RU2011206C1

RU2011206C1 - Method of forming laser radiation plane wave for locating remote objects and device for effecting the method

Info

Publication number: RU2011206C1
Authority: RU
Inventors: И.Г. Зубарев; С.И. Михайлов; В.Г. Смирнов
Original assignee: Физический институт им.П.Н.Лебедева
Priority date: 1988-09-08
Filing date: 1988-09-08
Publication date: 1994-04-15

Abstract

FIELD: quantum radio physics. SUBSTANCE: device has a laser the radiation of which passes through a Polaroid, quarter-wave plate, telescope and is returned to the Polaroid by a selective mirror and is reflected by the Polaroid to wave front reversing mirror through a non-linear crystal and amplifier, a plane wave with polarization orthogonal to polarization of reflected radiation being passed through the non-linear crystal simultaneously with the reflected radiation. EFFECT: reduced phase distortions introduced by optic medium due to passing laser radiation through the optic medium three times, the third time at a frequency of second harmonic with reversed wave front. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к технике квантовой радиофизики и касается вопросов разработки способов и создания лазерных систем, предназначенных для локации удаленных объектов. The invention relates to techniques for quantum radiophysics and relates to the development of methods and the creation of laser systems designed to locate remote objects.

Известны способы локации, включающие генерацию лазерного излучения, которое направляется с помощью поворотного зеркала в телескоп. В телескопе излучение расширяется до заданных размеров, улучшается его расходимость и оно направляется на исследуемый объект [1,2] . Оба эти способа идентичны и обладают общим недостатком: в них не компенсируются фазовые искажения, обусловленные погрешностями изготовления телескопа. Known methods of location, including the generation of laser radiation, which is sent using a rotary mirror to the telescope. In a telescope, the radiation expands to a given size, its divergence improves, and it is directed to the object under study [1,2]. Both of these methods are identical and have a common drawback: they do not compensate for phase distortions caused by manufacturing errors of the telescope.

Более близким является способ локации (Proceedinos of the international conference of earth rotation and the terrestrial reference frame, frame, July31-dugust 2, 1985, Columbus, Ohio 1, p. 251), в котором лазерное излучение заводится в телескоп через центральное отверстие в зеркальном объективе телескопа. Этому способу присущ тот же недостаток, так как и в нем не компенсируются фазовые искажения самого крупного оптического элемента - телескопа. Closer is the location method (Proceedinos of the international conference of earth rotation and the terrestrial reference frame, frame, July31-dugust 2, 1985, Columbus, Ohio 1, p. 251), in which the laser radiation is introduced into the telescope through a central hole in telescope mirror lens. This method has the same drawback, since it does not compensate for phase distortions of the largest optical element - the telescope.

Наиболее эффективными способами компенсации фазовых искажений являются способы, в которых реализуется явление ОВФ (обращение волнового фронта). Принцип компенсации фазовых искажений основан на том, что излучение дважды пропускается через фазоискажающий объект в прямом в обратном направлениях. При этом, распpостpаняясь в прямом направлении, излучение как бы записывает фазовые искажения. При распространении в обратном направлении после отражения от ОВФ зеркала в обращенном виде, искажения компенсируются и фронт волны принимает первоначальную форму. Однако такая методика компенсации не может быть использована в способе локации, так как для ее реализации потребовалось бы создать еще один телескоп, с помощью пластинки (фиг. 1) завести излучение от этого телескопа в другой телескоп 3 и далее в ОВФ зеркало 4. Но как видно, при этом искажения телескопа 2 не компенсируются. The most effective methods of compensating for phase distortions are methods in which the phase conjugation phenomenon (wavefront reversal) is realized. The principle of phase distortion compensation is based on the fact that radiation is transmitted twice through a phase-distorting object in the forward and backward directions. In this case, propagating in the forward direction, the radiation, as it were, records phase distortions. When propagating in the opposite direction after reflection from the phase conjugation mirror in a reversed form, the distortions are compensated and the wave front takes its original shape. However, such a compensation technique cannot be used in the location method, since for its implementation it would be necessary to create another telescope, use the plate (Fig. 1) to bring the radiation from this telescope into another telescope 3 and then into phase conjugation mirror 4. But how it can be seen that the distortions of the telescope 2 are not compensated.

Наиболее близким является способ формирования излучения, в котором производится пропускание лазерного излучения через оптическую среду в одном направлении, обращение волнового фронта излучения с изменением знака фазового искажения оптической средой на противоположный, пропускание обращенного излучения в обратном направлении и компенсации искажения фазы излучения в процессе этого второго его пропускания через оптическую среду. Полученное излучение содержит небольшие фазовые искажения и используется для локации. The closest is the method of generating radiation, in which the laser radiation is transmitted through the optical medium in one direction, the wavefront of the radiation is reversed, the phase distortion of the optical medium is reversed, the reverse radiation is transmitted, and the radiation phase distortion is compensated during this second transmission through the optical medium. The received radiation contains small phase distortions and is used for location.

Цель изобретения - уменьшение фазовых искажений, вносимых неоднородной оптической средой. The purpose of the invention is the reduction of phase distortion introduced by an inhomogeneous optical medium.

Цель достигается тем, что излучение трижды испытывает отражения от каждого из зеркал телескопа. Для этого лазерное излучение направляют в телескоп, прошедшее излучение возвращают назад селективным зеркалом, плотным для излучения, и направляют его через нелинейный кристалл и усилитель в ОВФ зеркало. При этом через нелинейный кристалл одновременно пропускают опорное излучение - плоскую волну с поляризацией, ортогональной по отношению к поляризации излучения отраженного от селективного зеркала, а отраженное от ОВФ зеркала и усиленное излучение преобразуют во вторую гармонику и вновь пропускают через телескоп и затем через селективное зеркало, прозрачное для второй гармоники. The goal is achieved in that the radiation experiences reflections from each of the telescope mirrors three times. To do this, the laser radiation is sent to the telescope, the transmitted radiation is returned back by a selective mirror that is dense for radiation, and it is directed through a nonlinear crystal and amplifier into the phase conjugation mirror. In this case, reference radiation is simultaneously passed through a nonlinear crystal — a plane wave with a polarization orthogonal to the polarization of the radiation reflected from the selective mirror, and the mirrors reflected from the phase conjugation and amplified radiation are converted into the second harmonic and again passed through a telescope and then through a selective mirror, transparent for the second harmonic.

Предложенный способ обладает новизной и существенными отличиями, так как не известны другие технические решения, где для компенсации фазовых искажений телескопа, излучение три раза испытывает отражения от его зеркал, причем третий раз на удвоенной частоте и с обращенным волновым фронтом. The proposed method has novelty and significant differences, since other technical solutions are not known where, to compensate for the phase distortions of the telescope, the radiation is reflected three times from its mirrors, and the third time at a double frequency and with a reversed wavefront.

Устройство, которое взято в качестве прототипа, содержит лазер, светоделитель, формирующую оптику и телескоп, в который излучение заводится через отверстие в зеркальном объективе, недостатком его является наличие фазовых искажений, обусловленных точностью изготовления телескопа. The device, which is taken as a prototype, contains a laser, a beam splitter, forming optics and a telescope into which radiation is introduced through a hole in the mirror lens, its disadvantage is the presence of phase distortions due to the accuracy of manufacture of the telescope.

Для их устранения устройство содержит плотное для лазерного излучения зеркало, первое селективное зеркало прозрачное для излучения и плотное для второй гармоники, поляроид, две пластины λ/4, второе селективное зеркало, отражающее лазерное излучение и пропускающее вторую гармонику, нелинейный кристалл, усилитель, ОВФ зеркало. При этом поляроид образует три пути распространения лазерного излучения, на первом из них за поляроидом по ходу распространения излучения перед телескопом размещена пластина λ/4 и за телескопом расположено второе селективное зеркало перпендикулярно направлению распространению, на втором оптическом пути распространения отраженного от селективного зеркала излучения размещены за поляроидом нелинейный кристалл, усилитель и ОВФ зеркало, на третьем пути, сооосным со вторым, по другую сторону от поляроида размещена вторая пластина λ/4 и плотное зеркало, а первое селективное зеркало нанесено на отражающую поверхность поляроида. To eliminate them, the device contains a mirror dense for laser radiation, a first selective mirror transparent for radiation and dense for the second harmonic, a polaroid, two λ / 4 plates, a second selective mirror reflecting laser radiation and transmitting the second harmonic, nonlinear crystal, amplifier, phase conjugation mirror . In this case, the polaroid forms three laser radiation propagation paths; on the first of them, a λ / 4 plate is placed in front of the telescope in front of the telescope and the second selective mirror is perpendicular to the propagation direction, and the second optical path of radiation reflected from the selective mirror is placed behind a polaroid nonlinear crystal, amplifier, and phase conjugation mirror, on the third path, coaxial with the second, the second λ / 4 plate is placed on the other side of the polaroid Noah mirror, and the first selective mirror is applied to the reflective surface of the polaroid.

Изобретение поясняется фиг. 1 и 2. The invention is illustrated in FIG. 1 and 2.

Устройство (фиг. 2) содержит: лазер 1, поляроид 2, пластины λ/4 3,8, нелинейный кристалл 4, ОВФ зеркало с усилителем 5, телескоп 6, селективные зеркала 7, 10. Элементы 1, 2, 3, 6, 7 расположены на одной оптической оси. При этом зеркало 7 расположено перпендикулярно этой оси. Элементы 4, 5 размещены на другой оптической оси, образованной поляроидом 2, элементы 8, 9 - на продолжении второй оптической оси, причем зеркало 9 расположено перпендикулярно оптической оси. Селективное зеркало 10 нанесено на отражающую поверхность поляроида. The device (Fig. 2) contains: laser 1, polaroid 2, λ / 4 3.8 plates, nonlinear crystal 4, phase conjugation mirror with amplifier 5, telescope 6, selective mirrors 7, 10. Elements 1, 2, 3, 6, 7 are located on one optical axis. In this case, the mirror 7 is perpendicular to this axis. Elements 4, 5 are placed on another optical axis formed by polaroid 2, elements 8, 9 are on the continuation of the second optical axis, and the mirror 9 is perpendicular to the optical axis. A selective mirror 10 is applied to the reflective surface of the polaroid.

Взаимное расположение элементов обеспечивает работу устройства (фиг. 2) следующим образом. Излучение лазера 1 с круговой поляризацией частично проходит через поляроид 2, через пластину λ/4 - 3 и телескоп 6 до селективного зеркала 7, расположенных на одной оптической оси, и частично отражается на зеркало 9 через вторую пластину λ/4. Зеркала 7 и 9 возвращают излучение в обратном направлении до поляроида 2, в ОВФ зеркало с усилителем 5 через кристалл 4. При этом интенсивность излучения выбирается ниже пороговой для преобразования в КПД. Отразившись от ОВФ зеркала и усилившись в усилителе, излучение вновь попадает в КПД, где преобразуется во вторую гармонику и зеркалом 10 направляется по пути начального распространения до селективного зеркала 7, которое является прозрачным для второй гармоники. Таким образом, лазерное излучение дважды проходит через телескоп на длине волны лазера. При этом набег фазы окажется пропорционален K˙2Δ l (1), где K - волновой вектор, равный 2 π/λ, Δ l - величина изменения оптического пути из-за неточности изготовления. После обращения волнового фронта и удвоения частоты оно еще раз пройдет через телескоп и обратный набег будет равняться

Δl , т. е. 2 ˙K˙Δ l, что равно (1), т. е. искажения компенсируются.The relative position of the elements ensures the operation of the device (Fig. 2) as follows. The radiation of a circularly polarized laser 1 partially passes through a polaroid 2, through a λ / 4 - 3 plate and a telescope 6 to a selective mirror 7 located on one optical axis, and partially reflects on a mirror 9 through a second λ / 4 plate. Mirrors 7 and 9 return radiation in the opposite direction to polaroid 2, in the phase conjugation mirror with amplifier 5 through crystal 4. Moreover, the radiation intensity is selected below the threshold for conversion to efficiency. Reflected from the phase conjugation of the mirror and amplified in the amplifier, the radiation again falls into the efficiency, where it is converted to the second harmonic and is directed by the mirror 10 along the initial propagation path to the selective mirror 7, which is transparent to the second harmonic. Thus, the laser radiation passes through the telescope twice at the laser wavelength. In this case, the phase incursion will be proportional to K˙2Δ l (1), where K is the wave vector equal to 2 π / λ, Δ l is the magnitude of the change in the optical path due to manufacturing inaccuracy. After reversing the wavefront and doubling the frequency, it will again pass through the telescope and the reverse incursion will be

Δl, i.e., 2 ˙K˙Δ l, which is equal to (1), i.e., distortions are compensated.

Устройство, в котором реализуется предложенный способ локации, должно содержать мощный лазер, например, неодимовый с круговой поляризацией излучения и с интенсивностью I_н ≈ 100 МВт/см², в качестве удвоителя частоты использовать кристалл КДП, а усилитель должен увеличивать интенсивность до величины, необходимой для эффективного преобразования излучения во вторую гармонику I_y ≈ 0,5 ГВт/см², с учетом эффективности отражения от ОВФ зеркала η ≈ 20 % .A device that implements the proposed location method should contain a powerful laser, for example, a neodymium with circular polarization of radiation and with an intensity I _n ≈ 100 MW / cm ² , use a KDP crystal as a frequency doubler, and the amplifier should increase the intensity to the value necessary for effective conversion of radiation into the second harmonic I _y ≈ 0.5 GW / cm ² , taking into account the reflection efficiency from the phase conjugation of the mirror η ≈ 20%.

Таким образом, предлагаемый способ и устройство для его осуществления позволяют компенсировать фазовые искажения крупномасштабных оптических элементов (телескопа) при создании лазерных локаторов. А так как это самый крупный и самый дорогостоящий оптический элемент, к точности изготовления которого существенно снижаются требования, то и экономический эффект будет тем выше, чем более крупномасштабный телескоп необходим для локации какого-либо удаленного объекта. (56) 1. Воронцов М. А. Шмальгаузен "Принципы адаптивной оптики. М. : Наука, 1985, с. 39-40. Thus, the proposed method and device for its implementation can compensate for phase distortion of large-scale optical elements (telescope) when creating laser locators. And since this is the largest and most expensive optical element, the manufacturing accuracy of which is significantly reduced, the economic effect will be higher, the larger the telescope is needed to locate any remote object. (56) 1. Vorontsov M.A. Schmalhausen "Principles of adaptive optics. M.: Nauka, 1985, pp. 39-40.

2. То же, с. 81-82. 2. The same, p. 81-82.

Claims

1. A method of generating a plane wave of laser radiation for locating distant objects, based on the generation of laser radiation, passing it through the optical medium in the first direction, reversing the wavefront of the radiation, compensating for distortion of the radiation phase, characterized in that, in order to reduce phase distortion introduced optical medium, in it, before the wavefront reverses, laser radiation is transmitted in the second direction opposite to the first, this radiation is mixed with reference radiation with polarization, orthogonal polarization of the laser radiation in the second direction, amplify the received radiation, and after reversing the wavefront of the radiation, emit the second harmonic of the radiation, and compensate for the distortion of the radiation phase by transmitting the second harmonic of radiation in the first direction.

2. A device for generating a plane wave of laser radiation for locating distant objects, containing optically coupled laser, a beam splitter, forming optics and a telescope, characterized in that a selective mirror and a first λ / 4 plate, transparent to the second harmonic of radiation, are introduced into it and the beam splitter is made in the form of a polaroid with a selective mirror, the forming optics is in the form of a wavefront reversing mirror with an amplifier, optically coupled to a nonlinear crystal, and a mirror, an optical and coupled to the second λ / 4 plate, the first face of the polaroid optically coupled to a laser, the second face optically coupled to the second λ / 4 plate, the third face optically coupled through the λ / 4 plate to the telescope, and the fourth face optically coupled to a nonlinear crystal .