RU2042080C1

RU2042080C1 - Sun simulator

Info

Publication number: RU2042080C1
Application number: RU92012680A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Семенович Черемухин; Тамара Дмитриевна Черемухина
Original assignee: Геннадий Семенович Черемухин; Тамара Дмитриевна Черемухина
Priority date: 1992-12-17
Filing date: 1992-12-17
Publication date: 1995-08-20

Abstract

FIELD: optical instrumentation engineering. SUBSTANCE: sun simulator has three light sources, three two-lens systems, orifice diaphragm, dull plate and two filters with radial change of light transmission. Simulator is used for check of Earth orientation devices in infra-red range of spectrum. EFFECT: extended radiating spectrum, angular size of 32′ of light beam and enhanced radiating power. 3 cl, 3 dwg, 3 tbl

Description

Изобретение относится к оптическому приборостроению, к имитаторам излучения, используемым для проверок приборов ориентации на Землю в инфракрасном диапазоне спектра с длинами волн света

25 мкм (инфракрасных вертикалей ИКВ).The invention relates to optical instrumentation, to radiation simulators used for checking instruments of orientation to the Earth in the infrared range of the spectrum with light wavelengths

25 microns (infrared verticals IKV).

Известен имитатор Солнца, содержащий ксеноновую лампу с кварцевой колбой, объектив, смеситель (пакет из линзовых элементов гексагонального сечения). A well-known imitator of the Sun, containing a xenon lamp with a quartz bulb, a lens, a mixer (a package of lens elements of hexagonal section).

Имитатор обеспечивает солнечную расходимость пучка света θ 32^' и внеатмосферный уровень солнечной освещенности.The simulator provides the solar divergence of the light beam θ 32 ^' and the extra-atmospheric level of solar illumination.

Недостатком этого имитатора является ограниченный спектральный диапазон излучения, длинноволновая граница которого определяется краем пропускания кварцевой колбы на длине волны света λ≈ 3 мкм. The disadvantage of this simulator is the limited spectral range of radiation, the long-wavelength boundary of which is determined by the transmission edge of the quartz bulb at a wavelength of light λ≈ 3 μm.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является имитатор, содержащий источник света, рассеиватель, диафрагму с щелью, объектив. The closest in technical essence to the claimed device is a simulator containing a light source, a diffuser, a diaphragm with a slit, a lens.

Недостатками этого имитатора являются малая мощность излучения в рабочем пучке света за объективом, так как после рассеивателя на щель приходит небольшая часть потока от источника света; различная расходимость света в пучке света за объективом в плоскостях: параллельной щели и в перпендикулярной к ней. The disadvantages of this simulator are the low radiation power in the working light beam behind the lens, since after the diffuser a small part of the flux from the light source comes into the slit; different divergences of light in the light beam behind the lens in the planes: parallel to the slit and perpendicular to it.

Целью изобретения являются расширение спектра излучения, обеспечение углового размера θ32^' пучка света имитатора и повышение мощности излучения.The aim of the invention is to expand the radiation spectrum, providing an angular size θ32 ^{'of the} simulated light beam and increasing the radiation power.

Цель достигается тем, что в известном имитаторе, содержащем три источника слаборасходящихся пучков света, ослабляющие фильтры за первым и вторым источниками, в качестве первого источника света использован лазер со спектральным составом излучения в области длины волны света λ₁ в качестве второго источника света использован лазер со спектральным составом излучения в области длины волны света λ₂ в качестве третьего источника света использован спектральный прибор со спектральным составом излучения в области длин волн света от λ₃ до λ₄,λ₁>λ₄,λ₃≅λ₂≅λ₄, за ослабляющим фильтром второго источника слаборасходящегося пучка света соосно установлена первая двухлинзовая система с совмещенными фокусами лиз, оптические оси первого источника и первой двухлинзовой системы перпендикулярны и пересекаются, в области пересечения установлен первый смеситель пучков света, в котором плоскость смещения пучков света расположена под углами 45^о к осям первого и второго источников света, за первым смесителем соосно с первым источником света последовательно установлена вторая двухлинзовая система с совмещенными фокусами линз, первый оптический фильтр с радиальным изменением пропускания света, за второй двухлинзовой системой последовательно установлены плоскопараллельная пластина, третья двухлинзовая система с совмещенными фокусами линз, первый и второй оптические фильтры с радиальным изменением пропускания, причем обращенная к первому источнику света поверхность плоскопараллельной пластины матовая и установлена перпендикулярно оси первого источника света, в фокальной плоскости третьей двухлинзовой системы установлена диафрагма с отверстием, отверстие соосно с третьей двухлинзовой системой и осью первого источника света, диаметр D отверстия и фокусное расстояние f₄ выходной линзы в третьей двухлинзовой системе связаны соотношением
θ arctg (D/f₄), первый оптический фильтр имеет осесимметричное радиальное изменение пропускания света для длины волны λ₁ и является прозрачным для света с длиной волны λ₂ второй оптический фильтр имеет осесимметричное радиальное изменение пропускания света для длины волны λ₂ и является прозрачным для света с длиной волны λ₁ оба фильтра установлены соосно с третьей двухлинзовой системой, оптические оси третьей двухлинзовой системы и третьего источника света перпендикулярны и пересекаются, в области их пересечения установлен второй смеситель пучков света, в котором плоскость смешивания пучков расположена под углами 45^о к осям третьей двухлинзовой системы и третьего источника света, первый оптический фильтр выполнен в виде плосковыпуклой линзы, дополненной до плоскопараллельной пластины с помощью вогнутоплоской линзы, причем плосковыпуклая линза выполнена из вещества, прозрачного на длине волны света λ₂ и имеющего область края пропускания на длине волны света λ₁, например CaF₂ или CdF₂, а вогнуто-плоская линза выполнена из вещества, прозрачного на обеих длинах волн света, λ₁ и λ₂ например, Na₃AlF₆, второй оптический фильтр выполнен в виде тонкой пленки на подложке, вещества тонкой пленки и подложки прозрачны на обеих длинах волн света, λ₁ и λ₂ геометрическая толщина пленки осесимметрично уменьшается в радиальном направлении от значения t₁ в центре фильтра до значения t₂на расстоянии r от центра фильтра, где r радиус сечения пучка света имитатора инфракрасного диапазона, причем, если показатель преломления n₂ пленки (например, n₂ 2,55 у ZnSe) меньше показателя преломления n₃подложки (например, n₃ 4 у Ge), то

а если показатель преломления n₂ пленки (например, n₂ 2,55 у ZnSe) больше показателя преломления n₃ подложки (например, n₃ 1,5 у ThF₄), то

Таким образом, предлагаемое техническое решение представляет собой совокупность существенных признаков, которые в сравнении с прототипом обладают новизной.The goal is achieved by the fact that in the known simulator containing three sources of slightly diverging light beams attenuating the filters behind the first and second sources, a laser with a spectral composition of radiation in the region of the light wavelength λ ₁ is used as the first light source, a laser with the spectral composition of the radiation in the region of the wavelength of light λ ₂ as a third light source used a spectral device with the spectral composition of the radiation in the region of the wavelength of light from λ ₃ to λ ₄ , λ ₁ > λ ₄ , λ ₃ ≅ λ ₂ ≅ λ ₄ , behind the attenuating filter of the second source of weakly diverging light beam, the first two-lens system with aligned focal points lis is coaxially mounted, the optical axes of the first source and the first two-lens system are perpendicular and intersect, the first beam mixer is installed in the intersection region light, in which the plane of displacement of the light beams is located at angles of 45 ^° to the axes of the first and second light sources, the second double lens is sequentially installed behind the first mixer coaxially with the first light source the first system with combined lens foci, the first optical filter with a radial change in light transmission, a plane-parallel plate is sequentially installed behind the second two-lens system, the third two-lens system with combined lens foci, the first and second optical filters with a radial transmission, and the surface facing the first light source the plane-parallel plate is matte and installed perpendicular to the axis of the first light source, in the focal plane of the third two-lens system Credited orifice, hole coaxially with the third two-lens system and the axis of the first light source, the hole diameter D and the focal length f ₄ of the exit lens in the third two-lens system are related by
θ arctan (D / f ₄ ), the first optical filter has an axisymmetric radial change in light transmission for a wavelength of λ ₁ and is transparent for light with a wavelength of λ _{2 the} second optical filter has an axisymmetric radial change in light transmission for a wavelength of λ ₂ and is transparent for light with a wavelength λ _1, both filter mounted coaxially with the third two-lens system, the optical axis of the third two-lens system and the third light source are perpendicular and intersect in the region of their intersection set of the second mixture eh light beams, wherein the plane mixing beams disposed at angles of ⁴⁵ ° to the axes of the third two-lens system and the third light source, the first optical filter is made as a plano-convex lens supplemented to parallel plate via vognutoploskoy lenses and plano-convex lens made of a material transparent at a wavelength of light λ ₂ and having a transmission edge region at a wavelength of light λ ₁ , for example CaF ₂ or CdF ₂ , and a concave-flat lens made of a substance transparent at both wavelengths of light, λ ₁ and λ _2, for example, Na ₃ AlF ₆ , the second optical filter is made in the form of a thin film on the substrate, the substances of the thin film and the substrate are transparent at both wavelengths of light, λ ₁ and λ _{2 the} geometric thickness of the film decreases axially symmetrically in the radial direction from the value t ₁ in the center of the filter to a value of t ₂ at a distance r from the center of the filter, where r is the radius of the light beam of the infrared simulator, and if the refractive index n _{2 of the} film (for example, n ₂ 2.55 in ZnSe) is less than the refractive index n _{3 of the} substrate (for example, n ₃ 4 for Ge), then

and if the refractive index n _{2 of the} film (for example, n ₂ 2.55 for ZnSe) is greater than the refractive index n _{3 of the} substrate (for example, n ₃ 1.5 for ThF ₄ ), then

Thus, the proposed technical solution is a combination of essential features that, in comparison with the prototype, have novelty.

Использование имитаторов Солнца с ксеноновыми (и другими) лампами в спектральной области с длинами волн света менее 3 мкм известно. Использование матовых и молочных пластин, работающих на пропускание, как рассеиватели света, известно. The use of solar simulators with xenon (and other) lamps in the spectral region with light wavelengths less than 3 microns is known. The use of translucent matte and milk plates as light diffusers is known.

Однако совместное использование лазеров и имитаторов с ксеноновыми лампами, плоскопараллельной пластины с входной матовой поверхностью, установленной перед двухлинзовой системой с совмещенными фокусами линз, последовательно установленных фильтров с радиальным изменением пропускания в различных областях спектра не известно. However, the joint use of lasers and simulators with xenon lamps, a plane-parallel plate with an input matte surface, mounted in front of a two-lens system with combined lens foci, sequentially installed filters with radial transmission variation in different spectral regions is not known.

Таким образом, заявленное техническое решение обладает существенными отличиями. Thus, the claimed technical solution has significant differences.

Повышение мощности излучения в рабочем пучке света имитатора Солнца инфракрасного диапазона, расширение спектрального состава света в рабочем пучке имитатора и обеспечение углового размера θ рабочего пучка света, равного солнечному, осуществляется использованием мощных лазеров и имитатора Солнца с ксеноновой (или другой) лампой, излучающих в различных областях спектра, двухлинзовых преобразователей размеров пучка света, матовой пластины большой площади перед двухлинзовой системой с установкой диафрагмы с отверстием соответствующего диаметра в фокусе двухлинзовой системы. Increasing the radiation power in the working light beam of the infrared solar simulator, expanding the spectral composition of the light in the working beam of the simulator and ensuring the angular size θ of the working light beam equal to the sun, is carried out using high-power lasers and a solar simulator with a xenon (or other) lamp emitting in various areas of the spectrum, two-lens converters of dimensions of the light beam, a matte plate of a large area in front of the two-lens system with the installation of a diaphragm with a hole, respectively about the diameter of the focus of a two-lens system.

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 показано устройство имитатора Солнца; на фиг.2 показана (для полного внутреннего отражения света) зависимость пропускания Т света воздушным зазором с толщиной d в зависимости от отношения (d /λ ), где λ длина волны света, при показателе преломления призм ≈1,5; на фиг.3 показана конструкция первого оптического фильтра с радиальным изменением пропускания света. in FIG. 1 shows a simulator of the Sun; figure 2 shows (for full internal reflection of light) the dependence of the transmission T of light by an air gap with a thickness d depending on the ratio (d / λ), where λ is the wavelength of light, with a refractive index of prisms ≈1.5; figure 3 shows the design of the first optical filter with a radial change in light transmission.

Имитатор содержит первый источник света лазер 1 с излучением в области длины волны света, например, λ₁≈ 10,6 мкм, второй источник света лазер 2 со спектральными линиями излучения в области длины волн света λ₂≈ 2,6 3 мкм, третий источник света имитатор 3 Солнца, например с ксеноновой лампой со спектром излучения от длины волны света λ₃≈ 0,2 мкм до λ₄≈4 мкм, ограничиваемым кварцевой колбой ксеноновой лампы. За лазером 1 установлен ослабляющий оптический фильтр 4. За лазером 2 установлен ослабляющий оптический фильтр 5. За фильтром 5 установлена соосно с лазером 2 первая двухлинзовая система 6, 7.The simulator contains a first light source laser 1 with radiation in the wavelength region of light, for example, λ ₁ ≈ 10.6 μm, a second light source laser 2 with spectral lines of radiation in the region of light wavelength λ ₂ ≈ 2.6 3 μm, a third source light simulator 3 of the Sun, for example with a xenon lamp with a radiation spectrum from a wavelength of light λ ₃ ≈ 0.2 μm to λ ₄ ≈ 4 μm, limited by a quartz bulb of a xenon lamp. A laser attenuation filter 4 is installed behind the laser 1. A laser attenuation filter is installed behind the laser 2. The first two-lens system 6, 7 is installed coaxially with laser 2.

Оптические оси лазера 1 и первой духлинзовой системы 6, 7 пересекаются, и в области пересечения установлен первый смеситель пучков, например, из призм 8, 9 с воздушным зазором 10. Фокусы линз 6, 7 совмещены. The optical axes of the laser 1 and the first duhlens system 6, 7 intersect, and the first beam mixer, for example, from prisms 8, 9 with an air gap 10, is installed in the intersection region. The foci of the lenses 6, 7 are aligned.

Плоскость смешивания первого смесителя проходит через точку пересечения оптических осей лазеров 1, 2 и расположена под углом 45^о к этим осям так, что смешанный пучок света соосен с оптической осью лазера 1.Mixing the first mixer plane passes through the point of intersection of the optical axes of lasers 1, 2 and disposed at an angle ^of 45 to these axes so that the mixed light beam coaxial with the optical axis of the laser 1.

За первым смесителем 8, 9 соосно с лазером 1 установлена вторая двухлинзовая система 11, 12 с совмещенными фокусами линз 11 и 12. Фокусные расстояния линз 11, 12 равны соответственно f₁ и f₂.Behind the first mixer 8, 9 coaxially with the laser 1, a second two-lens system 11, 12 is installed with the combined foci of the lenses 11 and 12. The focal lengths of the lenses 11, 12 are respectively f ₁ and f ₂ .

Далее установлена плоскопараллельная пластина 13 с входной матовой поверхностью 14. Пластина 13 перпендикулярна оси лазера 1. За пластиной 13 соосно с лазером 1 установлена третья двухлинзовая система 15, 16 с совмещенными фокусами линз 15, 16. Next, a plane-parallel plate 13 is installed with an input matte surface 14. The plate 13 is perpendicular to the axis of the laser 1. Behind the plate 13, a third two-lens system 15, 16 with aligned lens foci 15, 16 is mounted coaxially with the laser 1.

В фокальной плоскости линз 15, 16 установлена диафрагма 17 с отверстием 18 диаметром D. Фокусное расстояние линзы 15 равно f₃, фокусное расстояние линзы 16 равно f₄. Отверстие 18 соосно лазеру 1.In the focal plane of the lenses 15, 16 there is a diaphragm 17 with an opening 18 of diameter D. The focal length of the lens 15 is f ₃ , the focal length of the lens 16 is f ₄ . Hole 18 coaxial to laser 1.

Далее вдоль оси лазера 1 установлены первый 19, 20 и второй 21, 22 оптические фильтры с радиальным изменением пропускания света, оба фильтра установлены соосно с лазером 1. За фильтром 21, 22 установлен второй смеситель пучков света, например, из призм 23, 24 с воздушным зазором 25 между ними. Next, along the axis of laser 1, the first 19, 20 and second 21, 22 optical filters with radial variation in light transmission are installed, both filters are mounted coaxially with laser 1. A second mixer of light beams is installed behind the filter 21, 22, for example, from prisms 23, 24 s an air gap of 25 between them.

Оптические оси лазера 1 и третьего источника 3 света перпендикулярны и пересекаются, а плоскость смешивания пучков в смесителе 23, 24 расположена под углами 45^о к осям лазера 1 и источника 3 света.The optical axes of the laser 1 and the third light source 3 are perpendicular and intersect, and the mixing plane of the beams in the mixer 23, 24 is located at angles of 45 ^° to the axes of the laser 1 and light source 3.

Материалы линз 6, 7 прозрачны для света с длиной волны λ₂ Материалы элементов 8, 9, 13, 15, 16 прозрачны для света с длинами волн λ₁,λ₂ Материалы элементов 23, 24 прозрачны для света с длинами волн λ₁,λ₂,λ₃-λ₄
Устройство работает следующим образом.The materials of the lenses 6, 7 are transparent to light with a wavelength of λ _{2 The} materials of elements 8, 9, 13, 15, 16 are transparent to light with a wavelength of λ ₁ , λ _{2 The} materials of elements 23, 24 are transparent to light with a wavelength of λ ₁ , λ ₂ , λ ₃ -λ ₄
The device operates as follows.

Варианты исполнения ослабляющих фильтров 4 и 5 следующие. The options for attenuating filters 4 and 5 are as follows.

1. Интерференционное зеркало с необходимым коэффициентом отражения света. 1. An interference mirror with the necessary light reflection coefficient.

2. Ослабление за счет отражения света от поверхностей одной или нескольких прозрачных плоскопараллельных пластин. 2. Attenuation due to reflection of light from the surfaces of one or more transparent plane-parallel plates.

3. Ослабление в поглощающих свет материалах. 3. Attenuation in light absorbing materials.

Для фильтра 4 CaF₄, CdF₄, Te, As₂S₃.For filter 4 CaF ₄ , CdF ₄ , Te, As ₂ S ₃ .

Для фильтра 5 абсорбционные цветные стекла типа НС, ЗС, СЗС, ФС. Здесь следует иметь в виду, что в одной поглощающей свет плоскопараллельнной пластинке допустимо поглощение ограниченного количества потока, так как диаметр пучков света от лазеров небольшой (менее 3 мм) и происходит локальный разогрев пластины. Тепловым расчетом следует выявить получающийся градиент температуры в толще материала (^оС/мин), который должен быть меньше допустимого для данного материала во избежание растрескивания.For filter 5, absorption colored glasses of the type NS, ZS, SZS, FS. It should be borne in mind that in one plane-absorbing light plate, absorption of a limited amount of flux is permissible, since the diameter of the light beams from the lasers is small (less than 3 mm) and the plate is heated locally. Thermal calculation should identify the resulting temperature gradient in the thickness of the material ( ^o C / min), which should be less than the allowable for this material in order to avoid cracking.

Таким образом, может потребоваться несколько поглощающих свет пластин, чтобы локальный разогрев в каждой не превысил допустимой величины. Thus, several light-absorbing plates may be required so that the local heating in each does not exceed the permissible value.

В дальнейшем примем к использованию первый вариант: интерференционные зеркала из не поглощающих свет слоев на прозрачных подложках. In the future, we will use the first option: interference mirrors from non-light-absorbing layers on transparent substrates.

Смеситель пучков может быть различного исполнения. На фиг.1 представлен один из вариантов смесителя, основанный на зависимости коэффициента отражения света от толщины d воздушного зазора 10 (25) между призмами ThF₄ при (нарушенном) полном внутреннем отражении света (призмы 8, 9 и 23, 24).The mixer of beams can be of various execution. Figure 1 presents one of the variants of the mixer, based on the dependence of the light reflection coefficient on the thickness d of the air gap 10 (25) between the prisms ThF ₄ with (broken) total internal reflection of light (prisms 8, 9 and 23, 24).

Пропускание света через воздушный зазор зависит от отношения d/λ. Для ThF₄ (показатель преломления 1,5) угол полного внутреннего отражения равен arcsin (1/1,5) 42^о.The transmission of light through the air gap depends on the ratio d / λ. For ThF ₄ (refractive index 1.5), the angle of total internal reflection is equal to arcsin (1 / 1.5) 42 ^about .

На фиг.1 пучки света поступают на воздушный зазор 10 (25) между призмами 8, 9 (23, 24) под углами 45^о.In Fig. 1, light beams enter the air gap 10 (25) between the prisms 8, 9 (23, 24) at angles of 45 ^° .

Если толщина зазора d 1,8 мкм, то для длины волны света λ₂ 3 мкм отношение d /λ₂ 0,6, пропускание света через зазор из призмы 9 (24) в призму 8 (23) равно 0,1, а отражение (то есть уходит к линзе 11) составляет 0,9.If the gap thickness d is 1.8 μm, then for the light wavelength λ ₂ 3 μm, the ratio d / λ ₂ 0.6, the transmission of light through the gap from prism 9 (24) to prism 8 (23) is 0.1, and the reflection (i.e. goes to lens 11) is 0.9.

Для длины волны света λ₁ 10 мкм отношение d/λ₁0,18, пропускание света через зазор из призмы 8 (23) в призму 9 (24) и далее к линзе 11 равно 0,7.For a wavelength of light λ ₁ 10 μm, the ratio d / λ ₁ 0.18, the transmission of light through the gap from prism 8 (23) to prism 9 (24) and then to lens 11 is 0.7.

Таким образом, в пучке света, поступающем на линзу 11, содержится 0,7 потока от лазера 1 (длина волны света λ₁ ) и 0,9 потока от лазера 2 (длина волны света λ₂ ).Thus, the light beam entering the lens 11 contains 0.7 flux from the laser 1 (light wavelength λ ₁ ) and 0.9 flux from the laser 2 (light wavelength λ ₂ ).

Воздушный зазор толщиной 1,8 мкм может быть изготовлен с помощью ионной полировки колодца глубиной 1,8 мкм в гипотенузной грани призмы. An air gap of 1.8 microns thick can be made by ion-polishing a well 1.8 microns deep in the hypotenuse face of the prism.

Обе призмы 8, 9 (23, 24) соединяются на оптическом контакте по бортику колодца. Технология размерной ионной полировки освоена. Both prisms 8, 9 (23, 24) are connected at the optical contact along the side of the well. The technology of dimensional ion polishing is mastered.

Возможны и другие варианты конструкции смесителя (пленочный интерференционный светоделитель). Other mixer designs are also possible (film interference beam splitter).

ИКВ имеют два фотоэлектрических канала: основной, работающий на собственном излучении Земли, и канал защиты от Солнца, блокирующий (защищающий) основной канал при попадании Солнца в угловое поле ИКВ. IKVs have two photoelectric channels: the main one, operating on the Earth's own radiation, and the channel of protection from the Sun, blocking (protecting) the main channel when the Sun enters the angular field of the IKV.

Солнечный имитатор необходим именно для проверок ИКВ по защите от Солнца. A solar simulator is needed specifically for IKV checks for protection from the Sun.

Солнечный имитатор должен содержать в рабочем пучке длины волн света

и λ₁, где, например, λ₃ 0,2 мкм; λ₄≈ 4 мкм; λ₂ 2,6-3 мкм; и, например, λ₁10,6 мкм (или λ₁ 15 мкм).The solar simulator should contain light wavelengths in the working beam

and λ ₁ , where, for example, λ ₃ 0.2 μm; λ ₄ ≈ 4 μm; λ ₂ 2.6-3 μm; and, for example, λ ₁ 10.6 μm (or λ ₁ 15 μm).

Спектральный состав излучения имитатора обусловлен тем, что основной канал ИКВ имеет рабочую спектральную область 7

< 25 мкм а канал защиты от Солнца работает в спектре λ<3-4 мкм.The spectral composition of the radiation of the simulator is due to the fact that the main channel of the ICV has a working spectral region 7

<25 μm and the channel of protection from the Sun operates in the spectrum of λ <3-4 μm.

Изготовление СО₂-лазеров с излучением на длине волны света λ₁=10,6 мкм промышленностью освоено.The manufacture of CO ₂ lasers with radiation at a wavelength of light λ ₁ = 10.6 μm has been mastered by industry.

Типичные характеристики необходимого для имитатора СО₂-лазера в непрерывном режиме работы: мощность излучения 2 4 Вт; диаметр пучка света ≈ 2 мм; расходимость пучка света 10^-2 радиан (34,2^I); распределение интенсивности по сечению пучка близко к гауссовому. Химический HF-лазер излучает множество линий на длинах волн света 14, 15: 2,64; 2,708; 2,728; 2,742; 2,76; 2,782; 2,796; 2,822; 2,83; 2,87; 2,88; 2,91; 2,911; 2,955 мкм, т.е. 2,6 < λ₂< 3 мкм.Typical characteristics of a continuous CO ₂ laser needed for a simulator: radiation power 2 4 W; light beam diameter ≈ 2 mm; beam divergence 10 ^-2 radians (34.2 ^I ); the intensity distribution over the beam cross section is close to Gaussian. A chemical HF laser emits many lines at wavelengths of light 14, 15: 2.64; 2,708; 2.728; 2.742; 2.76; 2,782; 2,796; 2,822; 2.83; 2.87; 2.88; 2.91; 2,911; 2,955 μm, i.e. 2.6 <λ ₂ <3 μm.

Типичные характеристики HF-лазера в непрерывном режиме работы: мощность излучения от нескольких Ватт до 150 Вт (примем 11,5 Вт); диаметр пучка света ≈ (2-3) мм; расходимость пучка света ≈ 2˙10^-3 радиан (6,84^'); распределение интенсивности по сечению пучка близко к гауссовому.Typical characteristics of a HF laser in continuous operation: radiation power from a few watts to 150 watts (accept 11.5 watts); diameter of the light beam ≈ (2-3) mm; beam divergence ≈ 2˙10 ^-3 radians (6.84 ^' ); the intensity distribution over the beam cross section is close to Gaussian.

Полупроводниковые источники света в области λ₂ 2,5 мкм имеют недостаточную мощность.Semiconductor light sources in the region of λ ₂ 2.5 μm have insufficient power.

Имитаторы солнечного излучения с Хе-лампами обеспечивают освещенность выше солнечной постоянной: освещенность 150000 лк; диаметр пучка света более 40 мм; расходимость пучка света 32^'; распределение интенсивности по сечению пучка света приблизительно равномерное; спектральный состав: от λ₃ 0,35 мкм до λ₄3-4 мкм.Simulators of solar radiation with Xe-lamps provide illumination above the solar constant: illumination of 150,000 lux; light beam diameter more than 40 mm; beam divergence 32 ^' ; the intensity distribution over the cross section of the light beam is approximately uniform; spectral composition: from λ ₃ 0.35 μm to λ ₄ 3-4 μm.

Дублирующее использование в устройстве на фиг.1 двух излучателей лазера 2 и имитатора 3 с излучателями на длинах волн света менее 4 мкм обусловлено следующими причинами. The duplicate use in the device of FIG. 1 of two laser emitters 2 and a simulator 3 with emitters at light wavelengths less than 4 microns due to the following reasons.

В настоящее время в качестве достаточно мощного лазера 2 может быть использован только химический HF-лазер. Это дорогой лазер. Эксплуатация лазера требует большого расхода дорогостоящего газа (SF₆). Процесс эксплуатации требует особого соблюдения техники безопасности.Currently, only a chemical HF laser can be used as a sufficiently powerful laser 2. This is an expensive laser. Laser operation requires high consumption of expensive gas (SF ₆ ). Operation requires special safety precautions.

Имитаторы с Хе-лампами в настоящее время эксплуатируются в промышленности, и их изготовление на отечественных заводах освоено. Они имеют широкий и непрерывный спектр излучения. Xe-lamp simulators are currently used in industry, and their manufacture at domestic plants has been mastered. They have a wide and continuous spectrum of radiation.

Рассмотрим прохождение пучков света от источников света в рабочий пучок 26 света имитатора Солнца инфракрасного диапазона. Consider the passage of light beams from light sources into the working light beam 26 of the infrared solar simulator.

Перавя двухлинзовая система 6, 7 выравнивает диаметр пучка света 27 от лазера 2 с диаметром пучка света 28 от лазера 1. Flailing a two-lens system 6, 7 aligns the diameter of the light beam 27 from the laser 2 with the diameter of the light beam 28 from the laser 1.

После первого смесителя 8, 9 объединенные пучка света поступают во вторую двухлинзовую систему 11, 12 для расширения до диаметра пучка 29, равного 30 40 мм. Пучок 29 света содержит два пучка с разной расходимостью. After the first mixer 8, 9, the combined light beam enters the second two-lens system 11, 12 to expand to a diameter of the beam 29, equal to 30 40 mm. The light beam 29 contains two beams with different divergences.

Пучок света от лазера 1 имеет расходимость, определяемую или через фокусные расстояния линз 11, 12, или через диаметры пучков:
34,2′· (f₁/f₂) 34,2

= 2,28′-1,71′ где 34,2^', 2 мм параметры пучка света от лазера 1;
30 40 мм диаметр пучка 29 света.The beam of light from the laser 1 has a divergence, determined either through the focal lengths of the lenses 11, 12, or through the diameters of the beams:
34.2 ′ (f ₁ / f ₂ ) 34.2

= 2.28′-1.71 ′ where 34.2 ^' , 2 mm parameters of the light beam from laser 1;
30 40 mm beam diameter 29 light.

Пучок света от лазера 2 имеет расходимость
6,84

= 0,684′-0,513′ где 6,84^', 3 мм параметры пучка света от лазера 2.The beam of light from laser 2 has a divergence
6.84

= 0.684′-0.513 ′ where 6.84 ^' , 3 mm parameters of the light beam from laser 2.

Матовые стекла с соответствующей шероховатостью имеют узкую индикатрису рассеяния света с полушириной менее 1^о.Frosted glass with an appropriate roughness has a narrow indicatrix of light scattering with a half-width of less than 1 ^about .

Необходимый средний размер рельефа матовой поверхности подбирается номером абразивного порошка и технологией изготовления. The required average relief size of the matte surface is selected by the number of abrasive powder and manufacturing technology.

Например, алмазное тонкое шлифование дает поверхность матовой фактуры с высотой неровностей 1 4 мкм, а алмазное полирование со средней высотой неровностей 0,1 0,5 мкм. Регулярный рельеф на поверхности может быть образован воздействием лазерных импульсов. For example, diamond fine grinding gives a surface of a matte texture with a roughness height of 1–4 μm, and diamond polishing with an average roughness height of 0.1–0.5 μm. A regular surface relief can be formed by laser pulses.

После матового стекла 13, 14 образуется пучок 30 света с одинаковой общей расходимостью. Диаметр пучков света 29, 30 принят большим (30 40 мм) с тем, чтобы обеспечить лучшую идентичность в различных местах сечения пучка 30 света (по расходимости). After the frosted glass 13, 14 a beam of light 30 is formed with the same total divergence. The diameter of the light beams 29, 30 is adopted large (30 40 mm) in order to provide better identity in different places of the cross section of the light beam 30 (divergence).

Если вместо матового стекла 13, 14 применить молочное стекло, то большой диаметр (30 40 мм) предотвратит сильный разогрев и растрескивание молочного стекла. Молочное стекло должно быть очень тонким (≈ 50 мкм) и, ввиду хрупкости, соединенным с более толстой несущей подложкой. If milk glass is used instead of frosted glass 13, 14, then a large diameter (30–40 mm) will prevent strong heating and cracking of milk glass. Milk glass must be very thin (≈ 50 μm) and, due to fragility, connected to a thicker supporting substrate.

Плоскопараллельная пластина 13 выполняется из материала, прозрачного на длинах волн света λ₁ 10 мкм и λ₂ 3 мкм. (Например, криолит Na₃AlF₆, германий Ge).Plane-parallel plate 13 is made of a material transparent at wavelengths of light λ ₁ 10 μm and λ ₂ 3 μm. (For example, cryolite Na ₃ AlF ₆ , germanium Ge).

Пластина 13 из криолита (с небольшим показателем преломления) имеет малые потери на отражение от поверхностей. Матовая поверхность 14 пластины 13 используется как входная. A cryolite plate 13 (with a small refractive index) has low reflection losses from surfaces. The matte surface 14 of the plate 13 is used as an input.

При такой установке пластины 13 свет 29 поступает из воздуха (показатель преломления равен 1) в пластину 13 (показатель преломления больше 1) и испытывает на матовой поверхности 14 только преломление и френелевское отражение. With this installation of the plate 13, light 29 enters from the air (refractive index 1) into the plate 13 (refractive index greater than 1) and experiences only refraction and Fresnel reflection on the matte surface 14.

Если бы входной поверхностью была полированная сторона, то на матовую поверхность свет поступал бы из среды (материал пластины) с большим показателем преломления, чем у воздуха. Поэтому добавились бы потери потока на полное внутреннее отражение в тех местах рельефа шероховатости, где угол падения больше критического. If the input surface was a polished side, then light would come to the matte surface from the medium (plate material) with a higher refractive index than that of air. Therefore, flux losses due to total internal reflection would be added in those places of the roughness relief where the angle of incidence is greater than the critical angle.

Назначение третьей двухлинзовой системы 15, 16 и диафрагмы 17 с отверстием 18 двойное: сделать расходимость пучка света 31 (и 26) равной 32'; получить необходимый диаметр пучка 31 света (и 26). The purpose of the third two-lens system 15, 16 and the diaphragm 17 with the hole 18 is twofold: to make the divergence of the light beam 31 (and 26) equal to 32 '; get the required diameter of the light beam 31 (and 26).

Например, если диаметры пучков 30 и 31 (26) одинаковые, 40 мм, фокусные расстояния f₃ линзы 15 и f₄ линзы 16 равны, f₃ f₄, то диаметр D отверстия 18 выбирается из условия обеспечения солнечной расходимости θ= 32^':
θ= arctg (D/f₄) 32, и получается диаметр отверстия
D f₄ ˙tg 32^' 0,931 мм, если f₄ 100 мм.For example, if the diameters of the beams 30 and 31 (26) are the same, 40 mm, the focal lengths f _{3 of the} lens 15 and f _{4 of the} lens 16 are equal, f ₃ f ₄ , then the diameter D of the hole 18 is selected from the condition for ensuring solar divergence θ = 32 ^' :
θ = arctan (D / f ₄ ) 32, and the diameter of the hole is obtained
D f ₄ ˙tg 32 ^' 0.931 mm, if f ₄ 100 mm.

Линза диаметром 40 мм и фокусным расстоянием 100 мм технологически реализуется без затруднений. A lens with a diameter of 40 mm and a focal length of 100 mm is technologically realized without difficulty.

Поскольку после матового стекла 13, 14 расходимость пучка 30 света больше 32^', то диаметр светового пятна, сфокусированного на диафрагму 17 линзой 15, будет больше диаметра D отверстия 18, так как конструкция имитатора обеспечивает и соотношение
32^' arctg D/f₃,
т.е. будет иметь место некоторая потеря потока на диафрагме 17.Since after the frosted glass 13, 14 the divergence of the light beam 30 is greater than 32 ^' , the diameter of the light spot focused on the diaphragm 17 by the lens 15 will be larger than the diameter D of the hole 18, since the design of the simulator provides the ratio
32 ^' arctg D / f ₃ ,
those. there will be some loss of flow at aperture 17.

Пучок света 31 является однородным в отношении расходимости. Однако он имеет различный фотометрический разрез (по сечению пучка) для длин волн света λ₁ и λ₂ То есть для каждой длины волны света необходим свой фильтр с радиальным изменением пропускания света, с тем чтобы сделать фотометрический разрез пучка 26 близким к прямоугольному (сделать энергетическую освещенность одинаковой по сечению пучка света 26).The light beam 31 is uniform in terms of divergence. However, it has a different photometric section (along the beam cross section) for light wavelengths λ ₁ and λ ₂ That is, for each wavelength of light, a filter with a radial change in light transmission is necessary in order to make the photometric section of beam 26 close to rectangular (make the energy illumination of the same beam cross section 26).

Конструкция первого фильтра 19, 20 показана на фиг.3. The construction of the first filter 19, 20 is shown in FIG.

Способность фильтра компенсировать изменение освещенности в радиальном направлении подтвердим на конкретном примере конструкции. Пусть сферическая линза 19 выполнена из CaF₂; сферическая линза 20 из Na₃AlF₆; радиус R 209,083 мм. Пропускание τ света материалом CaF₂толщиной 1,0 мм на длине волны света λ 10 мкм равно 0,77. Показатели преломления CaF₂ и Na₃AlF₆ близки (≈ 1,35), поэтому плоскопараллельная пластина из линз 19, 20 не имеет фокусирующего свойства для слаборасходящего пучка 31 света.The ability of the filter to compensate for changes in illumination in the radial direction is confirmed by a specific design example. Let the spherical lens 19 is made of CaF ₂ ; spherical lens 20 of Na ₃ AlF ₆ ; radius R 209,083 mm. The light transmission τ of 1.0 mm thick CaF ₂ material at a light wavelength of λ 10 μm is 0.77. The refractive indices of CaF ₂ and Na ₃ AlF ₆ are close (≈ 1.35); therefore, the plane-parallel plate of lenses 19, 20 does not have a focusing property for a weakly-diverging light beam 31.

Показатель поглощения К для CaF₂ на длине волны λ 10 мкм найдем из формулы
τ= 10^-Kg где g толщина материала CaF₂,
получим К 0,1135 мм^-1.The absorption coefficient K for CaF ₂ at a wavelength of λ 10 μm, we find from the formula
τ = 10 ^-Kg where g is the thickness of the material CaF ₂ ,
we get K 0.1135 mm ^-1 .

В табл. 1 представлены результаты расчетов пропускания света линзой 19 для длины волны λ= 10 мкм на различном расстоянии а от центра линзы. In the table. 1 shows the results of calculations of the light transmission of the lens 19 for a wavelength of λ = 10 μm at a different distance a from the center of the lens.

Линза 20 из Na₃AlF₆ прозрачна на длинах волн λ₁ 10 мкм и λ₂ 3 мкм. Материал линзы 19 прозрачен на длине волны света λ₂ 3 мкм. Геометрия линз 19, 20 для конкретного фотометрического разреза пучка 31 света на длине волны света может быть реализована или сферическим исполнением линз, или любой другой конфигурацией с помощью алмазного точения. Коэффициент отражения от поверхностей плоскопараллельной пластины из линз 19,20 мал, так как показатель преломления линз мал.Lens 20 of Na ₃ AlF _{6 is} transparent at wavelengths of λ ₁ 10 μm and λ ₂ 3 μm. The material of the lens 19 is transparent at a wavelength of light λ ₂ 3 μm. The geometry of the lenses 19, 20 for a particular photometric section of the light beam 31 at a wavelength of light can be realized either by spherical execution of the lenses, or any other configuration using diamond turning. The reflection coefficient from the surfaces of a plane-parallel plate of lenses 19.20 is small, since the refractive index of the lenses is small.

Второй оптический фильтр 21, 22 с радиальным изменением пропускания света на длине волны λ₂ тонкопленочный.The second optical filter 21, 22 with a radial change in light transmission at a wavelength of λ ₂ thin-film.

Пропускание Т тонкой прозрачной пленки на прозрачной подложке равно
T

(1) где n₁ показатель преломления воздуха ( 1);
n₂ показатель преломления пленки;
n₃ показатель преломления подложки.The transmission T of a thin transparent film on a transparent substrate is
T

(1) where n _{1 is} the refractive index of air (1);
n _{2 is} the refractive index of the film;
n _{3 is} the refractive index of the substrate.

Формула (1) не учитывает отражение света от свободной стороны подложки. Formula (1) does not take into account the reflection of light from the free side of the substrate.

Из формулы (1) видно, что при фиксированной длине волны света λ₂ 3 мкм пропускание Т пленки можно варьировать изменением ее геометрической толщины t. Однако в рассматриваемом устройстве ситуация усложнена в том, что при вышеуказанном изменении геометрической толщины t пленки необходимо сохранить неизменным и высоким пропускание пленки на другой фиксированной длине волны света λ₁≈ 10 мкм. Это возможно только в том случае, если толщины t пленки обеспечивают интерференционный максимум пропускания в области длины волны света λ₁
В табл. 2, 3 представлены результаты расчетов пропускания Т пленки по формуле (1) для двух вариантов соотношений показателей преломлений n₂и n₃.From formula (1) it can be seen that at a fixed wavelength of light λ ₂ 3 μm, the transmittance T of the film can be varied by changing its geometric thickness t. However, in the device under consideration, the situation is complicated in that with the above-mentioned change in the geometric thickness t of the film, it is necessary to keep the film transmittance constant and high at another fixed wavelength λ ₁ ≈ 10 μm. This is possible only if the film thicknesses t provide an interference maximum transmittance in the light wavelength region λ ₁
In the table. Figures ₂ and 3 present the results of calculations of the transmission of the T film according to formula (1) for two versions of the ratios of refractive indices n ₂ and n ₃ .

При n₂ < n₃ интерференционный максимум пропускания на длине волны света λ₁ обеспечивается при
t

0,98 мкм (2)
Из табл. 2 видно, что при изменении толщины пленки от 0,9 до 1,1 мкм пропускание пленки на длине волны света λ₁ изменяется на

·100 1.72 (3) а на длине волны света λ₂ на

· 100 19,7 (4)
В табл. 2 видно, что для длины волны света λ₁ действительно имеет место максимум пропускания (Т 0,9432) при t 0,98 мкм по сравнению с другими толщинами t пленки. Результат (3) подтверждает, что изменение пропускания Т света на длине волны света λ₁ практически отсутствует, то есть не изменяется в разных точках сечения светового пучка имитатора и остается очень высоким.When n ₂ <n _{3 the} interference maximum transmission at the wavelength of light λ _{1 is} provided when
t

0.98 μm (2)
From the table. 2 shows that when the film thickness varies from 0.9 to 1.1 μm, the transmittance of the film at a wavelength of light λ ₁ changes to

100 1.72 (3) and at a wavelength of light λ ₂ at

100 19.7 (4)
In the table. 2 it can be seen that for the wavelength of light λ _{1 there is} indeed a transmission maximum (T 0.9432) at t 0.98 μm compared with other film thicknesses t. The result (3) confirms that the change in the transmittance T of light at the wavelength of light λ _{1 is} practically absent, that is, it does not change at different points of the cross section of the light beam of the simulator and remains very high.

В то же время на длине волны света λ₂3 мкм пропускание Т изменяется на достаточно большую величину (4), равную 19,7% Изменение пропускания 19,7% позволяет провести компенсацию гауссового изменения энергетической освещенности от источника света (лазера), на длине волны света λ₂ Важно, что абсолютные значения пропускания Т пленки в табл.2 для длины волны света λ₂ имеют высокие значения.At the same time, at a wavelength of light λ ₂ 3 μm, the transmittance T changes by a sufficiently large amount (4), equal to 19.7%. A change in transmittance of 19.7% allows compensation for a Gaussian change in energy illumination from a light source (laser), at a length light waves λ ₂ It is important that the absolute values of the transmission T of the film in table 2 for light wavelength λ ₂ have high values.

Для компенсации гауссового распределения освещенности толщина пленки в центре фильтра должна быть большей (t 1,1 мкм, Т 0,755), а на краю фильтра меньшей (t 0,9 мкм, Т 0,94). To compensate for the Gaussian distribution of illumination, the film thickness in the center of the filter should be larger (t 1.1 μm, T 0.755), and less at the edge of the filter (t 0.9 μm, T 0.94).

Кроме того, из технологических соображений благоприятно то, что толщина пленки t≈1 мкм удобна для напыления. Пленки с такой небольшой толщиной (в отличие от пленок с толщинами несколько микрон) являются эксплуатационно прочными. In addition, for technological reasons, it is favorable that the film thickness t≈1 μm is convenient for spraying. Films with such a small thickness (in contrast to films with a thickness of several microns) are operationally durable.

В общем случае для соотношения показателей преломления n₂ < n₃условие (2) следует записать:

≈

(5) где t₁ толщина пленки в центре фильтра;
t₂ толщина пленки на расстоянии r от центра фильтра;
r радиус сечения пучка света имитатора.In the general case, for the ratio of refractive indices n ₂ <n _3, condition (2) should be written:

≈

(5) where t ₁ is the film thickness at the center of the filter;
t ₂ film thickness at a distance r from the center of the filter;
r is the radius of the cross section of the light beam of the simulator.

Соответствие изменения пропускания Т пленки в радиальном направлении гауссовой кривой технологически обеспечивается при напылении пленки на подложку через вращающуюся массу с щелью. Ширина щели зависит от расстояния до центра маски (фильтра). По мере удаления от центра маски ширина щели уменьшается. Ось вращения маски совпадает с осью фильтра. Correspondence of the change in the transmittance T of the film in the radial direction of the Gaussian curve is technologically ensured when the film is sprayed onto the substrate through a rotating mass with a slit. The width of the slit depends on the distance to the center of the mask (filter). As you move away from the center of the mask, the width of the gap decreases. The axis of rotation of the mask coincides with the axis of the filter.

Из табл. 2 видно, что имеется возможность просветления поверхностей оптических элементов (см. фиг.1) одновременно для двух длин волн света, λ₁ и λ₂ Если оптические элементы выполнены из германия (Ge), то пленка из ZnSe толщиной 0,9 мкм обеспечивает очень хорошее просветление для обеих длин волн света: на λ₁ 10 мкм пропускание Т 0,9362; на λ₂ 3 мкм пропускание Т 0,94. Толщина просветляющей пленки из ZnSe одинакова для всей просветляемой поверхности.From the table. 2 shows that it is possible to brighten the surfaces of the optical elements (see Fig. 1) simultaneously for two light wavelengths, λ ₁ and λ ₂ If the optical elements are made of germanium (Ge), then a ZnSe film with a thickness of 0.9 μm provides very good enlightenment for both wavelengths of light: at λ ₁ 10 μm transmittance T 0.9362; at λ ₂ 3 μm transmission T 0.94. The thickness of the ZnSe antireflection film is the same for the entire antireflection surface.

При показателях преломления n₂ > n₃ интерференционный максимум пропускания на длине волны света λ₁ обеспечивается при толщине t пленки t

, или

≈

(6)
Из табл. 3 видно, что на длине волны света λ₁ 10 мкм пропускание пленки изменяется на

· 100 1,48 (7) а на длине волны света λ₂ 3 мкм на

· 100 27,9 (8)
Таким образом, и в этом варианте (n₂ > n₃) обеспечивается неизменность и высокое значение пропускания Т пленки на длине волны света λ₁ большое изменение пропускания Т на длине волны света λ₂ высокий абсолютный уровень пропускания на длине волны света λ₂
Для компенсации гауссовой кривой распределения освещенности в пучке света имитатора и в этом случае (n₂ > n₃) толщина пленки в центре фильтра должна быть больше, чем на краю фильтра.When the refractive indices n ₂ > n _{3 the} interference maximum transmission at the wavelength of light λ _{1 is} provided at a film thickness t

, or

≈

(6)
From the table. 3 shows that at a wavelength of light λ ₁ 10 μm, the transmittance of the film changes to

100 1.48 (7) and at a wavelength of light λ ₂ 3 μm at

100 27.9 (8)
Thus, in this embodiment (n ₂ > n ₃ ), a constant and high transmittance T of the film at a wavelength of light λ _{1 is} ensured. A large change in transmittance T at a wavelength of light λ _{2 is a} high absolute transmittance at a wavelength of light λ ₂
To compensate for the Gaussian curve of the distribution of illumination in the light beam of the simulator, in this case (n ₂ > n ₃ ), the film thickness in the center of the filter should be greater than at the edge of the filter.

Технологические возможности изготовления сферических поверхностей линз 19, 20 таковы, что после сборки плоскопараллельной пластины между сферическими поверхностями линз 19, 20 могут быть в отдельных местах воздушные зазоры толщиной до 0,1 мкм. Воспользуемся формулой (1) для выяснения величины пропускания Т через воздушный зазор. В данном случае в формуле (1) следует принять: n₁ 1,35 показатель преломления CaF₂(линза 19); n₂ 1 показатель преломления воздуха в зазоре между сферическими поверхностями; n₃ 1,35 показатель преломления Na₃AlF₆(линза 20).The technological possibilities of manufacturing the spherical surfaces of the lenses 19, 20 are such that, after assembling a plane-parallel plate between the spherical surfaces of the lenses 19, 20, air gaps up to 0.1 μm thick can be in separate places. We use the formula (1) to determine the transmittance T through the air gap. In this case, in the formula (1) should be taken: n ₁ 1.35 refractive index CaF ₂ (lens 19); n ₂ 1 is the refractive index of air in the gap between spherical surfaces; n ₃ 1.35 refractive index Na ₃ AlF ₆ (lens 20).

После подстановки этих значений n₁, n₂, n₃ формула (1) приобретает вид:
T

При t 0 получим Т 1 для любых длин волн λ
При t 0,1 мкм получим: на длине волны λ₂ 3 мкм пропускание Т 0,99605; на длине волны λ₁ 10 мкм пропускание Т 0,99964.After substituting these values n ₁ , n ₂ , n _3, formula (1) takes the form:
T

At t 0 we get T 1 for any wavelength λ
At t 0.1 μm we get: at a wavelength of λ ₂ 3 μm transmission T 0.99605; at a wavelength of λ ₁ 10 μm transmission T 0,99964.

Полученные значения Т отличаются от 1 на 0,395% и 0,036% чем можно пренебречь. The obtained values of T differ from 1 by 0.395% and 0.036%, which can be neglected.

Таким образом, нет необходимости заполнять воздушные зазоры между линзами 19, 20 веществом с показателем преломления, близким к 1,35. Thus, there is no need to fill the air gaps between the lenses 19, 20 with a substance with a refractive index close to 1.35.

После фильтров 19, 20 и 21, 22 образуется пучок 32 света с солнечной расходимостью 32^' и прямоугольным фотометрическим разрезом (с одинаковой энергетической освещенностью по сечению пучка). Пучок 32 смешивается с пучком 33 света от имитатора 3 с ксеноновой лампой во втором смесителе 23, 24, так что образуется рабочий пучок 26 света имитатора Солнца инфракрасного диапазона.After the filters 19, 20 and 21, 22, a beam of light 32 with a solar divergence 32 ^' and a rectangular photometric section (with the same energy illumination over the beam cross section) is formed. The beam 32 is mixed with a beam of light 33 from the simulator 3 with a xenon lamp in the second mixer 23, 24, so that a working beam 26 of light from the infrared solar simulator is formed.

Пучок 33 света от имитатора 3 Солнца имеет одинаковую освещенность по сечению пучка 33, расходимость 32^' и диаметр 30 40 мм, совпадающий с диаметром пучка 32 света.The beam of light 33 from the simulator 3 of the Sun has the same illumination over the cross section of the beam 33, the divergence 32 ^' and a diameter of 30 to 40 mm, which coincides with the diameter of the light beam 32.

Поэтому между имитатором 3 и смесителем 23, 24 нет необходимости в двухлинзовой системе. Ослабляющий фильтр после источника 3 в пучке 33 не нужен, так как имитатор 3 обеспечивает освещенность с некоторым превышением солнечной постоянной. Небольшая потеря освещенности в смесителе 23, 24 незначительно снижает освещенность от имитатора 3. Therefore, between the simulator 3 and the mixer 23, 24 there is no need for a two-lens system. A attenuation filter after source 3 in beam 33 is not needed, since simulator 3 provides illumination with some excess of the solar constant. A slight loss of illumination in the mixer 23, 24 slightly reduces the illumination from the simulator 3.

Проведен энергетический расчет потоков в устройстве. An energy calculation of the flows in the device was carried out.

Пропускания света элементами устройства для пучка от лазера 1 с излучением с длиной волны λ₁≈ 10 мкм следующие:
τ₁ пропускание фильтра 4 (будет определено по общему результату расчета);
τ₂≈ 0,7 пропускание первого смесителя 8, 9 для пучка от лазера 1;
τ₃≈ 0,84 пропускание второй двухлинзовой системы 11, 12 с четырьмя отражающими по ≈ 4% поверхностями линз;
τ₄ 0,92 пропускание матовой пластины 13;
τ₅ 0,84 пропускание третьей двухлинзовой системы 15, 16;
τ₆ 0,3 пропускание отверстия 18 в диафрагме 17 принято столь малым, так как диаметр светового пятна на диафрагме от линзы 15 больше диаметра отверстия 18 (коэффициент отражения света на длинах волн света λ₁ и λ₂ у диафрагмы 17 со стороны линзы 15 должен быть высоким, чтобы избежать разогрева диафрагмы);
τ₇ 0,67 пропускание первого фильтра 19, 20 по оси пучка света 31 для длины волны света λ₁
τ₈ 0,93 пропускание второго фильтра 21, 22 для длины волны света λ₁ 10 мкм;
τ₉ 0,7 пропускание второго смесителя 23, 24 для пучка света с длиной волны λ₁ 10 мкм.The transmission of light by elements of a device for a beam from a laser 1 with radiation with a wavelength of λ ₁ ≈ 10 μm is as follows:
τ ₁ filter transmission 4 (will be determined by the total calculation result);
τ ₂ ≈ 0.7 transmission of the first mixer 8, 9 for the beam from laser 1;
τ ₃ ≈ 0.84 transmission of the second two-lens system 11, 12 with four lens surfaces reflecting ≈ 4%;
τ ₄ 0.92 transmission matte plate 13;
τ ₅ 0.84 transmission of the third two-lens system 15, 16;
τ ₆ 0.3 the transmission of the hole 18 in the diaphragm 17 is taken so small, since the diameter of the light spot on the diaphragm from the lens 15 is larger than the diameter of the hole 18 (light reflection coefficient at light wavelengths λ ₁ and λ ₂ at the diaphragm 17 from the side of the lens 15 should be high to avoid heating the diaphragm);
τ ₇ 0.67 transmission of the first filter 19, 20 along the axis of the light beam 31 for the wavelength of light λ ₁
τ ₈ 0.93 transmission of the second filter 21, 22 for a wavelength of light λ ₁ 10 μm;
τ ₉ 0.7 transmission of the second mixer 23, 24 for a light beam with a wavelength of λ ₁ 10 microns.

Солнце в спектре от 7 до 25 мкм создает энергетическую освещенность 0,23 мВт/см². Диаметр пучка света 26 примем равным 40 мм. Площадь пучка 26 равна 12,6 см².The sun in the spectrum from 7 to 25 microns creates an energy illumination of 0.23 mW / cm ² . The diameter of the light beam 26 is taken equal to 40 mm. The area of the beam 26 is 12.6 cm ² .

Следовательно, на длине волны света λ₁ 10 мкм необходим поток
0,23

· 12,6 см² 2,9 мВт
Пусть лазер 1 излучает 2 Вт. Тогда необходимое пропускание τ₁фильтра 4 равно
τ₁=

= 0,0244 что технологически выполнимо.Therefore, at a wavelength of light λ ₁ 10 μm, a flux is required
0.23

12.6 cm ² 2.9 mW
Let laser 1 emit 2 watts. Then the necessary transmission τ _{1 of} filter 4 is
τ ₁ =

= 0.0244 which is technologically feasible.

Если фильтр 4 не ставить, то от лазера 1 потребуется мощность излучения 0,0488 Вт ≈ 0,05 Вт. If filter 4 is not set, then a laser power of 0.0488 W ≈ 0.05 W is required from laser 1.

Пропускания света элементами устройства для пучка от лазера 2 с излучением с длиной волны λ₂≈ 3 мкм следующие:
τ₁₀ 0,84 пропускание первой двухлинзовой системы 6, 7 для пучка от лазера 2;
τ₁₁ 0,9 отражение смесителя 9, 10 для пучка света от лазера 2;

τ₁₂= 0,93 пропускание первого фильтра 21, 22 для длины волны света λ₂
τ₁₃≈ 0,6 пропускание второго фильтра 21, 22 для длины волны света λ₂
τ₁₄= 0,1 пропускание второго смесителя 23, 24 для длины волны света λ₂ поступающей в пучке 32.The transmission of light by elements of a device for a beam from a laser 2 with radiation with a wavelength of λ ₂ ≈ 3 μm is as follows:
τ ₁₀ 0.84 transmission of the first two-lens system 6, 7 for a beam from laser 2;
τ ₁₁ 0.9 reflection of the

mixer

9, 10 for a beam of light from laser 2;

τ ₁₂ = 0.93 transmission of the

first filter

21, 22 for a wavelength of light λ ₂
τ ₁₃ ≈ 0.6 transmission of the

second filter

21, 22 for the wavelength of light λ ₂
τ ₁₄ = 0.1 transmission of the

second mixer

23, 24 for the wavelength of light λ ₂ entering the beam 32.

Если в ИКВ используется германиевая оптика с краем пропускания на длине волны света 1,7 мкм, то энергетику от Солнца оцениваем в спектре от 1,7 до ≈ 3 мкм. (Длина волны света 3 мкм длинноволновая граница чувствительности фотоприемника в канале защиты от Солнца ИКВ). If germanium optics with a transmission edge at a wavelength of light of 1.7 μm is used in IKV, then the energy from the Sun is estimated in the spectrum from 1.7 to ≈ 3 μm. (The wavelength of light is 3 μm, the long-wavelength limit of the sensitivity of the photodetector in the channel of protection from the Sun by IKV)

В этом спектре энергетическая освещенность от Солнца равна примерно 7,33 мВт/см². Площадь пучка 26 света 12,6 см².In this spectrum, the energy illuminance from the Sun is approximately 7.33 mW / cm ² . The area of the 26 light beam is 12.6 cm ² .

На длине волны света λ₂ 3 мкм необходим поток:
7,33 мВт/см² ˙ 12,6 см² 92,36 мВт.At a wavelength of light λ ₂ 3 μm required flow:
7.33 mW / cm ² ˙ 12.6 cm ² 92.36 mW.

Пусть лазер 2 излучает 11,5 Вт. Тогда необходимое пропускание τ₁₅фильтра 5 равно
τ₁₅=

0,977 что технологически выполнимо.Let laser 2 emit 11.5 watts. Then the necessary transmission τ _{15 of} filter 5 is
τ ₁₅ =

0.977 which is technologically feasible.

То есть и лазер 1, и лазер 2 обеспечивают уровень засветки, эквивалентный солнечной. Но при одновременном включенном имитаторе 3 нет необходимости отбирать от лазера 2 весь поток 11,5 Вт, так как в спектральной области λ₂ излучает и имитатор 3.That is, both laser 1 and laser 2 provide a level of illumination equivalent to solar. But with simulator 3 turned on at the same time, there is no need to select the entire 11.5 W stream from laser 2, since simulator 3 also emits in the spectral region λ ₂ .

Поток от имитатора 3 ослабляется с коэффициентом 0,9 при отражении от второго смесителя 23, 24 в пучок 26 света. The flow from the simulator 3 is attenuated with a coefficient of 0.9 when reflected from the second mixer 23, 24 into the light beam 26.

Лазер 2 и имитатор 9 нельзя поменять местами, так как ослабление потока через элементы 5 9, 11 22 значительное, а для пучка 33 света не предусмотрены матовое стекло и фильтры с радиальным изменением пропускания света. The laser 2 and the simulator 9 cannot be interchanged, since the attenuation of the flow through the elements 5 9, 11 22 is significant, and frosted glass and filters with a radial change in light transmission are not provided for the light beam 33.

В предлагаемом устройстве могут использоваться лазеры, излучающие и поляризованный и неполяризованный свет. In the proposed device can be used lasers that emit both polarized and unpolarized light.

Возможны следующие варианты имитатора Солнца инфракрасного диапазона: имитатор, не содержащий линзы 11, 12; имитатор с первым и вторым фильтрами (19, 20 и 21, 22) на одном принципе построения (например, оба фильтра с абсорбционными линзами, либо интерференционные). The following options for the infrared solar simulator are possible: a simulator that does not contain lenses 11, 12; simulator with the first and second filters (19, 20 and 21, 22) on the same construction principle (for example, both filters with absorption lenses, or interference).

Поскольку диаметр абсорбционной линзы 19 большой (40 мм), а световой поток, проходящий через линзу, менее 0,1 Вт, то разогрева линзы не будет. Since the diameter of the absorption lens 19 is large (40 mm), and the light flux passing through the lens is less than 0.1 W, there will be no heating of the lens.

Имитатор, не содержащий лазер 2 и элементы 5 9, 21, 22. A simulator not containing laser 2 and elements 5 9, 21, 22.

Имитатор, не содержащий источник 3 света и смесители 23, 24. A simulator that does not contain a light source 3 and mixers 23, 24.

Имитатор, в котором в качестве источника 3 или 2 света используется полупроводниковый лазер с мощностью излучения 0,5 4 Вт, например на длине волны света λ 0,8 мкм, и соответствующая оптика, преобразующая лазерный пучок в слаборасходящийся. Коротковолновое излучение λ0,8 мкм используется в каналах защиты от Солнца некоторых типов ИКВ. A simulator in which a semiconductor laser with a radiation power of 0.5 to 4 W, for example, at a wavelength of light λ of 0.8 μm, is used as a source of light 3 or 2, and the corresponding optics that convert the laser beam into slightly convergent. Short-wave radiation of λ0.8 μm is used in the channels of protection from the Sun of certain types of infrared radiation.

Claims

1. SUN SIMULATOR containing three sources of slightly diverging light beams attenuating the filters behind the first and second sources, characterized in that a laser with a spectral composition of radiation in the light wavelength region λ ₁ is used as the first light source, a laser is used as the second light source with the spectral composition of radiation in the region of the wavelength of light λ ₂ , a spectral device with the spectral composition of radiation in the region of the wavelengths of light from λ ₃ to λ ₄ , λ ₁ > λ ₄ , λ was used as the third light source ₃ ≅ λ ₂ ≅ λ ₄ , behind the filter of the second source, the first two-lens system with combined lens foci is coaxially mounted, the optical axes of the first source and the first two-lens system are perpendicular and intersect, the first beam mixer is installed in the intersection region, in which the beam displacement plane is at an angle 45 ^o to the axes of the first and second light sources, behind the first mixer coaxially with the first light source, a second two-lens system with combined foci of lenses, the first optical fi a liter with a radial change in light transmission, a plane-parallel plate is sequentially installed behind the second two-lens system, a third two-lens system with combined lens foci, the first and second optical filters with radial transmission, the surface of the plane-parallel plate facing the first source is matte and installed perpendicular to the axis of the first light source , a diaphragm with a hole is installed in the focal plane of the third two-lens system, the specified hole is made with but with a third two-lens system and the axis of the first light source, the diameter D opening and the focal length f ₄ of the exit lens in the third two-lens system associated relation θ = arctg (D / f _4), a first optical filter having axisymmetric radial variation of light transmittance for the wavelength λ ₁ and is transparent to light of a wavelength λ _2, the second optical filter has an axisymmetric radial change in transmittance for light of wavelength λ _2, and is transparent to light of a wavelength λ _1, both filters are mounted coaxially with tre rd two-lens system, the optical axis of the third two-lens system and the third light source are perpendicular and intersect in the region of their intersection set of light beams of the second mixer, wherein the mixing plane is angled beams 45 ^o to the axis of the third two-lens system and the third light source.

2. The Sun simulator according to claim 1, characterized in that the first optical filter is made in the form of a plano-convex lens, supplemented to a plane-parallel plate using a concave-flat lens, the plane-convex lens made of a substance transparent at a wavelength of light λ ₂ and having a region transmission edges at a wavelength of light λ ₁ , and a concave-flat lens made of a substance that is transparent at both wavelengths of light λ ₁ and λ ₂ .
3. The Sun simulator according to claim 1, characterized in that the second optical filter is made in the form of a thin film on a substrate, the substances of the thin film and the substrate are transparent at both light wavelengths λ ₁ and λ ₂ , the geometric thickness of the film axisymmetrically decreases in the radial direction from the value of t ₁ in the center of the filter to the value of t ₂ at a distance r from the center of the filter, where r is the radius of the light beam of the simulator, and if the refractive index n _{2 of the} film is less than the refractive index n _{3 of the} substrate, then

and if the refractive index n _{2 of the} film is greater than the refractive index n _{3 of the} substrate, then