RU2033570C1 - Imitator of illumination source - Google Patents
Imitator of illumination source Download PDFInfo
- Publication number
- RU2033570C1 RU2033570C1 SU5013570A RU2033570C1 RU 2033570 C1 RU2033570 C1 RU 2033570C1 SU 5013570 A SU5013570 A SU 5013570A RU 2033570 C1 RU2033570 C1 RU 2033570C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- light guide
- laser
- core
- light
- fiber
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
S
Изобретение относится к оптическому приборостроению, к имитаторам излучения; используемым для разнообразных целей, например, для проверок угломерных оптических устройств, оптико-электронных угломерных приборов ориентации.S
The invention relates to optical instrumentation, to radiation simulators; used for a variety of purposes, for example, for testing goniometric optical devices, optoelectronic goniometric orientation devices.
Известен имитатор, содержащий лазер и двухлинзовый расширитель лазерного пучка, состоящий из короткофокусной и длиннофокусной линз с совмещенными фокальными плоскостями. A known simulator containing a laser and a two-lens laser beam expander, consisting of short-focus and long-focus lenses with aligned focal planes.
Этот имитатор имеет следующие недостатки. Неравномерность освещенности в выходном пучке света за длиннофокусной линзой воспроизводит неравномерность освещенности в поперечном сечении лазерного пучка. Она достигает больших значений. Для одномодового пучка неравномерность описывается гауссовой кривой, а для многомодового неравномерность освещенности достигает 100% В имитаторе с двухлинзовым расширителем расходимость пучка уменьшается по сравнению с расходимостью лазерного пучка в (f2/f1) раз, где f1 и f2 фокусные расстояния короткофокусной и длиннофокусной линз. Стоящая на выходе длиннофокусная линза имеет большой диаметр, причем f2 >> f1. Но имитатор источника излучения должен обеспечивать расходимость пучка света такую же, как у натурного источника света. Например, пучок света от имитатора Солнца должен иметь расходимость ≈32'. Расходимость пучка света газовых и твердотельных кристаллических лазеров составляет единицы угловых минут, а после двухлинзового расширителя расходимость многократно уменьшится, и все устройство в целом неприемлемо.This simulator has the following disadvantages. The unevenness of illumination in the output light beam behind the telephoto lens reproduces the unevenness of illumination in the cross section of the laser beam. It reaches great values. For a single-mode beam, the non-uniformity is described by a Gaussian curve, and for a multi-mode beam, the irregularity of illumination reaches 100%. In a simulator with a two-lens extender, the beam divergence decreases (f 2 / f 1 ) times, where f 1 and f 2 are the focal lengths of short-focus and telephoto lenses. The long-focus lens at the exit has a large diameter, with f 2 >> f 1 . But the simulator of the radiation source must ensure the divergence of the light beam is the same as that of the natural light source. For example, a beam of light from a solar simulator should have a divergence of ≈32 '. The divergence of the light beam of gas and solid-state crystal lasers is units of angular minutes, and after a two-lens expander, the divergence will be many times reduced, and the whole device is generally unacceptable.
Нарушения в равномерности освещенности в поперечном сечении пучка света имитатора приводят к неверным оценкам угломерной инструментальной погрешности проверяемого прецизионного прибора ориентации. Violations in the uniformity of illumination in the cross section of the light beam of the simulator lead to incorrect estimates of the goniometric instrumental error of the verified precision orientation device.
Кроме того, газовые и твердотельные кристаллические лазеры имеют пульсации потока, которые устраняют, например, с помощью обратной связи, устанавливая в выходном пучке фотоприемник, подключенный к усилителю и блоку питания лазера. In addition, gas and solid-state crystal lasers have flow pulsations, which are eliminated, for example, by feedback, by installing a photodetector in the output beam connected to an amplifier and a laser power supply.
Известен имитатор, в котором радиально неравномерное распределение освещенности в слаборасходящемся пучке света устраняется сборкой из трех линз, в которой первая и третья линзы стеклянные, а вторая вогнуто-выпуклая, образована зазором между первой и третьей линзами, заполненным полупрозрачной желатиной. A simulator is known in which the radially uneven distribution of illumination in a weakly diverging light beam is eliminated by an assembly of three lenses, in which the first and third lenses are glass and the second is concave-convex, formed by a gap between the first and third lenses filled with translucent gelatin.
Недостатком этого устройства является нестойкость в эксплуатации (время, температура и прочие воздействия) оптических характеристик органической желатины, вследствие чего равномерность освещенности нарушается. Кроме того, конкретная форма зазора между линзами и оптические характеристики желатины не позволяют обеспечить точное выравнивание неравномерности освещенности в пучке с произвольным законом в радиальном направлении. The disadvantage of this device is the instability in operation (time, temperature and other influences) of the optical characteristics of organic gelatin, as a result of which the uniformity of illumination is violated. In addition, the specific form of the gap between the lenses and the optical characteristics of gelatins do not allow for accurate alignment of the unevenness of illumination in the beam with an arbitrary law in the radial direction.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному устройству является имитатор, содержащий источник излучения и рассеиватель светового пучка в виде плоскопараллельного пакета из стеклянных волокон. The closest in technical essence to the proposed device is a simulator containing a radiation source and a light beam diffuser in the form of a plane-parallel package of glass fibers.
Недостатки у этого имитатора следующие. Невозможно одновременно обеспечить необходимые расходимость рабочего пучка имитатора и большой поток. Поясним это примером. Пусть за волоконным пакетом установлен объектив, фокус которого расположен на выходной поверхности волоконного пакета. Расходимость θ рабочего пучка света за объективом определяется диаметром d светового пятна в фокусе объектива и его фокусным расстоянием f2:
θ arctg (1) Если источник света (например, лазер) излучает слаборасходящийся пучок света диаметром d, а диаметр d1 волокон в волоконном пакете d1 << d, то формула (1) для расходимости θ справедлива, если волокна в пакете разложены упорядоченно. Однако получить большой поток в рабочем пучке имитатора невозможно, так как поступающий на входную плоскость волоконной пластины мощный поток даст быстрый и большой (на сотни градусов) разогрев пластины из-за поглощения на оболочках волокон и межволоконных зазорах. Если же расширять диаметр d лазерного пучка света, чтобы уменьшить входную освещенность на пластине, то увеличится расходимость θ. Кроме того, излучение многих типов лазеров является поляризованным, а свет от натурных источников (Солнце, звезды и др.) неполяризованный.The disadvantages of this simulator are as follows. It is impossible to simultaneously provide the necessary divergence of the working beam of the simulator and a large flow. Let us illustrate this with an example. Let a lens be mounted behind the fiber bag, the focus of which is located on the output surface of the fiber bag. The divergence θ of the working light beam behind the lens is determined by the diameter d of the light spot at the focus of the lens and its focal length f 2 :
θ arctg (1) If a light source (for example, a laser) emits a weakly diverging light beam of diameter d, and the diameter d 1 of the fibers in the fiber packet is d 1 << d, then formula (1) for the divergence θ is valid if the fibers in the packet are arranged in an orderly manner. However, it is impossible to obtain a large flux in the working beam of the simulator, since the powerful flux entering the input plane of the fiber plate will give a fast and large (hundreds of degrees) heating of the plate due to absorption on the fiber sheaths and interfiber gaps. If we expand the diameter d of the laser light beam to reduce the input illumination on the plate, then the divergence θ will increase. In addition, the radiation of many types of lasers is polarized, and light from field sources (the Sun, stars, etc.) is unpolarized.
Целью изобретения является обеспечение необходимой расходимости в рабочем пучке света имитатора, увеличение потока и создание неполяризованного пучка света. The aim of the invention is to provide the necessary divergence in the working light beam of the simulator, increasing the flux and creating an unpolarized light beam.
Это достигается тем, что предложенный имитатор, содержит источник света, соединенный с блоком питания, светопровод, выходной торец которого расположен в фокусе объектива, фильтр с радиальным изменением плотности, установленный осесимметрично за объективом, фотоприемник, установленный в пучке света вне рабочей зоны сечения пучка света, причем фотоприемник подключен к дифференциальному усилителю, соединенному с блоком питания источника излучения, n лазеров, соединенных с n блоками питания лазеров, в него введен второй светопровод, причем первый светопровод образован из n одиночных волоконных жил, входной торец i-й волоконной жилы оптически соединен с излучающим зеркалом i-го лазера, где 1≅i≅n, с условием
Ψ>Ψ1, где Ψ arctg (2˙r1 ) > t
r1 радиус сердцевины волоконной жилы;
t размер зеркала на излучающем торце лазера;
Δ1 расстояние от зеркала лазера до входного торца жилы;
(2˙Ψ1) расходимость лазерного пучка света, а выходные n торцов волоконных жил соединены осесимметрично вместе, находятся в одной плоскости и направлены в одну сторону, причем сердцевины выходных торцов волокон расположены в круге с радиусом r2, второй светопровод выполнен с одним светопроводящим каналом с радиусом r3, r3 > > r2, входной торец второго светопровода расположен осесимметрично с выходным торцом первого светопровода с условием
Ψ2>Ψ3 где Ψ2= arctg,
Δ2 расстояние между входным торцом второго светопровода и выходным торцом первого светопровода;
Ψ3 апертурный угол волоконной жилы в первом светопроводе;
Ψ3= arcsin ,
nс показатель преломления сердцевины волоконной жилы в первом светопроводе,
nо показатель преломления оболочки волоконной жилы в первом светопроводе, кроме того, выходной торец второго светопровода установлен в фокусе объектива, фокусное расстояние f объектива находится из условия
f где θ- требуемая расходимость рабочего пучка света имитатора, а все n пар лазер входной конец жилы первого светопровода установлены соответственно в n поворотных устройствах с возможностью поворота каждой пары на угол от 0 до 90о вокруг оси, перпендикулярной излучающему зеркалу лазера.This is achieved by the fact that the proposed simulator contains a light source connected to a power supply unit, a light guide whose output end is located in the focus of the lens, a filter with a radial density change mounted axisymmetrically behind the lens, a photodetector installed in the light beam outside the working area of the light beam section moreover, the photodetector is connected to a differential amplifier connected to the power supply unit of the radiation source, n lasers connected to n power supply units of the lasers, a second light guide is inserted into it, and the first fiber is formed of n single fiber cores, the input end of the i-th fiber core is optically connected to the emitting mirror of the i-th laser, where 1≅i≅n, with the condition
Ψ> Ψ 1 , where Ψ arctg (2˙r 1 )> t
r 1 radius of the core of the fiber core;
t is the size of the mirror at the emitting end of the laser;
Δ 1 distance from the laser mirror to the input end of the core;
(2˙Ψ 1 ) the divergence of the laser light beam, and the output n ends of the fiber strands are connected axisymmetrically together, are in the same plane and directed in one direction, with the cores of the output ends of the fibers located in a circle with a radius r 2 , the second light guide is made with one light guide channel with a radius of r 3 , r 3 >> r 2 , the input end of the second fiber is located axisymmetrically with the output end of the first fiber with the condition
Ψ 2 > Ψ 3 where Ψ 2 = arctg ,
Δ 2 the distance between the input end of the second light guide and the output end of the first light guide;
Ψ 3 aperture angle of the fiber core in the first light guide;
Ψ 3 = arcsin ,
n with the refractive index of the core of the fiber core in the first light guide,
n about the refractive index of the sheath of the fiber core in the first light guide, in addition, the output end of the second light guide is installed in the focus of the lens, the focal length f of the lens is found from the condition
f where θ is the required divergence of the working light beam of the simulator, and all n pairs of laser input end of the first fiber core are installed in n rotary devices, respectively, with the ability to rotate each pair at an angle from 0 to 90 about an axis perpendicular to the emitting laser mirror.
Таким образом, предлагаемое техническое решение представляет собой совокупность существенных признаков, которые в сравнении с прототипом обладают новизной. Thus, the proposed technical solution is a combination of essential features that, in comparison with the prototype, have novelty.
Использование (волоконного) светопровода для передачи светового пучка от источника света в фокальную плоскость объектива известно. Однако использование соединения двух светопроводов, первый из которых разветвленный для сбора пучков света от нескольких лазеров, а второй с одним светопроводящим каналом для перемешивания пучков света, выходящих из первого светопровода, не известно. The use of a (fiber) light guide for transmitting a light beam from a light source to the focal plane of a lens is known. However, the use of the connection of two light guides, the first of which is branched to collect light beams from several lasers, and the second with one light guide channel for mixing light beams emerging from the first light guide, is not known.
Таким образом, такое техническое решение обладает существенными отличиями. Thus, such a technical solution has significant differences.
Обеспечение высокой величины светового потока в рабочем пучке имитатора и необходимой расходимости рабочего пучка света осуществляется необходимым количеством лазеров (т. е. и необходимым количеством ответвлений в первом светопроводе); подбором фокусного расстояния объектива с учетом диаметра второго светопровода; обеспечением геометрии стыковки торцов жил первого светопровода с источниками света и торцов первого и второго светопроводов. Ensuring a high value of the light flux in the working beam of the simulator and the necessary divergence of the working light beam is carried out by the required number of lasers (i.e., the necessary number of branches in the first light guide); selection of the focal length of the lens, taking into account the diameter of the second light guide; ensuring the geometry of the junction of the ends of the veins of the first light guide with light sources and the ends of the first and second light guides.
Создание неполяризованного пучка света обеспечивается разворотами лазеров и входных концов волоконных жил первого светопровода. The creation of an unpolarized light beam is provided by the turns of the lasers and the input ends of the fiber cores of the first light guide.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет получить новый положительный эффект. Thus, the proposed technical solution allows to obtain a new positive effect.
На фиг. 1 показана структурная схема имитатора; на фиг. 2 схематично изображен полупроводниковый лазер с его излучающим свет торцом; на фиг. 3 расположение входного торца одной из жил первого светопровода относительно излучающего торца лазера; на фиг. 4 выходной торец первого светопровода; на фиг. 5 взаимное расположение выходного торца первого светопровода и входного торца второго светопровода; на фиг. 6 индикатриса излучения лазера в плоскостях XY, перпендикулярной р-n-переходу лазера; на фиг. 7 индикатриса излучения лазера в плоскости ZY, параллельной p-n-переходу лазера; на фиг. 8 проекция зеркала лазера на сердцевину жилы входного торца первого светопровода; на фиг. 9 конкретный пример цепи обратной связи с дифференциальным усилителем. In FIG. 1 shows a block diagram of a simulator; in FIG. 2 schematically shows a semiconductor laser with its light emitting end; in FIG. 3 the location of the input end of one of the veins of the first light guide relative to the emitting end of the laser; in FIG. 4 output end of the first light guide; in FIG. 5 the relative position of the output end of the first light guide and the input end of the second light guide; in FIG. 6 indicatrix of laser radiation in XY planes perpendicular to the pn junction of the laser; in FIG. 7 indicatrix of laser radiation in the ZY plane parallel to the pn junction of the laser; in FIG. 8 projection of the laser mirror on the core core of the input end of the first light guide; in FIG. 9 is a specific example of a differential amplifier feedback loop.
Имитатор содержит n источников света (полупроводниковых лазеров) 1, 2, 3, запитанных от n блоков питания 4, 5, 6, первый разветвленный светопровод из n одиночных волоконных жил с входными концами 7, 8, 9, и общим выходным концом 10, второй светопровод 11 с одним светопроводящим каналом. Приблизительное количество лазеров, излучающих каждый по 0,5 Вт, равно n≈10. Каждый источник света 1, 2, 3, расположен осесимметрично относительно входных торцов жил 7, 8, 9, Выходной конец 10 расположен осесимметрично относительно входного торца светопровода 11. Выходной торец светопровода 11 расположен в фокусе объектива 12, имеющего фокусное расстояние f. За объективом 12 расположен оптический фильтр 13 с радиальным изменением плотности. В пучке света за выходным торцом светопровода 11 установлен фотоприемник 14, подключенный к дифференциальному усилителю 15, выход которого подключен к одному или нескольким блокам питания источника(ов) света. На фиг.1 это блок питания 6. The simulator contains n light sources (semiconductor lasers) 1, 2, 3, powered from
Полупроводниковый лазер имеет размер излучающего зеркала 16 (t x q). На фиг. 2 показана также система координат XYZ, привязанная к излучающему зеркалу лазера. К этой системе координат осуществлена привязка индикатрис излучения лазера в плоскостях XY и XZ. Одиночная волоконная жила 7 (8, 9,) первого светопровода состоит из сердцевины 17 и оболочки 18 и имеет плоский торец 19. Радиус сердцевины r1. Плоский выходной торец 20 выходного конца 10 светопровода объединяет n торцов жил 7, 8, 9, с помощью, например, эпоксидного клея 21. Сердцевины жил заключены внутри круга радиусом r2. Второй светопровод 11 может быть выполнен, например, или как волоконная жила с сердцевиной 22, оболочкой 23 и с плоским торцом 24 (см. фиг.5), или в виде полого зеркального канала.A semiconductor laser has an emitting mirror size of 16 (txq). In FIG. Figure 2 also shows the XYZ coordinate system attached to the laser emitting mirror. To this coordinate system, the indicatrixes of laser radiation are linked in the XY and XZ planes. A single fiber core 7 (8, 9,) of the first light guide consists of a
Выходной торец светопровода 11 также плоский. Торцы жил всех светопроводов перпендикулярны (до ±3о) осям жил вблизи торцов. Взаимное расположение торцов 20 и 24 осесимметричное относительно оси 25. Середина выходного торца светопровода 11 расположена в фокусе объектива 12. Фильтр 13, объектив 12 и выходной торец светопровода 11 осесимметричны. Ось 26 является осью симметрии при стыковке зеркала 16 и торца 19 для каждого из n стыков лазеров с волоконными жилами. Каждая пара лазер входной конец жилы (1-7, 2-8, 3-9,) могут разворачиваться вокруг оси 26 на угол от 0 до 90о с помощью приспособлений 27, 28, 29, Эти развороты можно осуществлять либо только лазеров, либо вместе с лазерами поворачивать и входные концы жил 7, 8, 9, Последний вариант удобнее, так как не будет нарушаться отъюстированное соединение лазера и волоконной жилы.The output end of the
Работу устройства рассмотрим на примере имитатора Солнца. Наиболее подходящим источником света для имитатора Солнца является полупроводниковый лазер на арсениде галлия. Мощность излучения лазера до 0,5 Вт на длине волны света 0,8 мкм. Мощность линейно зависит от питающего тока. Коэффициент полезного действия 0,3. Рабочая температура 10-15оС. При комнатной температуре мощность излучения приклеенного к массивному (медному) теплоотводу полупроводникового лазера снижается на 30% Типичные индикатрисы излучения лазера в плоскостях XY и XZ показаны соответственно на фиг.6, 7. Лазерное излучение поляризовано на 90% в плоскости XY. Ширина излучаемого спектра 20 . Излучение этого лазера стабильно, без пульсаций. В этом отношении определяется стабильностью блока питания. В качестве блоков питания могут использоваться покупные, например, ТЕС-15. Размер зеркала лазера t x q (100 мкм) х (1 мкм).We will consider the operation of the device using the example of a Sun simulator. The most suitable light source for a solar simulator is a gallium arsenide semiconductor laser. Laser radiation power up to 0.5 W at a wavelength of light of 0.8 microns. Power linearly depends on the supply current. The coefficient of performance is 0.3. Working temperature 10-15 ° C. At room temperature, the radiation capacity adhered to the massive (copper) heat sink of the semiconductor laser is reduced by 30% Typical indicatrix laser in XY and XZ planes are shown respectively in figure 6, 7. The laser radiation is polarized by 90% in the XY plane. Width of the emitted
Одно из свойств волоконной жилы состоит в том, что выходной пучок света из выходного торца жилы заполняет (осесимметрично) все коническое пространство, определяемое апертурой, независимо от угла падения света и его сходимости на входном торце (в пределах конуса с двойным апертурным углом в осевом сечении). Апертурный угол равен
arcsin , (1) где nc, no показатели преломления сердцевины и оболочки волоконной жилы.One of the properties of a fiber core is that the output light beam from the output end of the core fills (axisymmetrically) the entire conical space defined by the aperture, regardless of the angle of incidence of light and its convergence at the input end (within a cone with a double aperture angle in the axial section ) The aperture angle is
arcsin , (1) where n c , n o are the refractive indices of the core and sheath of the fiber core.
Солнечный свет естественный, не поляризованный. Лазерное излучение поляризованное. Волоконная жила 7 (8, 9,) не полностью деполяризует лазерное излучение. Поясним это на экспериментальном примере. Исследовалась волоконная жила с кварцевой сердцевиной диаметром 130 мкм и полимерной оболочкой, с апертурным углом 25о, длиной 700 мм. На входной торец посылался слаборасходящийся пучок света со 100%-ной поляризацией при нулевом угле падения (т. е. вдоль оси 26). За выходным торцом устанавливались поляризатор и фотоприемник. Фотоприемник неподвижный, а поляризатор поворачивался вокруг оси 26 на угол φот 0 до 90о. При этом сигнал U от фотоприемника при каких-то произвольных углах φ изменялся от максимального Uмакс до минимального Uмин.Sunlight is natural, not polarized. Laser radiation is polarized. Fiber core 7 (8, 9,) does not completely depolarize laser radiation. Let us explain this with an experimental example. We investigated the fiber core with a quartz core diameter of 130 microns and a polymeric shell, with the
Коэффициент деполяризации
(2) оказался у 10 волоконных жил равным 0,3-0,7.Depolarization coefficient
(2) it turned out at 10 fiber veins equal to 0.3-0.7.
Конкретное значение углов φ, при которых сигнал U принимает у каждой жилы значения Uмакс и Uмин, зависит от длины жилы, девиаций диаметра сердцевины по длине жилы, изгибов жилы.The specific value of the angles φ, at which the signal U takes at each core the values of U max and U min , depends on the length of the core, the deviation of the core diameter along the length of the core, the bends of the core.
Экспериментально были подтверждены следующие факты. The following facts were experimentally confirmed.
Если на входном торце жилы повернуть плоскость поляризации на угол Δ φ, то углы поворота поляризатора за выходным торцом жилы, при которых сигнал от фотоприемника равен Uмакс и Uмин, также изменяются на угол Δ φ.If at the input end of the core rotate the plane of polarization by the angle Δ φ, then the angles of rotation of the polarizer behind the output end of the core, at which the signal from the photodetector is U max and U min , also change by the angle Δ φ.
Это сохраняется как при повороте плоскости поляризации света относительно входного торца жилы, так и при совместном повороте плоскости поляризации и входного конца жилы. This is preserved both when the plane of polarization of light is rotated relative to the input end of the core, and when the plane of polarization and the input end of the core are rotated together.
Таким образом, чтобы рабочий пучок света 30 был практически полностью освобожден от влияния коэффициента деполяризации (2), необходимо произвести такие индивидуальные развороты пар лазеров (1, 2, 3,) и входных концов (7, 8, 9,), чтобы сигналы Uмакс (или Uмин) от каждого лазера, измеренные фотоприемником за выходным концом 10 через поляризатор, имели место при углах поворота поляризатора: от лазера 1 при угле φ= 0о, от лазера 2 при угле φ , от лазера 3 при угле φ 2· , от лазера i при угле φ (i-1)· .Thus, so that the working light beam 30 is almost completely freed from the influence of the depolarization coefficient (2), it is necessary to make such individual turns of the pairs of lasers (1, 2, 3,) and the input ends (7, 8, 9,) so that the signals U max (or U min ) from each laser, measured by the photodetector behind the output end 10 through the polarizer, took place at angles of rotation of the polarizer: from
Затем поляризатор и фотоприемник за выходным торцом убираются и производят стыковочную юстировку торцов 20, 24. Then the polarizer and the photodetector behind the output end face are removed and the ends are docked 20, 24.
Второй светопровод 11 не изменяет деполяризованного состояния света, поступившего из выходного конца первого светопровода. The second
Второй светопровод 11 осуществляет перемешивание n световых пучков, вышедших из торца 20 первого светопровода. The second
Большая величина потока в рабочем пучке света 30 обеспечивается большой величиной излучаемого потока (до 0,5 Вт) от каждого полупроводникового лазера; набором необходимого количества лазеров и соответствующим количеством жил в первом светопроводе; правильными стыковками лазеров с входными торцами жил первого светопровода и торцов 20, 24 первого и второго светопроводов; просветлением оптических поверхностей до коэффициента отражения значительно менее 1% Это удается, так как просветление монохроматическое. Кроме того, сердцевина второго светопровода 11 может быть исполнена конической с небольшим расширением в сторону объектива 12. Например, радиус сердцевины 22 на торце 24 равен r3, а на торце, обращенном к объективу 12, равен r4, причем r4 > r3.A large flux in the working light beam 30 is provided by a large radiated flux (up to 0.5 W) from each semiconductor laser; a set of the required number of lasers and the corresponding number of cores in the first light guide; the correct joints of the lasers with the input ends of the veins of the first optical fiber and the
В этом случае расходимость пучка света при выходе из светопровода 11 будет меньше двойного апертурного угла на величину
2·arctg где L длина светопровода 11.In this case, the divergence of the light beam at the exit from the
2 · arctg where L is the length of the
Коническое исполнение светопровода 11 может рекомендоваться в том случае, когда пучок света, поступающий на объектив 12, больше по диаметру, чем диаметр объектива 12, чтобы ввести весь поток в объектив. The conical design of the
На величину потока в пучке света 30 влияет и требуемая величина диаметра пучка 30 (требуемая для проверяемых в пучке света приборов), т.е. и диаметра объектива 12. Кроме того, имеются технологические ограничения при изготовлении линз со сферическими поверхностями (фокусное расстояние должно быть ≈1,5 раза больше диаметра линз). Последние обстоятельства нужно будет учитывать и при обеспечении необходимой расходимости рабочего пучка света. The magnitude of the flux in the light beam 30 is also affected by the required value of the diameter of the beam 30 (required for devices checked in the light beam), i.e. and the diameter of the lens 12. In addition, there are technological limitations in the manufacture of lenses with spherical surfaces (the focal length should be ≈1.5 times the diameter of the lenses). The latter circumstances will need to be taken into account while ensuring the necessary divergence of the working light beam.
Для максимальной передачи потока от лазера в жилу первого светопровода необходимо, чтобы расстояние Δ1 (см. фиг.3) обеспечило полное вхождение расходящегося пучка от лазера в сердцевину жилы. Диаметр сердцевины жилы должен быть больше размера излучающего зеркала лазера. Апертурный угол жилы должен быть не менее угла расходимости лазерного пучка.For maximum transfer of the flux from the laser to the core of the first fiber, it is necessary that the distance Δ 1 (see Fig. 3) ensures the complete entry of the diverging beam from the laser into the core of the core. The core core diameter should be larger than the size of the laser emitting mirror. The aperture angle of the core must be not less than the angle of divergence of the laser beam.
На фиг. 3 показана геометрия стыковки лазера и жилы в плоскости XZ. Указанные условия представляются формулой
Ψ arctg , (3) где 2˙ r1 > t;
r1 радиус сердцевины волоконной жилы первого светопровода;
t размер зеркала на излучающем торце лазера;
Δ1 расстояние от зеркала до входного торца жилы, причем должно быть
Ψ>(Ψ1макс), (4) Максимальное значение угла расходимости (Ψ1макс) в лазерном пучке света составляет (см. фиг.6, 7) в плоскости XY±25о, а в плоскости XZ±3о.In FIG. 3 shows the geometry of the docking of the laser and the core in the XZ plane. These conditions are represented by the formula
Ψ arctg , (3) where 2˙ r 1 >t;
r 1 the radius of the core of the fiber core of the first light guide;
t is the size of the mirror at the emitting end of the laser;
Δ 1 the distance from the mirror to the input end of the core, and should be
Ψ> (Ψ 1max ), (4) The maximum value of the divergence angle (Ψ 1max ) in the laser light beam is (see Fig. 6, 7) in the XY plane ± 25 о , and in the
Проверим условие (3) для плоскости XZ при r1 65 мкм, Δ1 10 мкм, t 100 мкм:
Ψ arctg 56°18′ причем 56o18' >> 3o, т.е. условие (4) выполнено.We verify condition (3) for the XZ plane at r 1 65 μm, Δ 1 10 μm, t 100 μm:
Ψ arctg 56 ° 18 ′ with 56 o 18 '>> 3 o , i.e. condition (4) is satisfied.
В перпендикулярном направлении проверке подлежит не плоскость XY, а параллельная ей и проходящая через конец зеркала лазера, т.е. отстоящая от плоскости XY на расстоянии t/2 (см. фиг.8), поскольку l< r1, а желательно обеспечить условие (3) для всех точек зеркала с размерами t x q(100 мкм) х (1 мкм). Находим
l мкм 41/5 мкм. Условие (3) приобретает вид
Ψ arctg arctg 76°18′, причем 76o18' > 25о, т.е. условие (4) выполнено.In the perpendicular direction, the XY plane is not subject to verification, but parallel to it and passing through the end of the laser mirror, i.e. spaced from the XY plane at a distance of t / 2 (see Fig. 8), since l <r 1 , but it is desirable to provide condition (3) for all points of the mirror with dimensions txq (100 μm) x (1 μm). We find
l μm 41/5 μm. Condition (3) takes the form
Ψ arctg arctg 76 ° 18 ′, with 76 o 18 '> 25 o , i.e. condition (4) is satisfied.
Условие стыковки второго светопровода с первым (см. фиг.5) для максимальной передачи светового потока записывается для углов Ψ2 и Ψ3:
Ψ2≥Ψ3 (5)
Ψ3= arcsin (6)
Ψ3 апертурный угол первого светопровода,
nc, no показатели преломления сердцевины и оболочки волоконной жилы в первом светопроводе;
Ψ2 arctg (7)
Δ2 расстояние между входным торцом 24 второго светопровода и выходным торцом 20 первого светопровода.The condition for joining the second light guide with the first (see Fig. 5) for maximum transmission of the light flux is recorded for angles Ψ 2 and Ψ 3 :
Ψ 2 ≥Ψ 3 (5)
Ψ 3 = arcsin (6)
Ψ 3 aperture angle of the first light guide,
n c , n o the refractive indices of the core and the sheath of the fiber core in the first light guide;
Ψ 2 arctg (7)
Δ 2 the distance between the
Проверим выполнение условия (5) на примере. Пусть r2 350 мкм, r3= 360 мкм, Δ2= 20 мкм (см. фиг.5).Let us verify the fulfillment of condition (5) using an example. Let r 2 350 microns, r 3 = 360 microns, Δ 2 = 20 microns (see figure 5).
Находим из выражения (7)
Ψ2 arctg arctg 0,5 26°31′. Следовательно, условие (5) выполнено, так как апертурный угол Ψ3 25одля волоконной жилы с кварцевой сердцевиной и полимерной оболочкой.Find from expression (7)
Ψ 2 arctg arctg 0.5 26 ° 31 ′. Therefore, condition (5) is satisfied, since the aperture angle is Ψ 3 25 о for a fiber core with a quartz core and a polymer shell.
Фокусное расстояние объектива 12 определим из формулы
f (8) в которой θ= 32' расходимость рабочего пучка света, равная солнечной. Получим
f 77,5 мм (9) Зададимся большим диаметром рабочего пучка 30 света, равным 60 мм. Площадь Р поперечного сечения пучка (круга диаметром 60 мм) равна Р 28 см2.The focal length of the lens 12 is determined from the formula
f (8) in which θ = 32 'the divergence of the working light beam is equal to the solar one. We get
f 77.5 mm (9) Let us set a large diameter of the working beam 30 of light equal to 60 mm. The cross-sectional area P of the beam (circle with a diameter of 60 mm) is equal to P 28 cm 2 .
Угол (2˙Ω) при вершине конуса, образованный лучами света из выходного торца светопровода 11 (т.е. из фокуса объектива 12) на края объектива 12, равен
(2·Ω) 2·arctg 2·arctg 2· (21°12′) (10) Если апертурный угол Ψ4 второго волоконного светопровода равен Ψ4= Ψ3= ±25о, то коэффициент "захвата" μпотока объективом 12 приблизительно равен μ 0,8.The angle (2˙Ω) at the top of the cone, formed by light rays from the output end of the light guide 11 (i.e., from the focus of the lens 12) to the edges of the lens 12, is
(2Ω) 2Arctg 2 · arctg 2 · (21 ° 12 ′) (10) If the aperture angle Ψ 4 of the second fiber optic fiber is Ψ 4 = Ψ 3 = ± 25 о , then the “capture” coefficient μ of the flux of lens 12 is approximately equal to μ 0.8.
От одного лазера в рабочем пучке 30 получается освещенность Е1:
E1= 0,0091 Вт/см2 (11) где τ1=τ2= 0,9 пропускание света первым и вторым светопроводами с просветленными торцами;
μ= 0,8;
τф 0,7 пропускание фильтра 13 с радиальным изменением плотности.From one laser in the working beam 30, the illumination E 1 is obtained:
E 1 = 0.0091 W / cm 2 (11) where τ 1 = τ 2 = 0.9 light transmission by the first and second light guides with enlightened ends;
μ = 0.8;
τ f 0.7 transmission filter 13 with a radial change in density.
В приборах ориентации на Солнце обычно используются кремниевые фотодиоды, спектральная чувствительность которых от 0,4 до 1,1 мкм. Внеатмосферная солнечная постоянная в этом спектре составляет
Е2 0,09 Вт/см2 (12) Следовательно, необходимое количество n лазеров для обеспечения величины (12) равно
n 10 шт. Поскольку лазерное излучение с длиной волны 0,8 мкм приходится на максимум спектральной чувствительности кремниевого фотодиода, то для получения от фотодиода сигнала, равного при засветке от Солнца, потребуется меньше десяти лазеров ( ≈8 лазеров).In solar orientation devices, silicon photodiodes are usually used, the spectral sensitivity of which is from 0.4 to 1.1 microns. The extra-atmospheric solar constant in this spectrum is
E 2 0.09 W / cm 2 (12) Therefore, the required number n of lasers to ensure the value of (12) is
n 10 pieces. Since laser radiation with a wavelength of 0.8 μm falls on the maximum spectral sensitivity of a silicon photodiode, it will take less than ten lasers (≈8 lasers) to obtain a signal from the photodiode, which is equal when illuminated from the Sun.
На фиг. 9 показан конкретный пример цепи обратной связи с дифференциальным усилителем 15, воспринимающим сигнал от фотодиода 14, для стабилизации уровня потока в рабочем пучке 30 света. Здесь имеется в виду стабилизация в течение нескольких часов и более. In FIG. 9 shows a specific example of a feedback circuit with a differential amplifier 15 receiving a signal from a photodiode 14 to stabilize the level of flux in the working light beam 30. This refers to stabilization for several hours or more.
Конструктивно фотоприемник 14 может быть установлен так, как показано на фиг. 1 или в другом месте. Например, вне конического пучка света с углом (2˙Ω), приходящим на объектив 12, но в отраженном от передней поверхности объектива 12 свете. Для этого небольшой участок передней поверхности ( ≈2х2 мм2) на краю объектива, на которую поступает свет из светопровода 11, не просветлять и фотоприемник установить в пучке света, отразившемся от этого не просветленного участка передней поверхности объектива. В другом варианте излучение можно отнести от объектива с помощью дополнительной волоконной жилы, с тем чтобы имелась возможность расположить фотоприемник и дифференциальный усилитель в термокамере со стабилизацией температуры.Structurally, the photodetector 14 can be mounted as shown in FIG. 1 or elsewhere. For example, outside a conical beam of light with an angle (2˙Ω) reaching the lens 12, but in the light reflected from the front surface of the lens 12. To do this, do not lighten a small portion of the front surface (≈2x2 mm 2 ) on the edge of the lens to which light from the
На фиг.9 показан пример цепи обратной связи. Фотодиод 14 (например, кремниевый, типа ФД20КП) шунтирован низкоомным резистором 31 с номиналом 1 кОм, чтобы режим работы фотодиода был вентильным. Опорное напряжение обеспечивает кремниевый стабилитрон 32 типа Д818Е. С помощью резисторов 33, 34 выравниваются сигналы на входах дифференциального усилителя 15 при необходимом уровне освещенности в рабочем пучке света имитатора и при исходном значении температуры в помещении, в котором расположен имитатор. Figure 9 shows an example feedback loop. The photodiode 14 (for example, silicon, type FD20KP) is shunted by a low-
Дифференциальный усилитель 15 исполнен на микpосхеме 544УД1А. Резисторы 35, 36 имеют номинал R1 9,1 кОм; резисторы 37, 38 имеют номинал R2 130 кОм.The differential amplifier 15 is executed on the 544UD1A microcircuit.
Блок питания 6 состоит из стабилизатора тока 39 и эмиттерного повторителя 40. The
Качество стабилизации потока в рабочем пучке света 30 с помощью цепи обратной связи зависит от температурной стабильности трех элементов: фотоприемника 14, дифференциального усилителя 15, стабилитрона 32. The quality of stabilization of the flux in the working light beam 30 using the feedback circuit depends on the temperature stability of three elements: a photodetector 14, a differential amplifier 15, a zener diode 32.
Температурный коэффициент изменения потока от лазера находится в диапазоне от 15 до 22оС
4,3 /°C (13) Изменение чувствительности кремниевых фотодиодов (ФД20КП и других) менее
0,4%/oC (14) Стабильность уровня напряжения стабилитрона Д818Е равна
±0,001% /K (15) Выходное напряжение Uвых с дифференциального усилителя равно
Uвых= (U2-U1)· , где U2 снимается с делителя из резисторов 33, 34,
U1 снимается с фотодиода 14. Оценим стабильность дифференциального усилителя 15.The temperature coefficient of variation of the flow from the laser is in the range from 15 to 22 about
4.3 / ° C (13) Sensitivity change of silicon photodiodes (FD20KP and others) less
0.4% / o C (14) The stability of the voltage level of the Zener diode D818E is
± 0.001% / K (15) The output voltage U o from the differential amplifier is
U o = (U 2 -U 1 ) where U 2 is removed from the divider from the
U 1 is removed from photodiode 14. Let us evaluate the stability of the differential amplifier 15.
dUвых= (U2-U1)· dR1 + dR
(U2-U1)· dR1 + dR. Запишем соотношение резисторов R1 и R2 как R2= k˙R1, где k const. Тогда
Uвых (U2- U1)· - dR1+ (k·dR1) 0 (16)
Дифференциальный усилитель не вносит дополнительной нестабильности, если резисторы R1 и R2 однотипные.dU o out = (U 2 -U 1 ) dR 1 + dR
(U 2 -U 1 ) dR 1 + dR . We write the ratio of resistors R 1 and R 2 as R 2 = k˙R 1 , where k const. Then
U o (U 2 - U 1 ) - dR 1 + (kdR 1 ) 0 (16)
A differential amplifier does not introduce additional instability if the resistors R 1 and R 2 are of the same type.
Поскольку величины (14), (15), (16) значительно менее величины (13), цепь обратной связи действительно выполняет стабилизирующую роль. Стабилизация потока станет еще лучше, если фотодиод 14, стабилитрон 32, усилитель 15 поместить в термостат, например, типа СЖМЛ-19/2,5 И1, ТУ 16-531.539-75, обеспечивающий сохранение температуры в диапазоне 30-250оС с точностью ±0,02оС.Since the quantities (14), (15), (16) are much less than the values (13), the feedback circuit really plays a stabilizing role. Stabilization of the flow will be even better if the photodiode 14, the zener diode 32, amplifier 15 placed in a thermostat, for example, type SZHML-19 / 2.5 I1, TU 16-531.539-75 providing preservation temperature in the range 30-250 ° C with an accuracy ± 0.02 about C.
В тех случаях, когда желательно герметизировать лазер, передача излучения от лазера к входному торцу 19 может быть осуществлена с помощью микролинзы. Передний фокус микролинзы совмещается с зеркалом 16 лазера, а для изображения зеркала 16 в заднем фокусе микролинзы в условии (4) изменяется физический смысл величин: Ψ1max это сходимость пучка света за микролинзой; t размер изображения зеркала в заднем фокусе микролинзы; Δ1 расстояние от изображения зеркала до входного торца жилы. Микролинза фактически состоит из двух линз, чтобы передать изображение из одного фокуса в другой. Вместо микролинз и объектива 12 можно использовать отражательную оптику (эллипсоиды, параболоиды др.).In cases where it is desirable to seal the laser, the transmission of radiation from the laser to the
Таким образом, предлагаемый имитатор имеет малые габариты из-за небольшого количества лазеров, их малого габарита и высокого КПД, позволяющего обойтись небольшими блоками питания и малую величину фокусного расстояния объектива для обеспечения солнечной расходимости в пучке света 30, так как диаметр сердцевины второго светопровода небольшой. Используя лазеры с излучением на разных длинах волн света, можно проводить аттестацию (приборов ориентации) в широко спектральной области. Ресурс полупроводниковых лазеров составляет 500-1000 ч, в то время как у распространенных в настоящее время на предприятиях имитаторов Солнца с ксеноновыми лампами ресурс ламп ≈50 ч. Thus, the proposed simulator has small dimensions due to the small number of lasers, their small size and high efficiency, which makes it possible to dispense with small power supplies and the small focal length of the lens to ensure solar divergence in the light beam 30, since the core diameter of the second light guide is small. Using lasers with radiation at different wavelengths of light, it is possible to carry out certification (orientation instruments) in a wide spectral region. The resource of semiconductor lasers is 500-1000 h, while the lamp life of ubiquitous at the enterprises of the Sun simulators with xenon lamps is ≈50 h.
Claims (1)
2 · r1 > t;
r1 радиус сердцевины волоконной жилы;
t размер зеркала на излучающем торце лазера;
Δ1 расстояние от зеркала лазера до входного торца жилы;
(2·Ψ1) расходимость лазерного пучка света,
а выходные n торцов волоконных жил соединены осесимметрично вместе, находятся в одной плоскости и направлены в одну сторону, причем сердцевины выходных торцов волокон расположены в круге радиусом r2, второй светопровод выполнен с одним светопроводящим каналом радиусом r3(r3 > r2), входной торец второго светопровода расположен осесимметрично с выходным торцом первого светопровода с условием Ψ2>Ψ3,
Δ2 расстояние между входным торцом второго светопровода и выходным торцом первого светопровода;
Ψ3 апертурный угол волоконной жилы в первом светопроводе,
ηс, ηo показатели преломления сердцевины и оболочки волоконной жилы в первом светопроводе,
кроме того, выходной торец второго светопровода установлен в фокусе объектива, фокусное расстояние f объектива находится из условия
где q требуемая расходимость рабочего пучка света имитатора,
а все n пар лазер входной конец волоконной жилы первого светопривода установлены соответственно в n поворотных устройствах с возможностью поворота каждой пары на угол от 0 до 90o вокруг оси, перпендикулярной излучающему зеркалу лазера.A RADIATION SOURCE SIMULATOR comprising a light source connected to a power supply unit, a light guide whose output end is located at the focus of the lens, a filter with a radial density change mounted axisymmetrically behind the lens, a photodetector installed in the light beam outside the working area of the light beam section, the photodetector being connected to the differential amplifier connected to the radiation source power supply, characterized in that the simulator contains n lasers connected to n laser power supplies, a second etoprivod, wherein the first svetoprivod fiber formed of n single fiber strands, the inlet end of the i-th optical fiber conductor coupled to the radiating mirror i-th laser where 1 ≅ i ≅ n, with the proviso Ψ> Ψ 1
2 · r 1 >t;
r 1 radius of the core of the fiber core;
t is the size of the mirror at the emitting end of the laser;
Δ 1 distance from the laser mirror to the input end of the core;
(2 · Ψ 1 ) the divergence of the laser light beam,
and the output n ends of the fiber strands are connected axisymmetrically together, are in the same plane and directed in one direction, with the cores of the output ends of the fibers located in a circle of radius r 2 , the second light guide is made with one light guide channel of radius r 3 (r 3 > r 2 ), the input end of the second optical fiber is located axisymmetrically with the output end of the first optical fiber with the condition Ψ 2 > Ψ 3 ,
Δ 2 the distance between the input end of the second light guide and the output end of the first light guide;
Ψ 3 aperture angle of the fiber core in the first light guide,
η s , η o the refractive indices of the core and the sheath of the fiber core in the first light guide,
in addition, the output end of the second light guide is installed in the focus of the lens, the focal length f of the lens is found from the condition
where q is the required divergence of the working light beam of the simulator,
and all n pairs of laser input end of the fiber core of the first light drive are installed respectively in n rotary devices with the ability to rotate each pair at an angle from 0 to 90 o around an axis perpendicular to the emitting laser mirror.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU5013570 RU2033570C1 (en) | 1991-11-20 | 1991-11-20 | Imitator of illumination source |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU5013570 RU2033570C1 (en) | 1991-11-20 | 1991-11-20 | Imitator of illumination source |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2033570C1 true RU2033570C1 (en) | 1995-04-20 |
Family
ID=21590055
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU5013570 RU2033570C1 (en) | 1991-11-20 | 1991-11-20 | Imitator of illumination source |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2033570C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2642005C2 (en) * | 2017-04-05 | 2018-01-23 | Анатолий Павлович Ефимочкин | Sunlight imitator (versions) |
-
1991
- 1991-11-20 RU SU5013570 patent/RU2033570C1/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Авторское свидетельство СССР N 693749, кл. F 21V 7/00, 1977. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2642005C2 (en) * | 2017-04-05 | 2018-01-23 | Анатолий Павлович Ефимочкин | Sunlight imitator (versions) |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10114213B2 (en) | Laser systems and optical devices for manipulating laser beams | |
US7769258B2 (en) | Optical element and system using the same | |
US6636540B2 (en) | Optical turn for monitoring light from a laser | |
US7068883B2 (en) | Symmetric, bi-aspheric lens for use in optical fiber collimator assemblies | |
US10641966B2 (en) | Free space grating coupler | |
US6744566B2 (en) | Symmetric, bi-aspheric lens for use in transmissive and reflective optical fiber components | |
IE48151B1 (en) | A fixed optical attenuator for light rays guided by optical fibres | |
JP2018524762A (en) | Illuminator | |
US20220011194A1 (en) | Large core apparatus for measuring optical power in multifiber cables | |
CN112840176A (en) | Detector for determining a position of at least one object | |
KR100763974B1 (en) | Method and apparatus for aligning optical axis for wavefront sensor for mid-infrared band | |
US6654518B1 (en) | Tap output collimator | |
US6600845B1 (en) | Integrated parallel transmitter | |
US5301249A (en) | Catoptric coupling to an optical fiber | |
CN111722421A (en) | Optical isolator and laser | |
US5701373A (en) | Method for improving the coupling efficiency of elliptical light beams into optical waveguides | |
RU2033570C1 (en) | Imitator of illumination source | |
WO2020018160A1 (en) | Methods and systems for spectral beam-combining | |
JPWO2017199367A1 (en) | Optical fiber laser module, lighting device and therapeutic device | |
US6748139B2 (en) | Coupler utilizing a diffractive optical element for coupling light to an optical waveguide | |
CN219610994U (en) | Light source device and module | |
Best et al. | Shedding light on hybrid optics: A tutorial in coupling | |
US20150331196A1 (en) | Smart ar coated grin lens design collimator | |
US11231529B2 (en) | Light source for projection display | |
WO2023276026A1 (en) | Optical element provided with attenuation region, and manufacturing method thereof |