузоподъемного устройства.
Основное излучение проходит через делительный оптический элемент 1, отраженный от его передней грани сигнал поступает на отражающий оптический элемент 2 и направляется повторно на делительный оптический элемент 1. Далее прошедшая через него часть этого сигнала падает на поглощающий оптический элемент 3, а часть, повторно отражается от его передней грани, выводится из потока основного излучения и используется в качестве отобранной.
На предприятии была проведена конструкторская разработка и изготовлен опытный образец многоканального узел отбора излучения, проведены испытания его механизмов и систем. По результатам испытаний многоканальный узел отбора излучения подтвердил заявленные технические характеристики и был принят в эксплуатацию. Таким образом, предлагаемое изобретение позволило расширить эксплуатационных возможности за счет расширения возможностей по юстировке как групп оптических элементов, так и каждого оптического элемента по отдельности, расширения возможностей по обслуживанию, диагностике состояния, замене оптических элементов, повышения защищенности оптических элементов и оптомеханических сборок от окружающей среды, а также повышения бликозащищенности.