RU2077068C1 - Optical adaptive module - Google Patents
Optical adaptive module Download PDFInfo
- Publication number
- RU2077068C1 RU2077068C1 RU92010078A RU92010078A RU2077068C1 RU 2077068 C1 RU2077068 C1 RU 2077068C1 RU 92010078 A RU92010078 A RU 92010078A RU 92010078 A RU92010078 A RU 92010078A RU 2077068 C1 RU2077068 C1 RU 2077068C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical
- radiation
- adaptive
- prism
- adaptive mirror
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Lasers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к управляемой оптике и может быть использовано для уменьшения расходимости излучения лазеров при их эксплуатации, а также для управления волновым фронтом лазерных пучков в оптических приборах и системах. The invention relates to controlled optics and can be used to reduce the divergence of laser radiation during their operation, as well as to control the wavefront of laser beams in optical instruments and systems.
Известна внутрирезонаторная адаптивная система компенсации искажений излучения лазера, содержащая корректирующее устройство в виде адаптивного зеркала, установленного внутри резонатора, линзу, в фокусе которой находится фотоприемник с расположенной перед ним точечной диафрагмой, усилители, синхронные детекторы, задающие генераторы и смесители. Разделение каналов управления адаптивным зеркалом достигается выбором различных модулирующих частот задающих генераторов. Недостатками данной системы являются использование внутрирезонаторной схемы коррекции, поскольку это предполагает вмешательство в конструкцию лазера, сложность системы и ее элементов, низкая точность и надежность компенсации искажений. Known intracavity adaptive system for compensating distortions of laser radiation, containing a correction device in the form of an adaptive mirror mounted inside the resonator, a lens in the focus of which is a photodetector with a point aperture located in front of it, amplifiers, synchronous detectors, master oscillators and mixers. The separation of the adaptive mirror control channels is achieved by the choice of various modulating frequencies of the master oscillators. The disadvantages of this system are the use of an intracavity correction scheme, since this involves interference with the laser design, the complexity of the system and its elements, low accuracy and reliability of distortion compensation.
Известна адаптивная система компенсации теплового самовоздействия лазерного излучения, содержащая корректирующее устройство, состоящее из цилиндрических линз и поворотных зеркал, и систему управления им, состоящую из лазера, оптической системы и двух каналов управления. Один из каналов, содержащий квадратный приемник излучения, расположенный в фокусе линзы, дифференциальные и выходные усилители, формирует сигналы управления положением двух поворотных зеркал. Другой канал, содержащий линзу, в фокусе которой находится фотоприемник с расположенной перед ним точечной диафрагмой, усилители, синхронные детекторы, задающие генераторы, фазовращатели, фильтры и сумматоры, формирует сигналы управления шаговыми двигателями, которые перемещают цилиндрические линзы вдоль оптической оси, причем разделение сигналов управления положением цилиндрических линз достигается выбором различных модулирующих частот задающих генераторов. Known adaptive compensation system for thermal self-influence of laser radiation, containing a correction device consisting of cylindrical lenses and rotary mirrors, and its control system, consisting of a laser, an optical system and two control channels. One of the channels, containing a square radiation receiver located at the focus of the lens, differential and output amplifiers, generates control signals for the position of two rotary mirrors. Another channel containing a lens, the focus of which is a photodetector with a point diaphragm located in front of it, amplifiers, synchronous detectors, specifying generators, phase shifters, filters and adders, generates control signals for stepper motors that move cylindrical lenses along the optical axis, and the separation of control signals the position of the cylindrical lenses is achieved by the selection of various modulating frequencies of the master oscillators.
Недостатками известного устройства являются сложность системы в целом, а также устройств, в нее входящих, низкая точность и надежность компенсации искажений. The disadvantages of the known device are the complexity of the system as a whole, as well as the devices included in it, low accuracy and reliability of distortion compensation.
Техническим результатом от использования изобретения является упрощение системы динамической компенсации дефокусировки и наклонов волнового фронта лазерного излучения с одновременным повышением точности и надежности компенсации. The technical result from the use of the invention is to simplify the system of dynamic compensation for defocusing and tilting the wavefront of the laser radiation while improving the accuracy and reliability of compensation.
Указанный результат достигается тем, что оптический адаптивный модуль, содержащий корректирующее устройство и два приемника излучения, расположенных в фокусах линз, один из который квадратный, а перед другим расположена точечная диафрагма, снабжен находящимися в едином корпусе последовательно расположенными входным оптическим окном, корректирующим устройством, содержащим динамическую юстировочную головку с расположенным в ней адаптивным зеркалом, и прямоугольной призмой, катетные грани которой частично прозрачны, входным оптическим окном, двумя приемниками излучения и электронным усилителем-преобразователем, входы которого соединены с выходами приемников излучения, а выходы с динамической юстировочной головкой и адаптивным зеркалом. This result is achieved by the fact that the optical adaptive module containing the correction device and two radiation detectors located in the foci of the lenses, one of which is square, and in front of the other there is a point diaphragm, is equipped with an input optical window located in a single housing, a correction device containing a dynamic alignment head with an adaptive mirror located in it and a rectangular prism, the side legs of which are partially transparent, with an input optical m window, the two radiation receivers and an electronic amplifier-converter, the inputs of which are connected to the outputs of detectors, and outputs a dynamic aligning head and an adaptive mirror.
Упрощение системы динамической компенсации дефокусировки и наклонов волнового фронта лазерного излучения достигается за счет исключения лазера, синхронных детекторов, задающих генераторов, фазовращателей, фильтров и сумматоров и замены на прямую разделительную призму и электронный усилитель преобразователь. Повышение точности и надежности компенсации дефокусировки и наклонов волнового фронта обеспечивается за счет использования биморфного адаптивного зеркала вместо цилиндрических линз, перемещаемых шаговыми двигателями, и динамической юстировочной головки с пьезоэлектрическими приводами вместо поворотных зеркал. Simplification of the dynamic compensation system for defocusing and tilting the wavefront of laser radiation is achieved by eliminating the laser, synchronous detectors, master oscillators, phase shifters, filters and adders and replacing the converter with a direct dividing prism and electronic amplifier. Improving the accuracy and reliability of compensating for defocusing and tilting the wavefront is achieved through the use of a bimorph adaptive mirror instead of cylindrical lenses moved by stepper motors, and a dynamic alignment head with piezoelectric drives instead of rotary mirrors.
На фиг. 1 приведена принципиальная схема оптического адаптивного модуля; на фиг. 2 расположение фокального пятна на квадратном приемнике излучения в исходном состоянии; на фиг. 3 то же, при наличии искажений волнового фронта; на фиг. 4 принципиальная схема электронного усилителя-преобразователя; на фиг. 5 состав и принцип действия динамической юстировочной головки. In FIG. 1 shows a schematic diagram of an optical adaptive module; in FIG. 2 the location of the focal spot on the square radiation receiver in the initial state; in FIG. 3 the same, in the presence of wavefront distortions; in FIG. 4 schematic diagram of an electronic amplifier-converter; in FIG. 5 composition and principle of operation of the dynamic alignment head.
Устройство состоит из корпуса 1, в котором имеются входное 2 и выходное 3 оптические окна. За входным окном 2 последовательно расположены адаптивное зеркало 4, укрепленное в динамической юстировочной головке 5, и разделительная призма 6, после которой расположены два приемных оптических канала и выходное оптическое окно 3. Один из приемных оптических каналов содержит линзу 7 и квадратный приемник излучения 8, другой линзу 9, в фокусе которой находится приемник излучения 10 с расположенной перед ним точечной диафрагмой 11. Выходы приемников излучения 8 и 10 подключены через электронный усилитель-преобразователь 12 к динамической юстировочной головке 5 и адаптивному зеркалу 4. The device consists of a housing 1, in which there are input 2 and
Оптический адаптивный модуль работает следующим образом. The optical adaptive module operates as follows.
Лазерный пучок через входное окно 2 поступает на адаптивное зеркало 4 и далее на разделительную призму 6, с которой небольшая доля излучения отводится в приемные оптические каналы, а основной пучок через выходное окно 3 выводится из лазерного адаптивного модуля. В исходном состоянии форма отражающей поверхности адаптивного зеркала 4 плоская, а элементы 4 11 съюстированы так, что подающий на адаптивное зеркало 4 лазерный пучок E с плоским волновым фронтом
где амплитуда пучка;
радиус вектор;
ωo угловая частота лазерного излучения;
t временная координата;
k волновое число;
Φo постоянный сдвиг фазы
создает в центре каждого приемника излучения фокальное пятно минимального диаметра. На фиг. 2 показано расположение фокального пятна на квадратном приемнике излучения 8 при входном пучке 1 в исходном состоянии, когда для выходных сигналов U1 U4 этого приемника, пропорциональных площадям засветки соответствующих светочувствительных площадок П1,П4, справедливо
U1 исх=U3 исх (2)
U2 исх=U4 исх (3)
Выходной сигнал U5 второго приемника излучения 10, пропорциональный интенсивности излучения в центре фокального пятна, в исходном состоянии при входном пучке (1) имеет свое максимальное значение Uмакс
U5 исх=Uмакс
Электронный усилитель-преобразователь 12 (фиг. 4) имеет три канала усиления, каждый из которых содержит два последовательно расположенных дифференциальных усилителя 13, причем последние из них имеют обратную связь через резистор 14, а первые регулировку коэффициента усиления. Один из каналов усиления дополнительно содержит схему запоминания и сравнения 15, а также потенциометр 16. Выходные сигналы U1.U5 приемников излучения 8, 10 поступают на входы электронного усилителя-преобразователя 12, как показано на фиг. 4, который формирует управляющие сигналы адаптивного зеркала 4 V3 и динамической юстировочной головки 5 V1, V2
где U1.U4 выходные сигналы квадратного приемника излучения;
U5 выходной сигнал второго приемника излучения;
Uмакс выходной сигнал второго приемника в исходном состоянии;
K1.K3 коэффициенты усиления каналов электронного усилителя-преобразователя;
' обозначение предыдущих значений сигналов U1.U5, V1.V3,
причем знак перед вторым слагаемым в (7) меняется на противоположный, если:
В исходном состоянии справедливо:
V1 исх=V2 исх=V3 исх=0 (9)
При наличии в лазерном пучке (1) искажений типа наклонов и дефокусировки волнового фронта, описываемых соответственно функциями
где C1, C2, C3 постоянные коэффициенты,
фокальное пятно на квадратном приемнике излучения 8 смещается (фиг. 3) так, что на динамическую юстировочную головку 5 поступают управляющие сигналы V1, V2 в соответствии с (5), (6). Интенсивность излучения в центре фокального пятна на приемнике 10 в этом случае снижается так, что на адаптивное зеркало 4 поступает управляющий сигнал V3 в соответствии с (7), (8). Динамическая юстировочная головка 5 содержит неподвижное основание 17 ( фиг. 5) с установленными на нем опорой 18 и пьезоэлектрическим приводом 19, на которых расположено подвижное основание 20, причем соединение его с опорой 18 представляет собой шаровой шарнир. На подвижном основании 20 с помощью опоры 21 и пьезоэлектрического привода 22 аналогично установлена подвижная оправка 23, в которой неподвижно закрепляется адаптивное зеркало 4, причем угол между прямыми, соединяющими элементы 18 и 19, 21 и 22, составляет 90o. Пьезоэлектрические приводы 19 и 22 деформируются под воздействием управляющих сигналов V2 и V1 соответственно так, что наклоны отражающей поверхности адаптивного зеркала 4 описываются функциями S1 и S2
S1=V1•a1•x (13)
S2=V2•a2•y (14)
где f1, a2 постоянные коэффициенты.The laser beam through the input window 2 enters the adaptive mirror 4 and then to the separation prism 6, with which a small fraction of the radiation is allocated to the receiving optical channels, and the main beam through the
Where beam amplitude;
radius vector;
ω o the angular frequency of the laser radiation;
t time coordinate;
k wave number;
Φ o constant phase shift
creates a focal spot of minimum diameter in the center of each radiation receiver. In FIG. 2 shows the location of the focal spot on the square radiation receiver 8 with the input beam 1 in the initial state, when for the output signals U 1 U 4 of this receiver, which are proportional to the illumination areas of the corresponding photosensitive areas P1, P4,
U 1 ref = U 3 ref (2)
U 2 ref = U 4 ref (3)
The output signal U 5 of the second radiation receiver 10, which is proportional to the radiation intensity at the center of the focal spot, has its maximum value U max in the initial state with the input beam (1)
U 5 ref = U max
The electronic amplifier-converter 12 (Fig. 4) has three amplification channels, each of which contains two
where U 1 .U 4 the output signals of the square radiation receiver;
U 5 the output signal of the second radiation receiver;
U max the output signal of the second receiver in the initial state;
K 1 .K 3 channel gains of the electronic converter amplifier;
'designation of the previous values of the signals U 1 .U 5 , V 1 .V 3 ,
moreover, the sign in front of the second term in (7) is reversed if:
In the initial state, it is true:
V 1 ref = V 2 ref = V 3 ref = 0 (9)
In the presence of distortions in the laser beam (1) such as slopes and defocusing of the wavefront, described by the
where C 1 , C 2 , C 3 constant coefficients,
the focal spot on the square radiation receiver 8 is shifted (Fig. 3) so that the control signals V 1 , V 2 are supplied to the dynamic alignment head 5 in accordance with (5), (6). The radiation intensity in the center of the focal spot at the receiver 10 in this case decreases so that the control signal V 3 is supplied to the adaptive mirror 4 in accordance with (7), (8). The dynamic alignment head 5 comprises a fixed base 17 (Fig. 5) with a
S 1 = V 1 • a 1 • x (13)
S 2 = V 2 • a 2 • y (14)
where f 1 , a 2 constant coefficients.
Адаптивное зеркало 4-биморфное с управляющим электродом в виде круга и функцией отклика f:
f=a3(x2+y2) (15)
где a3 постоянный коэффициент;
деформируется под воздействием управляющего сигнала V3 так, что его отражающая поверхность описывается функцией S3
S3= V3f=V3a3•(x2+y2). (16) фаза Φотр. отраженного от адаптивного зеркала 4 лазерного пучка (1), содержащего наклоны (10), (11) и дефокусировку (12) волнового фронта, есть
Φотр=Φo+Φ1+Φ2+Φ3-2K•cosθo•(S1+S2+S3), (17)
где θ угол падения лазерного пучка на зеркало и при некоторых значениях коэффициентов усиления K1, K2, K3 в (5), (7) каналов усилителя-преобразователя 12 справедливо
vотр=Φo (18)
при
Значения коэффициентов усиления K1, K2, K3 каналов усилителя-преобразователя 12 устанавливаются на этапе юстировки так, чтобы для некоторых пробных искажений (10),(12) выполнялись условия (19),(21), и, следовательно, (18), что соответствует плоскому волновому фронту выходного лазерного пучка и полной компенсации дефокусировки и наклонов.4-bimorph adaptive mirror with a control electrode in the form of a circle and response function f:
f = a 3 (x 2 + y 2 ) (15)
where a 3 constant coefficient;
is deformed under the influence of the control signal V 3 so that its reflecting surface is described by the function S 3
S 3 = V 3 f = V 3 a 3 • (x 2 + y 2 ). (16) phase Φ neg. reflected from the adaptive mirror 4 of the laser beam (1) containing the slopes (10), (11) and the defocusing (12) of the wave front, is
Φ neg = Φ o + Φ 1 + Φ 2 + Φ 3 -2K • cosθ o • (S 1 + S 2 + S 3 ), (17)
where θ is the angle of incidence of the laser beam on the mirror and for some values of the gain K 1 , K 2 , K 3 in (5), (7) channels of the amplifier-
v neg = Φ o (18)
at
The gain coefficients K 1 , K 2 , K 3 of the amplifier-
При наличии в лазерном пучке (1) наклонов и дефокусировки волнового фронта, изменяющихся со временем
Φ1(t)=C1(t)•x, (22)
выходные сигналы U1,U5 приемников излучения 8, 10 и, следовательно, управляющие сигналы динамической юстировочной головки 5 - V1, V2 и адаптивного зеркала 4 V3 также изменяются со временем, при этом работа лазерного адаптивного модуля представляет собой итерационный процесс достижения условий (2),(4), соответствующих компенсации дефокусировки и наклонов волнового фронта выходного излучения.In the presence of tilts and defocusing of the wavefront in the laser beam (1), which change with time
Φ 1 (t) = C 1 (t) • x, (22)
the output signals U 1 , U 5 of the radiation receivers 8, 10 and, therefore, the control signals of the dynamic alignment head 5 - V 1 , V 2 and the adaptive mirror 4 V 3 also change with time, while the operation of the laser adaptive module is an iterative process of achieving conditions (2), (4), corresponding to compensation for defocusing and slopes of the wavefront of the output radiation.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU92010078A RU2077068C1 (en) | 1992-12-07 | 1992-12-07 | Optical adaptive module |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU92010078A RU2077068C1 (en) | 1992-12-07 | 1992-12-07 | Optical adaptive module |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU92010078A RU92010078A (en) | 1995-01-27 |
RU2077068C1 true RU2077068C1 (en) | 1997-04-10 |
Family
ID=20133148
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU92010078A RU2077068C1 (en) | 1992-12-07 | 1992-12-07 | Optical adaptive module |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2077068C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7884888B2 (en) | 2005-03-09 | 2011-02-08 | 3M Innovative Properties Company | Automatic darkening filter with offset polarizers |
-
1992
- 1992-12-07 RU RU92010078A patent/RU2077068C1/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Воронцов М.А., Шмальгаузен В.И. Принципы адаптивной оптики. - М.: Наука, 1985, с.99 - 100. Там же, с.95-96. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7884888B2 (en) | 2005-03-09 | 2011-02-08 | 3M Innovative Properties Company | Automatic darkening filter with offset polarizers |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5465170A (en) | Alignment adjusting system for use in optical system of optical transceiver | |
KR890016408A (en) | Wide Beam Position Error Correction System | |
JPH11136190A (en) | Optical space communication equipment | |
CA2171590A1 (en) | Method and device for focusing laser beam | |
US5621561A (en) | Laser scanner incorporating variable focus mechanism for rapidly changing beam spot size | |
US4968874A (en) | Optical pickup with astigmatism correcting lens | |
JP2000068934A (en) | Optical communication device mounted on satellite | |
US6118471A (en) | Beam diameter control method and device | |
EP0980154A2 (en) | Light space-transmission device | |
EP0903608A2 (en) | Beam steerer | |
RU2077068C1 (en) | Optical adaptive module | |
US20050254112A1 (en) | Systems and methods for modifying wavefronts | |
US5541761A (en) | Optical beam scanning apparatus adjusting focal point over entire image forming area by feedback control | |
JPH0447377B2 (en) | ||
US4595810A (en) | Device for focusing a laser on a recording medium by wavelength modulation | |
JPWO2018128118A1 (en) | Optical communication device | |
US5362956A (en) | Piston error sensor for phased optical arrays | |
US4852106A (en) | Optical system for producing controlled beat frequency | |
JP4328401B2 (en) | Optical communication device | |
US5812585A (en) | Method and arrangement for adjusting a mirror to a laser resonator | |
EP0683414A1 (en) | Optical scanning apparatus | |
RU2117322C1 (en) | Device for generation of light beams | |
RU2050560C1 (en) | Method of setting laser radiation on object | |
JP2535852B2 (en) | Beam positioner control circuit | |
SU871128A1 (en) | Optical system for focusing and adjusting two-mirror telescope |