ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА НАВЕДЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ ЮСТИРОВОЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ МНОГОКАНАЛЬНОГО ЛАЗЕРА
OPTICAL-ELECTRONIC SYSTEM OF GUIDANCE AND REGISTRATION OF ADJUSTING RADIATION OF MULTICHANNEL LASER

Изобретение относится к оптической технике, а именно к многоканальным излучателям и может быть использовано для наведения пучков излучения на мишень при подготовке ее к физическим экспериментам.
В лазерной физике при исследованиях различных процессов, например, конверсии лазерного излучения в рентгеновское излучение, физики нагрева и сжатия плазмы и других явлений при взаимодействии излучения с веществом, как за рубежом [1-3], так и в России [4-6], актуальны задачи юстировки лазерных пучков на многоканальной лазерной установке. Одной из таких проблем юстировки является создание систем обеспечения возможности автоматического наведения лазерных пучков многоканальной лазерной установки на мишень в кубической симметрии облучения. Задачи юстировки, которые необходимо решить при подготовке мишени к физическим экспериментам на многоканальной лазерной установке, можно разделить на три части. Это определение, фиксация и воспроизведение координат центра сферической вакуумной камеры взаимодействия излучения с мишенью - мишенной камеры (МК); сведение и фокусировка пучков лазерных каналов в заданные точки имитатора мишени в центральной области МК и юстировка самой мишени.
Известно устройство 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)]. При юстировке излучения пучков лазерных каналов установки LMJ в заданные точки мишени используют ряд устройств: шесть зрительных труб с приемниками излучения (SOPAC) вне камеры, многофункциональное устройство с вращающимся зеркалом и источником юстировочного излучения автоколлимационного канала (CR), помещенное в центральную область МК, и приемники юстировочного излучения для автоколлимационного канала устройства (AS), расположенные в конце секции усилителя вблизи пространственного фильтра каждого канала лазерной установки.
Недостатками такого устройства наведения лазерных пучков на мишень и юстировки мишени является сложность конструкции CR и AS, большое количество AS и SOPAC, а также то, что при использовании этого устройства отсутствует возможность регистрации юстировочного излучения в заданных точках мишени, большая длительность процедуры наведения и фокусировки лазерных пучков на мишень из-за отсутствия возможности одновременной юстировки нескольких пучков (больше одного) юстировочного излучения.
Известна оптико-электронная система наведения и регистрации излучения многоканального лазера в заданные точки мишени [Пат.RU №2601505, МПК G02B 27/16 G21B 01/23, приор. 07.09.2015], выбранная нами в качестве прототипа по большинству существенных признаков. Оптико-электронная система включает устройство дистанционного определения и контроля координат центра мишенной камеры из имитатора мишени, установленного в центре мишенной камеры, двух датчиков (далее датчиков центра камеры), установленных вне мишенной камеры под углом 90° друг к ДРУГУ, каждый из которых состоит из оптико-электронной системы с автоколлимационной визирной трубой, коллиматором, излучателем и приемником, устройство наведения пучков на мишень с датчиками мишени и исполнительными механизмами перемещений зеркал и линз систем транспортировки выходного оптического модуля многоканальной установки, устройство позиционирования имитатора мишени и мишени в мишенной камере.
Конструкция комплекса наведения излучения выглядит следующим образом. Вокруг мишенной камеры размещены 6 одинаковых датчиков, четыре из которых расположены в экваториальной плоскости под углом 90° друг другу, а два других - в области полюсов мишенной камеры соосно друг другу, при этом общая ось расположенных напротив друг друга датчиков в отъюстированном положении проходит через центр мишенной камеры. Все шесть датчиков на разных этапах юстировки при подготовке мишени к физическим экспериментам являются как датчиками устройства дистанционного определения и контроля координат центра мишенной камеры (датчиками центра камеры), так и датчиками устройства наведения пучков и контроля юстировки излучения на имитаторе мишени (датчиками мишени). Кроме того, дополнительно введены устройство автоматической обработки изображений и автоматизированный блок формирования команд исполнительным органам перемещения зеркал и линз систем транспортировки выходного оптического модуля каждого лазерного канала.
При этом имитатор мишени устройства дистанционного определения и контроля координат центра мишенной камеры выполнен в виде куба с зеркальными гранями и оптическими метками на них для наведения, а в устройство наведения пучков в заданные точки пространства включен кубический имитатор мишени, грани которого выполнены с двумя областями - центральной с матовой поверхностью, периферийной с зеркальной поверхностью, размер ребер соответствует диаметру бокс-конвертора мишени, устройство позиционирования имитатора мишени с метками и мишени снабжено автоматизированной системой управления положением мишени.
Основным недостатком данной оптико-электронной системы является отсутствие возможности регистрации юстировочного излучения в заданной точке пространства, что не позволяет контролировать количество одновременно наведенных пучков в эту точку и точность их юстировки.
Экспериментально нами было показано, что для точного совмещения (до ±1 мкм) координат центра тяжести изображения [7] лазерного пятна на грани имитатора мишени с центром метки, необходимо метку выполнить в виде окна в зеркальном покрытии на грани имитатора мишени с размерами порядка дифракционного размера лазерного пятна при его фокусировке в центр окна с учетом угла падения на грань кубического имитатора мишени лазерных пучков.
При этом нами найдена возможность проводить количественную оценку качества юстировки падающих пучков излучения в области метки кубического имитатора мишени при размещении приемной площадки фотоприемника в имитаторе мишени. Такой подход позволил различать количество сфокусированных пучков в одном окне и получить критерий оценки качества юстировки в непрерывном режиме.
Технический результат предлагаемого изобретения состоит в том, что оно позволяет с высокой (до ±1 мкм) точностью сводить и фокусировать все пучки лазерных каналов в заданные точки имитатора мишени, а также обеспечить контроль требуемой точности наведения каждого в отдельности и одновременно всех наведенных пучков лазерного излучения в заданную точку пространства.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в оптико-электронной системе наведения и регистрации юстировочного излучения многоканального лазера, система наведения излучения в заданные точки мишени, включающая камеру, устройство дистанционного определения и контроля координат центра камеры из установленного в центре камеры кубического имитатора мишени с метками на каждой из шести зеркальных граней и датчиков центра камеры, установленных вне камеры под углом 90° друг к другу, каждый из которых состоит из визирной трубы с приемником, коллиматора с излучателем и приемником, устройство контроля юстировки пучков на имитаторе мишени с датчиками мишени, устройство позиционирования имитатора мишени и мишени в камере, исполнительные узлы перемещения зеркал и линз систем выходного оптического модуля многоканальной установки для транспортировки и фокусировки лазерного пучка в заданную точку пространства, новым является то, что метки имитатора мишени выполнены в виде окон с размером равным дифракционному размеру сфокусированного лазерного пятна на грани имитатора, а сам имитатор выполнен со световодным приемником излучения прошедшего через окна и соединен с измерителем мощности излучения (п. 1 Формулы изобретения).
Для мишеней стандартного размера, например, для криогенных мишеней непрямого облучения с бокс-конвертором до 10 мм, в заявляемом устройстве имитатор мишени может быть выполнен с введенными внутрь куба световодами с диаметром световолокна не менее диаметра окна, плоскость и центр входного торца каждого из которых совмещены с плоскостью и центром окна на каждой грани куба, при этом выходные торцы световодов соединены с многоканальным измерителем мощности излучения (п. 2 Формулы изобретения).
Для мишеней малого размера, например, для криогенных мишеней с бокс-конвертором до 5 мм, в заявляемом устройстве имитатор мишени может быть выполнен из рассеивающего для юстировочного излучения материала с введенным внутрь куба в одну из его вершин световодом, а выходной торец световода соединен с измерителем мощности излучения (п. 3 Формула изобретения).
Для мишеней миниатюрного размера, например, для мишеней прямого облучения до 3 мм, в заявляемом устройстве имитатор мишени может быть выполнен из прозрачного для юстировочного излучения материала с зеркальным покрытием граней, выполненным многослойным, внутренний слой которого рассеивает излучение каждого пучка, прошедшего внутрь куба, и в одну из вершин куба введен световод, а выходной торец световода соединен с измерителем мощности излучения (п. 4 Формулы изобретения).
Наличие новой совокупности существенных признаков в заявленном устройстве позволяет:
- одновременно и с высокой точностью сводить и фокусировать все пучки лазерных каналов в заданные точки имитатора мишени в центральной области МК;
- обеспечить контроль требуемой точности наведения каждого отдельно и одновременно всех наведенных пучков лазерного излучения в заданную точку пространства;
- повысить быстродействие и автоматизацию процесса юстировки многоканальных лазерных установок.
На фиг. 1а показана схема размещения элементов заявленной оптико-электронной системы наведения лазерных пучков с помощью кубического имитатора мишени, где светодиод 1, конденсор 2, визирная сетка 3, светоделитель 4 измерительного канала, светоделитель 4' автоколлимационного канала, зеркало 5, объектив 6 датчика центра камеры и датчика мишени, кубический имитатор мишени (зеркальный куб со световодом) 7, цифровая камера 8, объектив 9 выходного оптического модуля, стенка 10 мишенной камеры, герметизирующая пластина 11, датчик 12 центра камеры и мишени; вакуумный затвор 13, световод 14, измеритель 15 мощности юстировочного излучения;
- оптическая ось;  - объектив.
На фиг. 1б показана конструкция датчика центра камеры и датчика мишени 12. На фиг. 2 представлена схема устройства кубического имитатора 7 мишени со световодом (КИМС), где окно 16 на зеркальной грани кубического имитатора, световолокно 17, объектив 9 выходного оптического модуля, пятно 18 лазерного излучения, зеркальное покрытие 19 грани кубического имитатора, кабель (жгут со световодами) 14, коннектор 20 с входным торцем световолокна, коннектор 21 ввода излучения в измеритель мощности, угол а между нормалью к грани куба и оптической осью выходного оптического модуля лазерного канала, держатель 22;
- направление излучения в световоде.
На фиг. 3 представлен фотоснимок конструкции КИМС, где зеркальный куб 7 с отверстиями на гранях и портом РС1, световод 14, выполненный на основе оптический вилки - соединителя со световолокном ММ 62.5/125 и портом РС2.
На фиг. 4 представлен фотоснимок конструкции КИМС и измерителя мощности, где зеркальное покрытие 19 грани куба 7 выполнено многослойным, внутренний слой которого рассеивает излучение каждого пучка, прошедшего внутрь куба с отверстиями на гранях и портом РС1, световод 14 (оптический соединитель со световод окном ММ 62.5/125 с портом РС2), измеритель 15 мощности излучения OE-200-SI FS (FC) / FEMTO Amplifier Modules (PS-15-25-L) с выходом на блок обработки сигналов БОС1/192.
Работа заявляемой оптико-электронной системы наведения и регистрации юстировочного излучения многоканального лазера приводится на примере конкретного исполнения системы, разработанной на нашем предприятии.
Работа заявленной оптико-электронной системы с кубическим имитатором мишени со световодом (КИМС) состоит из трех этапов:
- определение, фиксация и воспроизведение координат центра сферической вакуумной камеры взаимодействия излучения с мишенью - мишенной камеры (МК);
- сведение и фокусировка с регистрацией юстировочного излученияпучков лазерных каналов в заданные точки имитатора мишени в центральной области МК;
- юстировка самой мишени.
Этап 1. Юстировочные операции на этапе определения центра МК с помощью датчиков центра мишенной камеры с зеркальными гранями известны [6] и соответствуют описанию нахождения и контроля центра МК, приведенному в прототипе.
Этап 2. Для работы заявленной оптико-электронной системы при ее использовании на этапе наведения излучения и регистрации юстировочных лазерных пучков многоканальной лазерной установки в заданные точки имитатора мишени в состав оптико-электронной системы для наведения и регистрации излучения лазерных пучков в заданные точки мишени входят следующие узлы:
- датчики мишени - 6 шт., из них 4 шт. расположены ортогонально в горизонтальной (экваториальной) плоскости мишенной камеры и 2 шт. в полюсах мишенной камеры. Каждый из этих датчиков 12 (фиг. 1) содержит коллиматор со световым диаметром линзового объектива 6 порядка D=300 мм и задним фокальным отрезком f'=2236 мм, излучатель 1 и приемники 8 и 8', работающие на длине волны 530 нм. Датчики 12 регистрируют различные объекты с разрешением менее 20,0 мкм (3-4 пикселя ПЗС приемника) в пространстве предметов вблизи центра мишенной камеры. Путем регистрации оптических меток на гранях имитатора 7 мишени датчики 12 мишени определяют ориентацию кубического имитатора 7 мишени относительно выбранной системы координат, связанной с центром МК;
эри
- кубический имитатор мишени со световодом (КИМС) - 1 шт. При этом, если проводят подготовку к эксперименту со стандартными криогенными мишенями непрямого облучения, то используют вариант заявленного кубического имитатора 7 по п. 2 Формулы изобретения со световодом 14. Он представляет собой куб из алюминиевого сплава АМг6 с размером ребра 10±0,005 мм, на каждой грани куба с зеркальным покрытием 19 в ее центре имеется оптическая метка 16 - круглое отверстие диаметром порядка 150 мкм, с координатами центра этого отверстия, совпадающими с координатами центра грани куба (и, соответственно, являющиеся координатами одной из заданных точек мишени - например, центра отверстия бокс-конвертора криогенной мишени). Диаметр отверстий на гранях выбран для размера сфокусированного лазерного пятна 18 на грани (D ≈ 150 мкм), исходя из условия использования объектива выходного оптического модуля 9 дифракционно ограниченного качества с учетом допустимой погрешности юстировки центра тяжести изображения лазерного пятна каждого канала (±1 мкм). При этом каждая грань куба на КИМС является зеркальной поверхностью, (фиг. 2).
Вариант заявленного кубического имитатора со световодом по п. 3 Формулы изобретения используют для малых мишеней размером до 5 мм. Он отличается от заявленного кубического имитатора со световодом КИМС по п. 1 тем, что кубический имитатор мишени 7 выполнен из рассеивающего для юстировочного излучения материала (оптического стекла МС12) с введенным внутрь куба в его вершину одним световодом 14, а выходной торец этого световода соединен с одноканальным измерителем мощности излучения 15, (фиг. 3).
Вариант заявленного кубического имитатора со световодом КИМС по п. 4 Формулы изобретения применяют для сверхмалых (миниатюрных) мишеней прямого облучения размером до 3 мм. Он отличается от заявленного кубического имитатора со световодом КИМС по п. 1 тем, что кубический имитатор мишени 7 выполнен из прозрачного для юстировочного излучения материала (кварцевого стекла КУ-1) с введенным внутрь куба в его вершину световодом 14, выходной торец световода соединен с измерителем мощности излучения 15, а зеркальное покрытие грани 19 выполнено многослойным, внутренний слой которого рассеивает излучение каждого пучка, прошедшего внутрь куба, (фиг. 4).
Перечень котировочных операций на этапе 2 наведения и регистрации излучения котировочных лазерных пучков многоканальной лазерной установки в заданные точки имитатора мишени состоит из:
- предварительной монтажной юстировки источников юстировочного излучения. Методы такой юстировки известны и соответствуют их описанию, приведенному в прототипе;
- предварительной монтажной юстировки иллюминаторов мишенной камеры. Методы такой юстировки известны и соответствуют их описанию, приведенному в прототипе;
- юстировки датчиков 12 центра камеры и определение центра мишенной камеры 10. Методы такой юстировки известны и соответствуют их описанию, приведенному в прототипе;
- юстировки датчиков мишени (6 шт.) и КИМС, совмещения оптических осей датчиков мишени с осями XYZ координатной системы мишенной камеры, центр которой совпадает с найденным центром мишенной камеры. Методы такой юстировки известны и соответствуют их описанию, приведенному в прототипе;
- грубой юстировки лазерных пучков в заданные 6 точек пространства камеры. Методы такой юстировки известны и соответствуют их описанию, приведенному в прототипе;
- точной юстировки пучков в заданные 6 точек пространства камеры, соответствующие центрам отверстий кубического имитатора 7 мишени с заявленной точностью регистрации.
Работа заявленной оптико-электронной системы для точной юстировки лазерных пучков в заданные 6 точек пространства камеры, соответствующие центрам отверстий 15 кубического имитатора 7 мишени происходит следующим образом.
КИМС вводят устройством позиционирования имитатора мишени и юстируют механизмами мишенного узла (гексаподом) путем регистрации на всех датчиках мишени 12 окон на гранях куба имитатора мишени 7 так, что для датчиков мишени 12 в экваториальной плоскости МК и в полюсах МК изображения центра отверстия на соответствующей грани куба 7 совпадают с центром приемной площадки приемника 8. Юстировочные пучки каждого канала фокусируют и сводят в центр каждой из шести граней куба 7 путем продольных перемещений фокусирующей линзы объектива 9 выходного оптического модуля и угловых заклонов соответствующих зеркал системы транспортировки.
При регистрации на всех датчиках мишени 7 изображения окон на гранях куба КИМС и лазерных пятен 18 юстировочного излучения каждого канала при их попадании на окно 16, то есть в отверстие на грани куба, регистрируют часть излучения, прошедшего внутрь куба КИМС и поступившего на входной торец световода с помощью измерителя оптической мощности 15.
Затем в устройстве обработки поступившего сигнала сравнивают уровень сигнала с опорным сигналом, уровень которого соответствует максимальному уровню при отъюстированном положении каждого лазерного пучка юстировочного излучения соответствующего канала. Величину отклонения от максимального уровня выдают на блок автоматизированной системы управления для проведения продолжения фокусировки и перемещения лазерного пятна до полного совпадения координат центра лазерного пятна 18 с координатами центра отверстия 16 на грани кубического имитатора 7 мишени.
Аналогично проводят точную юстировку других лазерных каналов с помощью заявленного имитатора мишени на соответствующей грани КИМС.
По окончании точной юстировки всех лазерных каналов установки в заданные точки кубического имитатора 7 мишени проводят контроль точности одновременно всех пучков юстировочного излучения для всех граней сравнением суммарного уровня всех сигналов прошедшего внутрь юстировочного излучения с максимальным уровнем суммарного сигнала от всех пучков при их отъюстированном положении.
Этап 3. Юстировку самой мишени проводят по окончании юстировки лазерных пучков на КИМС. Методы такой юстировки известны и соответствуют их описанию, приведенному в прототипе.
Таким образом, заявляемое изобретение при повышении точности юстировки каждого пучка лазерного излучения многоканальной установки и контроле отсутствия разъюстировки настроенных каналов в процессе настройки и одновременном контроле точности юстировки всех каналов, позволяет решить весь комплекс юстировочных задач, которые стоят при подготовке мишени к физическим экспериментам на многоканальной лазерной установке:
- определение, фиксация и воспроизведение координат центра сферической мишенной камеры;
- сведение и фокусировка пучков лазерных каналов в заданные точки в центральной области камеры;
- юстировка самой мишени.
Литература
1. D.H.Kalantar, P.Di Nicola, N.Shigleton et.al. An overview of target and diagnostic alignment at the National Ignition Facility. Proc.of SPIE, v. 8505, 850509 (2012).
2. P.Di Nicola, D.Kalantar, T.Mccarville et.al. Beam and target alignment at the NIF using Target Alignment Sensor (TAS). Proc. of SPIE, v. 8505, 850508 (2012).
3. Andre M.L. «The French Megajoule Laser Project (LMJ)», Fusion engineering and design A, vol. 44, pp. 43-49 (1999).
4. Бельков C.A., Долголева Г.В. Определение параметров мишени для получения 1017 нейтронов за импульс при энергии лазера 300 кДж //Квантовая электроника. 1998. Т. 25, №1. С. 49-52.
5. Абзаев Ф.М., Бельков С.А., Бессараб А.В. и др. Исследования по непрямому (рентгеновскому) облучению высокоаспектных оболочечных микромишеней на установке «Искра-5»//ЖЭТФ. 1998. Т. 114, вып.1(7). С. 155-170.
6. Бельков С.А., Вензель В.И., Калашников Е.В., Соломатин И. И., Чарухчев А.В. Определение центра камеры взаимодействия многоканальной лазерной установки // Опт.журнал. 2014. Т. 81, №9. С. 46-51.
7. Фисенко В.Т., Фисенко Т.Ю. Компьютерная обработка и распознавание изображений: учебное пособие. СПб: СПбГУ ИТМО. 2008. 192 с.