СПОСОБ НАВЕДЕНИЯ ЧАСТОТНО ПРЕОБРАЗОВАННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ КАНАЛА ЛАЗЕРНОЙ УСТАНОВКИ НА МИШЕНЬ
METHOD FOR AIMING THE FREQUENCY CONVERSED RADIATION OF THE CHANNEL OF THE LASER UNIT TO THE TARGET

Настоящее изобретение относится к области оптической техники, а именно к многоканальным излучателям с преобразованием частоты и может быть использовано для автоматической юстировки и наведения пучков излучения на мишень при подготовке ее к физическим экспериментам.
Известен способ наведения излучения в заданную точку мишени при подготовке ее к физическим экспериментам на многоканальной лазерной установке LMJ [Michel Luttmann et.al. Laser Megajoule alignment to target center. Proc. of SPIE, v. 7916, 79160N (2011)].
Наведение лазерных пучков на мишень, расположенную в центре мишенной камеры, в данном способе осуществляют с помощью специального устройства, называемого the Common Reference (CR), вводимого в центральную область камеры. Оно содержит источник непрерывного настроечного излучения, работающего на частоте преобразованного излучения силового лазера, и вращающееся зеркало с центром, сохраняющим свое местоположение. В состав оборудования входят также 6 теле-микроскопов, называемых SOPAC, расположенных вокруг мишенной камеры парами друг напротив друга. Настроечный источник CR позиционируется теле-микроскопами SOPAC в центре мишенной камеры. Излучение CR направляется в очередной канал, где по нему настраивается автоколлимационное зеркало. По автоколлимационному зеркалу настраиваются транспортные зеркала. Здесь используется настроечный источник излучения основной гармоники, который заводится в плоскость диафрагмы транспортного фильтра, а контроль осуществляется по датчику усилителя. Способ основан на привязке настроечного излучения высшей гармоники к настроечному излучению основной гармоники.
Недостатками является сложность настройки, и необходимость настройки всех каналов на мишень проводить последовательно.
Также известен способ наведения излучения на мишень многоканальной лазерной установки NIF [S J. Boege et.al. NIF pointing and centering systems and target alignment using a 351 nm laser source/Proc. of SPIE,v. 3047, 0276X (1997)]. Способ наведения излучения основывается на двух ортогональных датчиках центра мишенной камеры (МК) так называемых, расположенных за пределами сферической камеры и датчика мишени - специального устройства сведения пучков и юстировки мишени. Геометрия устройства сведения и юстировки позволяет сводить пучки излучения от всех каналов лазера в две точки пространства центральной зоны МК, соответствующие центрам отверстий ввода цилиндрического бокс-конвертора с рабочей мишенью. Настроечный источник высшей гармоники вбрасывается в соответствующий фокус выходной линзы транспортного пространственного фильтра. Излучение проходит по транспортным зеркалам, финальному модулю и регистрируется датчиком мишени. Излучение задающего генератора проходит через не накаченный силовой усилитель, по транспортным зеркалам, частично преобразуется в гармонику, фокусируется финальным модулем и так же регистрируется датчиком TAS. Разница координат на датчике компенсируется наклоном последнего транспортного зеркала. Далее заводят в центр устройства сведения бокс-конвертор с рабочей мишенью, контролируя его положение двумя соосными камерами устройства сведения до совмещения изображения цента его отверстий с центром матриц камер, при этом вертикальное позиционирование бокс-конвертора осуществляют третьей камерой.
Однако датчик мишени позволяет сводить и фокусировать лазерные пучки в заданные точки только для определенного типа мишени и при определенных условиях ее облучения, и не пригоден, например, для кубической симметрии облучения мишени. Кроме того, настройка всех каналов происходит последовательно и занимает длительное время из-за невозможности обеспечения автоматизации всех процессов, входящих в нее.
Нами выбрана концепция наведения излучения многоканального лазера в заданные точки мишени [RU 2601505 С1 «Способ наведения излучения многоканального лазера в заданные точки мишени и комплекс для его осуществления», МКП G02B 27/16, G21B 1/23; опубл. 10.11.2016].
Определение центра мишенной камеры в этой работе осуществляется с помощью ортогонально расположенных вне мишенной камеры двух пар соосных датчиков Д1, Д3 и Д2, Д4 в ее экваториальной плоскости, и датчиков Д5, Д6, расположенных соосно друг другу в области полюсов. Кубический имитатор мишени с зеркальными гранями и с оптическими метками используется для взаимной привязки датчиков. Сведение всех пучков многоканального лазера в заданные точки пространства и юстировку мишени осуществляют с помощью этих же шести датчиков, но используя другой кубический имитатор мишени, каждая грань которого имеет две области - центральную с матовой поверхностью и периферийную с зеркальной поверхностью, причем лазерные пучки наводят на центры граней этого имитатора мишени. Фокусировку и наведение пучков на точки граней имитатора мишени выполняют по командам автоматически, путем продольных перемещений фокусирующей линзы финального оптического модуля и угловых наклонов зеркал системы транспортировки. После чего имитатор мишени выводят из мишенной камеры и заводят бокс-конвертор с рабочей мишенью, затем мишень юстируют с помощью устройства позиционирования мишени и датчиков Д1-Д6.
Недостатком способа является невозможность перед каждым опытом проверять точность вбрасывания настроечного источника путем сравнения положения излучения настроечного источника и преобразованного излучению задающего генератора на матовой поверхности имитатора с помощью датчиков мишенной камеры.
Совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков заявляемого изобретения, присуща способу наведения преобразованного излучения многоканального лазера в заданные точки мишени, включающему позиционирование излучения вбрасываемого настроечного источника, частота которого совпадает с частотой преобразованного излучения установки [М.С. Глушков, И.И. Соломатин, А.В. Виноградов, А.В. Андраманов, Д.В. Бакайкин «Позиционирование источника излучения для настройки мишени в транспортном пространственном фильтре», Молодежь в науке. Сборник докладов 15-й научно-технической конференции, Саров, 2017 г.]. Способ включает в себя совмещение на входе преобразователя частоты по направлению излучения вбрасываемого настроечного источника, частота которого совпадает с частотой преобразованного излучения установки, с излучением настроечного источника, частота которого совпадает с частотой излучения установки, контроль совпадения направления излучения осуществляют при монтажной и периодической настройке с помощью регистрирующей аппаратуры по изображениям источников, далее, убрав регистрирующую аппаратуру, осуществляют настройку по излучению вбрасываемого источника, обеспечив попадание излучения канала лазерной установки в требуемую точку мишени.
В этой работе проанализированы все факторы, приводящие к отличию положения настроечного излучения на мишени от частотно преобразованного излучения канала лазерной установки. Сделан вывод о том, что если частота и поляризация настроечного источника совпадают с частотой и поляризацией преобразованного излучения лазерной установки, а направление настроечного излучения совпадает с направлением излучения лазерной установки на входе преобразователя частоты, различия положений соответствующих излучений на поверхности мишени не будет. Так же в работе описан стандартный монтажный способ совмещения направлений излучений разной частоты. К сожалению, этим способом невозможно контролировать совмещение в каждом опыте, поэтому потребовалось разрабатывать более оперативный и менее затратный способ.
Задачей, стоящей в рассматриваемой области техники, является создание способа, обеспечивающего точное сведение пучков многоканальной установки с преобразованием частоты в заданные точки мишени.
Техническим результатом, достигаемым за счет применения заявляемого способа, является автоматизация юстировки и наведения частотно преобразованного излучения канала лазерной установки на мишень, при которой увеличивается точность, упрощается и уменьшается время наведения, благодаря тому, что появляется возможность перед каждым опытом проверять точность вбрасывания настроечного источника и осуществлять эту операцию во всех каналах параллельно, что не приводит к увеличению общего времени настройки установки.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе наведения частотно преобразованного излучения канала лазерной установки на мишень, включающем совмещение на входе преобразователя частоты по направлению излучения вбрасываемого настроечного источника, частота которого совпадает с частотой преобразованного излучения установки, с излучением настроечного источника, частота которого совпадает с частотой излучения установки, контроль совпадения направления излучения осуществляют при монтажной и периодической настройке с помощью регистрирующей аппаратуры по изображениям источников, далее, убрав регистрирующую аппаратуру, осуществляют настройку по излучению вбрасываемого источника, обеспечив попадание излучения канала лазерной установки в требуемую точку мишени. Согласно изобретению, перед каждым опытом осуществляют контроль позиционирования вбрасываемого настроечного источника с помощью дополнительных обратных настроечных источников излучения, излучающих в направлении от мишени, конструктивно связанных с настроечными источниками, излучающими в направлении на мишень, по изображению обратных источников в камерах регистрирующих датчиков, входящих в состав лазерной установки.
Для контроля точности вбрасывания в каждом опыте, настроечный источник основной частоты, настроечный источник преобразованной частоты и выходная линза транспортного пространственного фильтра (ТПФ) снабжаются дополнительными (обратными) источниками излучения, направленными в сторону, противоположную излучению настроечных источников. Обратные источники регистрируются датчиком силового усилителя (ДСУ).
Наличие отличительных признаков в способе позволяет в каждом опыте контролировать точность вбрасывания настроечного источника, и при необходимости корректировать его положение.
Предложено источники первой и второй гармоник оснастить обратными источниками, при этом излучение прямых источников регистрируется, для периодической калибровки, камерой датчика точной диагностики (ДТД), а излучение обратных источников регистрируется камерой ДСУ. Включение в схему дополнительных (обратных) источников излучения, направленных в сторону, противоположную излучению настроечного источника обеспечивает контроль точности вбрасывания.
В качестве примера реализации способа, представлен стенд отработки вбрасывания настроечного источника излучения для установки с преобразованием рабочего излучения во вторую гармонику. Стенд включает в себя два настроечных источника излучения, линзу ТПФ, диагностический клин и два датчика, для регистрации излучения источников.
На Фиг. 1 представлена схема стенда отработки вбрасывания настроечного источника излучения второй гармоники, где:
1 - планка источника первой гармоники (горизонтальная, с пятью отверстиями);
2 - планка вбрасываемого источника второй гармоники (вертикальная, с тремя отверстиями);
3 - линза транспортного пространственного фильтра;
4 - диагностический клин;
5 - вогнутое зеркало датчика точной диагностики;
6 - камера датчика точной диагностики;
7 - линза датчика силового усилителя;
8 - камера датчика силового усилителя.
На Фиг. 2 представлена планка источника первой гармоники 1, где:
9 - вспомогательное центральное отверстие;
10 - лазерные диоды прямого источника первой гармоники;
11 - лазерные диоды обратного источника первой гармоники.
На Фиг. 3 представлена планка вбрасываемого источника второй гармоники 2, где:
12 - лазерный диод прямого источника второй гармоники;
13 - лазерные диоды обратного источника второй гармоники.
На Фиг. 4 представлено изображение прямых источников на камере датчика точной диагностики 6.
На Фиг. 5 представлены изображения диодов обратных источников первой гармоники на камере ДСУ 8.
На Фиг. 6 представлены изображения диодов обратных источников второй гармоники на камере ДСУ 8.
На Фиг. 7 представлены изображения диодов обратных источников линзы ТПФ на камере ДСУ 8.
Для пояснения заявляемого способа может служить установка, в качестве примера конкретного выполнения которой, выбран стенд вбрасываемого настроечного источника излучения второй гармоники. Схема стенда представлена на Фиг. 1.
Прямое излучение источников 1 и 2 проходит через линзу 3 и клин 4, далее фокусируется зеркалом 5 и регистрируется камерой 6. Обратное излучение перестраивается линзой 7 на камеру 8.
Стационарный настроечный источник первой гармоники расположен в фокусе линзы ТПФ 3 и выполнен в виде горизонтальной планки с пятью отверстиями 1.
Планка источника первой гармоники 1 представлена на Фиг. 2. Центральное отверстие 9 предназначено для предварительной настройки стенда. В симметричные периферийные отверстия установлены лазерные диоды 10 излучающие на основной частоте установки в сторону линзы ТПФ 3. Собственно источник излучения первой гармоники является виртуальным. Его ось является осью симметрии объединения излучений двух диодов 10 и проходит через центр отрезка соединяющего диоды. В симметричные внутренние отверстия установлены лазерные диоды 11, направленные в противоположную сторону и образующие виртуальный обратный источник первой гармоники. Частота настроечного источника совпадает с частотой излучения установки.
Частота излучения вбрасываемого настроечного источника второй гармоники 2 совпадает с частотой преобразованного излучения установки. Вбрасываемый источник расположен в соответствующем фокусе линзы ТПФ 3. Благодаря хроматизму материала, из которого выполнена линза, положения этих фокусов существенно отличаются. Источник представляет собой вертикальную планку с тремя отверстиями.
Планка вбрасываемого источника второй гармоники 2 представлена на Фиг. 3. В центральное отверстие установлен лазерный диод 12, реальный источник, излучающий на удвоенной частоте установки в сторону линзы ТПФ 3. В симметричные внешние отверстия установлены лазерные диоды 13, направленные в противоположную сторону и образующие виртуальный обратный источник второй гармоники. Все лазерные диоды и прямые и обратные установлены так, чтобы не перекрывать собой лучи от других лазерных диодов на матрицах цифровых камер 6 и 8.
На линзе ТПФ 3 установлены под углом 45° к горизонту два обратных лазерных диода направленных на камеру 8 датчика силового усилителя и образующих виртуальный геометрический центр линзы. На выходе линзы 3 излучение диодов прямых источников имеет плоский фронт (плоскопараллельно), так как они расположены в соответствующих фокусах линзы.
Диагностический клин 4 расположен за линзой ТПФ 3. Клин изготовлен из стекла К8 и имеет угол при вершине 24'. Клин повернут в горизонтальной плоскости на угол 45° и вершина клина ориентирована в горизонтальной плоскости так, чтобы лучи, проходящие через клин, отклонялись в горизонтальной плоскости (плоскости Фиг. 1).
После клина 4 размещено вогнутое сферическое зеркало 5 с f зер.=1200 мм. В фокальной плоскости зеркала 5 установлена цифровая камера 6, которая служит для определения величины угла между лучами источников 1 и 2. В качестве диагностического объектива камеры выбрано именно вогнутое зеркало, как элемент, не имеющий дисперсии. Камера 6 установлена на продольном трансляторе, что обеспечивает ее точную фокусировку.
Излучение источника первой гармоники 1 распространяется расходящимся пучком и приобретает на выходе линзы 3 плоский фронт. Излучение источника второй гармоники 2 так же распространяется расходящимся пучком и приобретает на выходе линзы 3 плоский фронт. Два этих плоских фронта не параллельны. После прохождения клина 4 фронты излучений источников остаются плоскими. Диагностический клин 4 отклоняет лучи источников 1 и 2 на разные углы. Поэтому, чтобы на выходе клина 4 лучи источников 1 и 2 распространялись параллельно друг другу, необходимо источник 2 сдвинуть относительно прямой, проходящей через источник I и оптический центр выходной линзы ТПФ 3 на расчетное значение 2,2 мм в горизонтальной плоскости, как показано на Фиг. 1. В этом случае плоские фронты источников становятся параллельными друг другу после прохождения диагностического клина 4. Другими словами, направления излучений двух источников совпадают на выходе клина. Контроль совпадения направлений происходит в фокусе зеркала с помощью камеры 6.
Изображение прямых источников на камере датчика точной диагностики 6 представлено на Фиг. 4. В центре - пятно прямого источника второй гармоники. По горизонтали справа и слева - пятна изображений диодов прямого источника первой гармоники.
Совмещение направлений распространения излучений вбрасываемого настроечного источника второй гармоники 2 и настроечного источника первой гармоники 1 осуществляется поперечным перемещением вбрасываемого источника 2.
Излучения обратных источников последовательно регистрируются датчиком силового усилителя. Линза ДСУ 7 перестраивает изображение обратных источников на камеру ДСУ 8. Камера ДСУ 8 установлена на продольном трансляторе, что обеспечивает ее перефокусировку с плоскости обратного источника первой гармоники на плоскость обратного источника второй гармоники и далее на плоскость линзы ТПФ 3. Камера 8 последовательно регистрирует три пары координат световых источников, их изображения представлены на Фиг. 1 (изображения диодов обратных источников первой гармоники), на Фиг. 2 (изображения диодов обратных источников второй гармоники) и Фиг. 3 (изображения диодов обратных источников линзы ТПФ).
Оцифровка изображений с камер позволяет получить три пары координат обратных источников. В результате вычислений получаются две величины поперечного смещения обратного источника второй гармоники относительно прямой, соединяющей обратный источник первый гармоники и обратный источник на линзе ТПФ. Эти две величины необходимо воспроизводить перед каждым опытом. Для определения этих величин необходима калибровка с участием блока точной диагностики, которую нужно проводить при монтаже и при любой замене элементов этой части оптической схемы.
В опытах датчик точной диагностики не участвует. Вся нагрузка по контролю вбрасывания настроечного источника ложится на датчик силового усилителя с камерой 8. Суть предложенного способа состоит в контроле возвращения вбрасываемого источника по камере 8, в отсутствии вогнутого зеркала 5 и камеры 6.
Настройка оптических схем всегда осуществляется с применением настроечных источников. Очень важно, чтобы положение самих источников было стабильным. В случае вбрасываемых источников, в отличие от стационарных, необходим контроль положения источника в режиме настройки. Особенно это важно для мощных импульсных установок. Каждый опыт стоит больших финансовых затрат и рабочего времени большого коллектива. Отсутствие контроля основных параметров приводит к большому риску неполучения результатов опыта. Применение заявленного способа позволяет гарантировать правильность положения источника для настройки мишени в каждом опыте, при этом практически не увеличивается общее время настройки установки.