RU2083039C1

RU2083039C1 - Laser beam forming device

Info

Publication number: RU2083039C1
Application number: RU94023414A
Authority: RU
Inventors: В.Г. Бородин; С.В. Красов; С.Л. Потапов; А.В. Чарухчев; В.Н. Веснин
Priority date: 1994-06-20
Filing date: 1994-06-20
Publication date: 1997-06-27
Also published as: RU94023414A

Abstract

FIELD: distant optical location and communication, optical range finders. SUBSTANCE: device in the form of lens of double-refraction material and polarization plane revolver brings additional curvature in reflected-wavefront beam and matches beam aperture with light diameters of optical components of optical forming telescope. In the process, aberrations in beam are compensated for and aberration-free laser beam of greater aperture is conveyed to distant object under study. EFFECT: improved characteristics of laser beam due to its greater aperture and compensated aberrations. 1 dwg

Description

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для создания приемно-передающих устройств в системах дальней оптической локации и связи. The invention relates to laser technology and can be used to create transmit-receive devices in systems of distant optical location and communication.

Одной из актуальных задач в этих областях является направленная транспортировка энергии на большие расстояния лазерным излучением. Для достижения максимальных параметров по дальности, угловому разрушению и пространственной плотности энергии транспортирующий пучок должен быть мощным, большого диаметра и с максимально скомпенсированными аберрациями волнового фронта (ВФ). Так, например, для достижения пространственного разрешения в 15 см на расстояниях 300 км при длине волны λ=1,06 мкм требуется сформировать лазерный пучок дифракционного качества и световым диаметром 5 м. One of the urgent tasks in these areas is the directed transportation of energy over long distances by laser radiation. To achieve maximum parameters in range, angular destruction, and spatial energy density, the transporting beam must be powerful, large in diameter, and with maximum compensated wavefront aberrations (WF). For example, to achieve a spatial resolution of 15 cm at distances of 300 km at a wavelength of λ = 1.06 μm, it is required to form a laser beam of diffraction quality and a light diameter of 5 m.

Изготовление без аберраций (дифракционно ограниченных) оптических элементов устройств, формирующих мощные пучки большой апертуры, представляет сложную задачу, которая в настоящее время не решена. Кроме того, существует динамическая составляющая аберраций, вызванная неустранимыми шумовыми колебаниями несущих конструкций. Поэтому одним из известных путей ее решения является создание устройств из обычных элементов, обладающих аберрациями, с последующей их компенсацией специальной оптической системой. The manufacture without aberrations of (diffraction-limited) optical elements of devices forming powerful beams of a large aperture is a complex task that has not been solved at present. In addition, there is a dynamic component of aberrations caused by unrecoverable noise vibrations of the supporting structures. Therefore, one of the known ways to solve it is to create devices from ordinary elements with aberrations, followed by their compensation by a special optical system.

Устройства для формирования такого пучка включают источник с усилителем лазерного излучения, оконечную телескопическую систему, а также оптическую систему компенсации аберраций ВФ (включающих как статическую, так и динамическую составляющие, вносимые в пучок лазерным усилителем мощности и телескопом). Системы компенсации аберраций основаны на явлении обращения волнового фронта (ОВФ), которое реализуется при вынужденных рассеяниях излучения (комбинационное, Мандельштамма-Бриллюэна и др.) либо с помощью голографических устройств. Система компенсации функционирует по двухпроходовой схеме. На первом проходе высококачественный пучок, генерируемый маломощным лазером, проходя через телескоп и усилитель, накапливает аберрации. Затем пучок обращается по фазе в узле ОВФ, распространяется назад, проходя через те же элементы усилителя мощности и телескопа. При этом аберрации в пучке компенсируются, а мощность возрастает. Поскольку обращенный пучок обладает свойством распространяться точно в обратную сторону (к источнику), для его направления после прохождения телескопа к удаленному облучаемому объекту в пучок вносят дополнительную кривизну. Эту функцию выполняет специальный узел - преобразователь волнового фронта. Вторая функция преобразователя обеспечить согласование апертур пучка с дополнительной кривизной со световыми диаметрами оптических элементов, по которым он распространяется. С учетом того, что пучок обращен по фазе (ОВФ), обеспечивается компенсация аберраций в пучке, внесенных в него данными оптическими элементами на первом проходе. Devices for forming such a beam include a source with a laser radiation amplifier, an end telescopic system, and an optical system for compensating WF aberrations (including both static and dynamic components introduced into the beam by a laser power amplifier and telescope). Aberration compensation systems are based on the phenomenon of wavefront reversal (phase conjugation), which is realized during stimulated scattering of radiation (Raman, Mandelstamm-Brillouin, etc.) or using holographic devices. The compensation system operates on a two-pass scheme. In the first pass, a high-quality beam generated by a low-power laser, passing through a telescope and amplifier, accumulates aberrations. Then the beam is reversed in phase in the phase conjugation unit, propagates backward, passing through the same elements of the power amplifier and telescope. In this case, the aberrations in the beam are compensated, and the power increases. Since the reversed beam has the property of propagating exactly in the opposite direction (to the source), additional curvature is introduced into the beam to pass it after passing the telescope to a distant irradiated object. This function is performed by a special unit - a wavefront converter. The second function of the converter is to ensure matching of the beam apertures with additional curvature with the light diameters of the optical elements along which it propagates. Taking into account the fact that the beam is phase reversed (phase conjugate), compensation is made for aberrations in the beam introduced into it by these optical elements in the first pass.

Известно устройство (Оптика и спектроскопия. 1971, т. XXXI, вып. 6, с. 992 999), формирующее лазерный пучок большой апертуры с компенсацией аберраций оконечного телескопа, включающее источник лазерного эталонного излучения, диагональное зеркало с расширителем лазерного пучка, оконечную телескопическую систему, узел ОВФ на основе голограммного элемента, на котором предварительно записаны аберрации объектива, преобразователь волнового фронта, изменяющий кривизну волнового фронта и согласующий на объективе апертуру эталонного и обращенного пучков. A device is known (Optics and spectroscopy. 1971, v. XXXI, issue 6, p. 992 999), which generates a large-aperture laser beam with compensation for the aberrations of the terminal telescope, including a laser reference radiation source, a diagonal mirror with a laser beam expander, and an end telescopic system , phase conjugation unit based on a hologram element on which lens aberrations are prerecorded, a wavefront converter that changes the curvature of the wavefront and matches the aperture of the reference and reversed beams on the lens in.

Однако качество формирования данным устройством лазерного пучка большой апертуры невысоко, поскольку компенсируются аберрации, вызванные статической составляющей искажений оптических элементов, которая записана на голограммном элементе. Аберрации, отвечающие динамической составляющей искажений, вызванной колебаниями оптических элементов и несущих конструкций, не компенсируются. Кроме того, часть энергии теряется при обращении пучка на голограммном элементе, а мощность преобразуемого пучка невысока и ограничена лучевой прочностью эмульсионного слоя голограммного элемента. However, the quality of the formation of a large aperture laser beam by this device is low, since the aberrations caused by the static component of distortion of the optical elements recorded on the hologram element are compensated. Aberrations corresponding to the dynamic component of distortion caused by vibrations of optical elements and load-bearing structures are not compensated. In addition, part of the energy is lost when the beam is reversed on the hologram element, and the power of the converted beam is low and limited by the radiation strength of the emulsion layer of the hologram element.

Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является устройство (Квантовая электроника, 1991, т. 18, N6, с. 762 766), включающее лазерный источник поляризованного эталонного излучения, диагональное зеркало с расширителем лазерного пучка, объектив телескопа, лазерный усилитель, узел ОВФ, преобразователь волнового фронта на основе дифракционного оптического элемента (ДОЭ), изменяющий кривизну волнового фронта и согласующий на объективе апертуры эталонного и обращенного пучков. The closest in technical essence to this invention is a device (Quantum Electronics, 1991, v. 18, N6, p. 762 766), including a laser source of polarized reference radiation, a diagonal mirror with a laser beam expander, a telescope lens, a laser amplifier, a phase conjugation unit , a wavefront converter based on a diffractive optical element (DOE), changing the curvature of the wavefront and matching the aperture of the reference and reversed beams on the lens.

Однако качество формирования мощного лазерного пучка большой апертуры таким устройством невысоко, поскольку ДОЭ с необходимыми параметрами реализуется на небольших апертурах (≃ 0,3 м). Кроме того, часть энергии эталонного и обращенного пучков теряется на ДОЭ, а мощность преобразуемого пучка ограничена лучевой прочностью ДОЭ. However, the quality of formation of a powerful large-aperture laser beam by such a device is low, since DOE with the necessary parameters is realized at small apertures (≃ 0.3 m). In addition, part of the energy of the reference and reversed beams is lost on the DOE, and the power of the converted beam is limited by the radiation strength of the DOE.

Целью изобретения является повышение качества формирования мощных лазерных пучков большой апертуры. The aim of the invention is to improve the quality of the formation of high-power laser beams of a large aperture.

Цель достигается тем, что в известном устройстве формирования лазерного пучка, включающем оптически связанные лазерный источник поляризованного эталонного излучения, диагональное зеркало с расширителем лазерного пучка, объектив телескопа, лазерный усилитель, узел ОВФ, преобразователь волнового фронта, изменяющий кривизну волнового фронта и согласующий на объективе апертуры эталонного и обращенного пучков, преобразователь волнового фронта выполнен в виде узла, содержащего линзу из 2-лучепреломляющего материала и вращатель плоскости поляризации, линза расположена между телескопом и лазерным усилителем в плоскости, оптически сопряженной с главным зеркалом объектива телескопа, при этом линза выполнена с возможностью поворота вокруг оптической оси. The goal is achieved by the fact that in the known device for the formation of a laser beam, including an optically coupled laser source of polarized reference radiation, a diagonal mirror with a laser beam expander, a telescope lens, a laser amplifier, a phase conjugation unit, a wavefront converter that changes the wavefront curvature and matches the aperture on the lens reference and inverted beams, the wavefront converter is made in the form of a node containing a lens of 2-refractive material and a plane rotator polarization, the lens is located between the telescope and the laser amplifier in a plane optically conjugated with the main mirror of the telescope lens, while the lens is made to rotate around the optical axis.

На чертеже изображена оптическая схема устройства формирования лазерного пучка, где лазерный источник 1 поляризованного эталонного излучения; диагональное зеркало 2; расширитель 3 пучка; главное зеркало 4 объектива телескопа; первый контррефлектор 5 объектива телескопа; точка 6 фокусировки эталонного излучения; преобразователь 7 волнового фронта; линза 8 из двулучепреломляющего материала; вращатель плоскости поляризации 9; лазерный усилитель мощности 10; узел ОВФ 11; точка 12 фокусировки обращенного излучения; второй контррефлектор 13 объектива телескопа; лазерный пучок большой апертуры 14; точка 15 пересечения соответствующих лучей эталонного и обращенного пучков на линзе из 2-лучепреломляющего материала; точка 16 пересечения тех же соответствующих лучей на главном зеркале телескопа; 00' - оптическая ось устройства. The drawing shows an optical diagram of a device for forming a laser beam, where the laser source 1 is polarized reference radiation; diagonal mirror 2; extender 3 beams; the main mirror 4 of the telescope lens; the first counterreflector 5 of the telescope lens; point 6 focusing reference radiation; wavefront converter 7; lens 8 of birefringent material; polarization plane rotator 9; laser power amplifier 10; site OVF 11; point 12 focusing the reverse radiation; a second counterreflector 13 of the telescope lens; large-aperture laser beam 14; point 15 of the intersection of the corresponding rays of the reference and reversed beams on the lens of 2-refractive material; point 16 of the intersection of the same corresponding rays on the main mirror of the telescope; 00 'is the optical axis of the device.

На чертеже изображены лучи, проходящие через верхнюю часть меридионального сечения объектива телескопа. В нижней части они проходят симметрично относительно оптической оси. The drawing shows the rays passing through the upper part of the meridional section of the telescope objective. In the lower part they pass symmetrically with respect to the optical axis.

Устройство функционирует следующим образом. The device operates as follows.

Эталонным поляризованным излучением лазерного источника 1 с помощью диагонального зеркала 2 и расширителя 3 пучка облучают главное зеркало 4 объектива телескопа. Отраженное главным зеркалом 4 излучение поступает на первый контррефлектор 5, фокусируется в точке 6, поступает затем на преобразователь 7, выполненный в виде линзы 8 из 2-лучепреломляющего материала, например кристалла, и вращателя плоскости поляризации 9. Линза, выполненная из кристалла, имеет два фокуса. Точка 6 совмещена с одним из фокусов линзы, поэтому за преобразователем 7 распространяется параллельный пучок лучей. Вращатель плоскости поляризации 9, например ячейка Фарадея, поворачивает вектор поляризации на 45^o относительно исходной ориентации. Далее пучок после лазерного усилителя 10 поступает в узел ОВФ 11. Обращенный по фазе пучок распространяется в обратном направлении, проходит усилитель 10 и вращатель 9. После вращателя плоскость поляризации обращенного пучка поворачивается еще на 45^o и становится ортогональной плоскости поляризации исходного эталонного пучка. Далее обращенный пучок поступает на линзу 8. Поскольку показатель преломления 2-лучепреломляющего материала (кристалла) зависит от ориентации вектора поляризации, обращенный пучок фокусируется линзой 8 во второй фокус точку 12 фокусировки обращенного излучения (т.е. в пучок вносится дополнительная кривизна), совмещенную с фокусом главного зеркала 4 телескопа. Расходящаяся за точкой 12 волна поступает на 2-й контррефлектор 13 телескопа, затем облучает главное зеркало 4 телескопа и после отражения от зеркала направляется на удаленный облучаемый объект в виде мощного лазерного пучка 14 большой апертуры.The reference polarized radiation of the laser source 1 using the diagonal mirror 2 and the beam expander 3 irradiate the main mirror 4 of the telescope lens. The radiation reflected by the main mirror 4 enters the first counterreflector 5, focuses at point 6, then enters the transducer 7, made in the form of a lens 8 of a 2-refracting material, such as a crystal, and a polarization plane rotator 9. A lens made of a crystal has two focus. Point 6 is combined with one of the foci of the lens, so a parallel beam of rays propagates behind the transducer 7. The rotator of the plane of polarization 9, for example a Faraday cell, rotates the polarization vector by 45 ^o relative to the original orientation. Then the beam after the laser amplifier 10 enters the phase conjugation unit 11. The phase-reversed beam propagates in the opposite direction, the amplifier 10 and the rotator 9 pass. After the rotator, the polarization plane of the inverted beam rotates another 45 ^° and becomes orthogonal to the polarization plane of the original reference beam. Then, the inverted beam enters the lens 8. Since the refractive index of the 2-refracting material (crystal) depends on the orientation of the polarization vector, the inverted beam is focused by the lens 8 into the second focus point 12 of the focus of the reversed radiation (i.e., additional curvature is introduced into the beam), combined with the focus of the main mirror 4 telescopes. A wave diverging beyond point 12 enters the 2nd counterreflector 13 of the telescope, then irradiates the main mirror 4 of the telescope and, after reflection from the mirror, is directed to a distant irradiated object in the form of a powerful laser beam 14 of a large aperture.

Преобразователь 7 волнового фронта вносит в пучок дополнительную кривизну, за счет которой после отражения от главного зеркала формируется лазерный пучок 14 большой апертуры, направляемый на удаленный облучаемый объект. Если в обращенный пучок не вносить дополнительной кривизны преобразователем 7, пучок за преобразователем пойдет точно в обратном направлении, соберется в точке 6 и далее после отражения от контррефлектора 5 и зеркала 4 поступит на выходной зрачок лазерного источника 1. При этом устройство не выполнит своей функции по формированию лазерного пучка большой апертуры, транспортирующего энергию на большие расстояния. The wavefront converter 7 introduces additional curvature into the beam, due to which, after reflection from the main mirror, a large-aperture laser beam 14 is formed, which is directed to a distant irradiated object. If additional curvature is not introduced into the inverted beam by transducer 7, the beam after the transducer will go exactly in the opposite direction, gather at point 6 and then, after reflection from the counterreflector 5 and mirror 4, will go to the exit pupil of the laser source 1. In this case, the device will not fulfill its function of the formation of a large-aperture laser beam transporting energy over long distances.

Обращенный пучок до 2-го контррефлектора 13 распространяется точно в обратном направлении по отношению к пучку эталонному, при этом в нем компенсируются аберрации, накопленные эталонным пучком в многоэлементном усилителе мощности 10, преобразователе 7. Контррефлекторы 5 и 13, расширитель 3 пучка и диагональное зеркало 2 имеют небольшие световые диаметры и могут быть выполнены с высоким качеством, при котором они не вносят в пучок искажений. The reversed beam to the 2nd counterreflector 13 propagates exactly in the opposite direction with respect to the reference beam, while it compensates for the aberrations accumulated by the reference beam in the multi-element power amplifier 10, converter 7. Counterreflectors 5 and 13, beam expander 3 and diagonal mirror 2 have small light diameters and can be made with high quality, in which they do not introduce distortion into the beam.

Накопленные в эталонном пучке аберрации компенсируются в обращенном пучке при его распространении в том случае, если каждый луч из обращенного пучка проходит через те же точки на световом диаметре оптических элементов, через которые проходит соответствующий ему луч из пучка эталонного. Поскольку соответствующие лучи совмещаются на линзе, как, например, пара лучей в точке 15, для компенсации аберраций главного зеркала достаточно установить линзу 8 в сопряженной ему плоскости. В этом случае соответствующие лучи также совмещаются и на главном зеркале в точке 16, т.е. каждый луч обращенного пучка проходит через ту же точку на поверхности главного зеркала 4 телескопа, через которую проходил соответствующий ему луч эталонного пучка. При этом аберрации главного зеркала 4 телескопа компенсируются в обращенном пучке и после отражения от зеркала излучение направляется на удаленный объект в виде мощного лазерного пучка большой апертуры со скомпенсированными аберрациями. The aberrations accumulated in the reference beam are compensated in the reversed beam during its propagation if each beam from the reversed beam passes through the same points on the light diameter of the optical elements through which the corresponding beam from the reference beam passes. Since the corresponding rays are aligned on the lens, such as, for example, a pair of rays at point 15, to compensate for the aberrations of the main mirror, it is sufficient to install lens 8 in the conjugate plane. In this case, the corresponding rays are also aligned on the main mirror at point 16, i.e. each beam of the reversed beam passes through the same point on the surface of the main mirror 4 of the telescope, through which the corresponding beam of the reference beam passed. In this case, the aberrations of the main mirror 4 of the telescope are compensated in the reversed beam, and after reflection from the mirror, the radiation is directed to a distant object in the form of a powerful laser beam of a large aperture with compensated aberrations.

Таким образом, преобразователь волнового фронта, выполненный в виде линзы из двулучепреломляющего материала и вращателя плоскости поляризации, вносит в обращенный по фазе пучок дополнительную кривизну, вследствие этого за главным зеркалом телескопа формируется лазерный пучок большой апертуры, направляемый на удаленный облучаемый объект. Расположение линзы преобразователя в плоскости, сопряженной с главным зеркалом телескопа, обеспечивает условия для компенсации аберраций главного зеркала в сформированном лазерном пучке большой апертуры. Thus, the wavefront converter, made in the form of a lens of birefringent material and a polarization plane rotator, introduces additional curvature into the phase-reversed beam, as a result of which a large aperture laser beam is formed behind the main mirror of the telescope and directed to a remote irradiated object. The location of the transducer lens in a plane conjugated with the main mirror of the telescope provides conditions for compensating for aberrations of the main mirror in the formed laser beam of a large aperture.

Линза из двулучепреломляющего материала, например из кристалла, функционирует следующим образом. Известно, что волна W, вектор

поляризации которой лежит в плоскости главного сечения (плоскость, проходящая через оптическую ось кристалла и нормаль к волновому фронту), распространяется по кристаллу без двулучепреломления. Показатель преломления для такой волны равен n₁, и для случая линзы с положительной силой пучок фокусируется в фокусе f₁. Волна W₂, вектор

поляризации которой нормален к главному сечению, распространяется по кристаллу также без двулучепреломления. Показатель преломления кристалла для такой волны равен n₂ и для линзы с положительной силой волна W₂ фокусируется в точке f₂, причем так как n₁≠n₂, то f₁≠f₂. При всех других ориентациях в кристалле образуются две волны W₁ и W₂, которые одновременно фокусируются каждая в своем фокусе f₁ и f₂. С другой стороны, чтобы сферическая расходящаяся из некоторой точки волны была преобразована в плоскую положительной линзой из 2-лучепреломляющего материала, необходимо не только совместить с этой точкой фокус линзы, но и ориентировать кристаллографические оси линзы относительно вектора

поляризации. Так, например, при совмещении источника расходящейся сферической волны с фокусом f₁ необходимо вектор поляризации

ориентировать параллельно главной плоскости. В этом случае волна преобразуется в плоскую. При любой другой ориентации в кристалле образуется две волны W₁ и W₂. При этом W₁ преобразуется в плоскую, а W₂ будет иметь кривизну.A lens of a birefringent material, for example, of a crystal, operates as follows. It is known that the wave W, vector

the polarization of which lies in the plane of the main section (the plane passing through the optical axis of the crystal and normal to the wavefront) propagates through the crystal without birefringence. The refractive index for such a wave is n ₁ , and for a lens with a positive force, the beam is focused at the f ₁ focus. Wave W ₂ , vector

the polarization of which is normal to the main cross section, propagates through the crystal also without birefringence. The refractive index of the crystal for such a wave is n _2, and for a lens with a positive force, the wave W _{2 is} focused at f ₂ , and since n ₁ ≠ n ₂ , then f ₁ ≠ f ₂ . For all other orientations, two waves W ₁ and W ₂ are formed in the crystal, which are simultaneously focused at each focus f ₁ and f ₂ . On the other hand, in order for a spherical wave diverging from a certain point to be transformed into a flat positive lens of 2-refracting material, it is necessary not only to combine the focus of the lens with this point, but also to orient the crystallographic axis of the lens relative to the vector

polarization. So, for example, when combining the source of a diverging spherical wave with focus f _1, you need a polarization vector

Orient parallel to the main plane. In this case, the wave is converted to a plane. For any other orientation, two waves W ₁ and W _{2 are} formed in the crystal. In this case, W _{1 is} converted to flat, and W ₂ will have a curvature.

Таким образом, линза из 2-лучепреломляющего материала имеет 2 фокуса, каждому из которых соответствует своя поляризация фокусируемого излучения. Thus, a lens of 2-refracting material has 2 foci, each of which has its own polarization of the focused radiation.

Ориентация кристаллографических осей линзы 8 относительно

необходима для исключения энергетических потерь в преобразователе. Для этого точку 6 совмещают с фокусом линзы 8 и путем вращения линзы вокруг ее оптической оси устанавливают ориентацию кристаллографических осей относительно вектора поляризации волны, соответствующую данному фокусу, при этом за линзой распространяется плоская волна. Обращенная волна после прохождения вращателя плоскости поляризации приобретает поляризацию, ортогональную к поляризации эталонной, и следовательно, фокусируется во втором фокусе линзы (точка 12). Точка 12 оптически сопряжена контррефлектором 13 с фокусом главного зеркала 4. Поэтому расходящаяся из точки 12 волна после отражения от главного зеркала распространяется к удаленному облучаемому объекту в виде мощной волны большой апертуры без аберраций. При такой ориентации кристаллографических осей линзы преобразователь не вносит энергетических потерь. При любой другой ориентации эталонная волна разделится на две. Из них одна преобразуется в плоскую, а другая, как было показано выше, приобретет кривизну. Однако поскольку угловой спектр усилителя мощности ограничен, эта волна рассеется. Это приведет к потере энергии (практически эта волна будет экранирована диафрагмами пространственных фильтров усилителя мощности). Далее, обращенная волна также разделится в линзе на две. Одна из них сфокусируется в точке 12, попадет на главное зеркало и сформируется в пучок большой апертуры. Другая волна сфокусируется в точке 6, далее попадет в выходной зрачок лазерного источника 1 и также рассеется, что приведет к дополнительным потерям энергии.The orientation of the crystallographic axes of the lens 8 relative to

necessary to exclude energy losses in the converter. To do this, point 6 is aligned with the focus of the lens 8 and by rotating the lens around its optical axis, the orientation of the crystallographic axes relative to the wave polarization vector corresponding to this focus is established, while a plane wave propagates behind the lens. After passing through the rotator of the plane of polarization, the reversed wave acquires a polarization orthogonal to the reference polarization, and therefore focuses in the second focus of the lens (point 12). Point 12 is optically coupled by the counterreflector 13 with the focus of the main mirror 4. Therefore, a wave diverging from point 12 after reflection from the main mirror propagates to a distant irradiated object in the form of a powerful wave of a large aperture without aberrations. With this orientation of the crystallographic axis of the lens, the converter does not introduce energy losses. For any other orientation, the reference wave is divided into two. Of these, one is converted to flat, and the other, as shown above, will acquire curvature. However, since the angular spectrum of the power amplifier is limited, this wave is scattered. This will lead to a loss of energy (practically this wave will be shielded by the diaphragms of the spatial filters of the power amplifier). Further, the reversed wave will also be divided into two in the lens. One of them will focus at point 12, fall on the main mirror and form into a large aperture beam. Another wave will be focused at point 6, then it will fall into the exit pupil of the laser source 1 and will also be scattered, which will lead to additional energy losses.

Таким образом, возможность поворота линзы вокруг оптической оси обеспечивает распространение излучения по оптическому тракту и формирование мощного лазерного пучка большой апертуры без потерь энергии в устройстве. Thus, the ability to rotate the lens around the optical axis ensures the propagation of radiation along the optical path and the formation of a powerful laser beam of a large aperture without energy loss in the device.

Сравним предлагаемое устройство с прототипом. Прототип функционирует следующим образом. Compare the proposed device with the prototype. The prototype operates as follows.

Эталонный пучок после диагонального зеркала и расширителя падает на главное зеркало телескопа, на которое нанесена дифракционная структура (ДОЭ). Излучение дифрагирует на ДОЭ, при этом волна в 1-м порядке дифракции, содержащая 5% энергии от падающей, поступает на контррефлектор и далее направляется в усилитель мощности и узел ОВФ. Обращенная волна, распространяясь в обратном направлении, вновь попадает на главное зеркало. Вследствие дифракции на ДОЭ волна (содержащая 95% энергии падающей обращенной волны) отражается от зеркала в нулевом порядке дифракции. При этом за счет разных порядков дифракции на ДОЭ кривизна обращенной волны на главном зеркале отлична от кривизны эталонной. Поэтому после отражения обращенной волны от главного зеркала формируется волна большой апертуры со скомпенсированными аберрациями, которая распространяется к удаленному объекту. ДОЭ служит элементом, вносящим дополнительную кривизну в ВФ пучка, а также согласующим апертуры эталонной и обращенной волн на главном зеркале. The reference beam after the diagonal mirror and the expander falls on the main mirror of the telescope, on which the diffraction structure (DOE) is applied. The radiation is diffracted by DOE, while the wave in the 1st diffraction order, containing 5% of the incident energy, is fed to the counterreflector and then sent to the power amplifier and the phase conjugation unit. The reversed wave, propagating in the opposite direction, again hits the main mirror. Due to diffraction by a DOE wave (containing 95% of the energy of the incident reversed wave) is reflected from the mirror in the zeroth diffraction order. Moreover, due to different diffraction orders on the DOE, the curvature of the reverse wave on the main mirror is different from the curvature of the reference. Therefore, after reflection of the reversed wave from the main mirror, a large aperture wave with compensated aberrations is formed, which propagates to a distant object. DOE serves as an element introducing additional curvature in the WF of the beam, as well as matching the apertures of the reference and reverse waves on the main mirror.

ДОЭ, перераспределяя энергию в дифаркционные порядки, вносит энергетические потери в эталонную и обращенную волну. При этом снижение потерь в эталонной волне, например, при повышении дифракционной эффективности в 1-м порядке с 5 до 10% пропорционально приведет к снижению дифракционной эффективности и возрастанию потерь в 1-м порядке. При этом суммарные потери возрастут. Кроме того, поскольку полезно используется только 5% энергии эталонной волны необходимо создавать эталонный источник, в 20 25 раз более мощный, чем требуется для функционирования устройства. Учитывая, что качество эталонного источника должно быть предельно высоким (дифракционно ограниченным) такие потери значительно усложняют задачу его создания. DOE, redistributing energy into diffraction orders, introduces energy losses into the reference and reverse waves. At the same time, a decrease in losses in the reference wave, for example, with an increase in diffraction efficiency in the 1st order from 5 to 10%, will proportionally lead to a decrease in diffraction efficiency and an increase in losses in the 1st order. In this case, the total loss will increase. In addition, since only 5% of the energy of the reference wave is useful, it is necessary to create a reference source that is 20 to 25 times more powerful than is required for the operation of the device. Considering that the quality of the reference source should be extremely high (diffraction limited), such losses significantly complicate the task of its creation.

В устройстве по предлагаемому изобретению такие потери отсутствуют. Потому требуется в 20 25 раз менее мощный источник эталонного излучения, изготовление которого значительно проще. In the device according to the invention, there are no such losses. Therefore, it requires 20 to 25 times less powerful source of reference radiation, the manufacture of which is much simpler.

Преобразователь на основе ДОЭ имеет большую угловую дисперсию (поскольку по существу представляет собой обычную дифракционную решетку). Это приводит к тому, что длина волны излучения должна быть высокостабилизированной: Δλ/λ = 10^-7 В противном случае направление распространения сформированного мощного пучка большой апертуры будет зависеть от длины волны.The DOE-based converter has a large angular dispersion (since it is essentially a conventional diffraction grating). This leads to the fact that the radiation wavelength must be highly stabilized: Δλ / λ = 10 ^-7 Otherwise, the propagation direction of the generated high-power large-aperture beam will depend on the wavelength.

В устройстве по предлагаемому изобретению величина дисперсии невелика, не требуется специальных средств и методов стабилизации длины волны. Необходимая точность направления распространения сформированного мощного пучка большой апертуры может быть достигнута с параметрами стабилизации длины волны, присущими обычным, существующим лазерным источникам. In the device according to the invention, the dispersion value is small, special means and methods for stabilizing the wavelength are not required. The necessary accuracy of the propagation direction of the generated high-power large-aperture beam can be achieved with wavelength stabilization parameters inherent in conventional, existing laser sources.

Далее, нанесение ДОЭ на главное зеркало, диаметр которого составляет 3 - 5 м, представляет собой сложную проблему, не решенную в настоящее время. Для ее реализации необходимо создать специальную светочувствительную эмульсию, высокостабилизированный по частоте (для большой длины когерентности), мощный, безаберрационный лазерный пучок. Создание источника такого излучения представляет сложную задачу. Further, the application of DOE on the main mirror, the diameter of which is 3-5 meters, is a complex problem that has not been solved at the present time. For its implementation, it is necessary to create a special photosensitive emulsion, highly stabilized in frequency (for a long coherence length), and a powerful, non-aberrational laser beam. Creating a source of such radiation is a difficult task.

Метод нарезания решетки с помощью делительной машины также неприменим ввиду больших габаритов подложки (зеркала). The method of cutting the grill using a dividing machine is also not applicable due to the large dimensions of the substrate (mirror).

В устройстве по предлагаемому изобретению основной элемент линза из двулучепреломляющего материала может быть выполнен, например, из кристалла ниобата лития (LiNbO₃), который обладает высокой лучевой прочностью, и может быть установлен в мощном пучке. Световой диаметр линзы невысок (≃20 см), поэтому она может быть выполнена на основе обычной технологии, принятой в оптическом приборостроении. Если размеры кристаллов меньше по технологическим причинам, чем необходимый диаметр линзы, последняя может быть изготовлена "сотовым" методом, при котором в единой оправе закрепляется несколько кристаллов и затем вся заготовка обрабатывается, как единое целое.In the device according to the invention, the main lens element of the birefringent material can be made, for example, of a lithium niobate crystal (LiNbO ₃ ), which has high radiation resistance, and can be installed in a powerful beam. The light diameter of the lens is low (≃20 cm), therefore, it can be performed on the basis of conventional technology adopted in optical instrumentation. If the size of the crystals is smaller for technological reasons than the required diameter of the lens, the latter can be made by the "honeycomb" method, in which several crystals are fixed in a single frame and then the entire workpiece is processed as a whole.

Приведем пример габаритного расчета оптической схемы устройства, работающего совместно с объективом телескопа со световым диаметром 1 м и фокусным расстоянием главного зеркала (Г3) телескопа F 1 м. Излучение лазерного источника 1 (Потапов С.Л. и др. Сб. Тезисы докладов конференции. Оптика лазеров. Л. 1990, с. 277) с помощью диагонального зеркала 2 и расширителя 3 пучка фокусируется на оптической оси на расстоянии 210 см от Г3 4, облучает Г3 и собирается далее на оси на расстоянии 190 см от Г3. На расстоянии 8,7 см от этой точки (ближе к Г3) устанавливается первый контррефлектор 5 в виде выпуклого зеркала с фокусным расстоянием f₁ 9,73 см и световым диаметром 5,54 см. Этим контррефлектором падающее на него излучение фокусируется в точку 6, находящуюся на расстоянии l 98,6 см от Г3. В этом месте установлен второй контррефлектор 13, выполненный в виде выпуклого зеркала с фокусным расстоянием 1,555 см, световым диаметром 0,7 см и отверстием в центре диаметром 1,5 мм. Пучок проходит через это отверстие и попадает на линзу 8 ил 2-лучепреломляющего материала, например, из ниобата лития (LiNbO₃). Линза из кристалла имеет следующие параметры: световой диаметр 10 см, радиус кривизны первой поверхности R 250 см, вторая поверхность плоская. Для обыкновенной волны показатель преломления составляет n₀ 2,2463 и линза имеет фокус с f₀ 200 см, для необыкновенной волны n_e 2,1627 и f_e 214 см. Линза расположена на расстоянии 214 см от второго контррефлектора 13. Далее излучение, поступившее на линзу, формируется в параллельный пучок, проходит через вращатель плоскости поляризации ячейку Фарадея 9 на магнитоактивном стекле МОС 12 длиной 60 мм. Усиленное и обращенное за счет ВРМБ в TiCl₄ излучение после второго прохода ячейки Фарадея приобретает ортогональную поляризацию и фокусируется в точке 12, для которой f₀ 200 см. Эта точка является сопряженной с фокусом Г3. Действительно, расстояние от f₀ до контррефлектора 13 составляет S' 14 см (так как f_e находится в плоскости контррефлектора 13). Фокусное расстояние контррефлектора f₂ 1,555 см. Расстояние между фокусом Г3 и контррефлектором 13 составляет S F l 1,4 см. Учитывая знаки, для выпуклого зеркала получим, что S, S' и f₂ удовлетворяют уравнению Ньютона:

Из этого следует, что фокус F, находящийся на расстоянии 1,4 см от контррефлектора 13, и фокальная точка линзы f₀, находящаяся на расстоянии (-14) см от контррефлектора, являются сопряженными. То есть кристаллическая линза с указанными выше параметрами вносит в пучок дополнительную кривизну, за счет которой после отражения от Г3 формируется пучок, направляемый к удаленному объекту (в геометрическом приближении к бесконечности).Let us give an example of a dimensional calculation of the optical scheme of a device working in conjunction with a telescope objective with a light diameter of 1 m and a focal length of the main mirror (G3) of the telescope F 1 m. Laser source radiation 1 (Potapov S.L. et al. Sat. Abstracts of conference reports. Laser Optics (L. 1990, p. 277) using a diagonal mirror 2 and a beam expander 3 focuses on the optical axis at a distance of 210 cm from G3 4, irradiates G3, and then collects on the axis at a distance of 190 cm from G3. At a distance of 8.7 cm from this point (closer to G3), the first counterreflector 5 is installed in the form of a convex mirror with a focal length f ₁ 9.73 cm and a light diameter of 5.54 cm. With this counterreflector, the radiation incident on it is focused at point 6, located at a distance of l 98.6 cm from G3. At this point, a second counterreflector 13 is installed, made in the form of a convex mirror with a focal length of 1.555 cm, a light diameter of 0.7 cm and a hole in the center with a diameter of 1.5 mm. The beam passes through this hole and enters the lens 8 or 2-refractory material, for example, lithium niobate (LiNbO ₃ ). The crystal lens has the following parameters: light diameter 10 cm, radius of curvature of the first surface R 250 cm, the second surface is flat. For an ordinary wave, the refractive index is n ₀ 2.2463 and the lens has a focus with f ₀ 200 cm, for an unusual wave n _e 2.1627 and f _e 214 cm. The lens is located at a distance of 214 cm from the second counterreflector 13. Next, the radiation received on the lens, is formed into a parallel beam, passes through the rotator of the plane of polarization of the Faraday cell 9 on the magnetically active glass MOS 12 60 mm long. The amplified and converted by SBS in TiCl ₄ radiation after the second pass of the Faraday cup acquires orthogonal polarization and focuses at point 12, for which f ₀ 200 cm. This point is conjugate to the focus G3. Indeed, the distance from f ₀ to the counterreflector 13 is S ′ 14 cm (since f _e is in the plane of the counterreflector 13). The focal length of the counterreflector f ₂ 1,555 cm. The distance between the focus G3 and the counterreflector 13 is SF l 1,4 cm. Given the signs, for a convex mirror we get that S, S 'and f ₂ satisfy Newton's equation:

It follows that the focus F, located at a distance of 1.4 cm from the counterreflector 13, and the focal point of the lens f ₀ , located at a distance of (-14) cm from the counterreflector, are conjugated. That is, a crystalline lens with the above parameters introduces additional curvature into the beam, due to which, after reflection from Г3, a beam is formed that is directed to a distant object (in a geometric approximation to infinity).

Таким образом, преобразователь волнового фронта, выполненный в виде узла, содержащего линзу из двулучепреломляющего материала и вращателя плоскости поляризации, вносит в пучок дополнительную кривизну, за счет которой мощный пучок с обращенным волновым фронтом после отражения от главного зеркала объектива телескопа распространяется к удаленному облучаемому объекту. Размещение линзы в плоскости, оптически сопряженной с главным зеркалом телескопа, обеспечивает согласование светового диаметра пучка со световым диаметром главного зеркала. При этом в обращенном пучке компенсируются аберрации, внесенные главным зеркалом. Выполнение узла с возможностью поворота линзы вокруг оптической оси позволяет устранить энергетические потери. Поэтому отраженное от главного зеркала излучение распространяется к удаленному облучаемому объекту в виде мощного пучка большой апертуры со скомпенсированными аберрациями волнового фронта. Thus, the wavefront converter, made in the form of a node containing a lens of birefringent material and a polarization plane rotator, introduces additional curvature into the beam, due to which a powerful beam with a reversed wavefront propagates to the remote irradiated object after reflection from the main mirror of the telescope lens. Placing the lens in a plane optically conjugated with the main mirror of the telescope ensures matching of the light diameter of the beam with the light diameter of the main mirror. In this case, the aberrations introduced by the main mirror are compensated in the reversed beam. The implementation of the site with the ability to rotate the lens around the optical axis can eliminate energy loss. Therefore, the radiation reflected from the main mirror propagates to the remote irradiated object in the form of a powerful large aperture beam with compensated wavefront aberrations.

Кроме того, преобразователь выполнен из материалов, используемых в лазерной технике и имеющих высокую лучевую прочность. Элементы преобразователя расположены в пучке небольшого светового диаметра (≃ 20 см) и могут быть изготовлены на основе обычных, существующих в настоящее время технологий. In addition, the converter is made of materials used in laser technology and having high radiation strength. The elements of the converter are located in a beam of small light diameter (≃ 20 cm) and can be made on the basis of conventional, currently existing technologies.

Новая совокупность известных признаков придала объекту защиты новое свойство, выразившееся в том, что за счет выполнения преобразователя волнового фронта в виде линзы из 2-лучепреломляющего материала и вращателя плоскости поляризации возможно компенсировать аберрации главного зеркала объектива телескопа большой апертуры, за счет чего повышается качество формирования мощных лазерных пучков большой апертуры. A new set of known signs gave the object of protection a new property, which was expressed in the fact that due to the implementation of the wavefront converter in the form of a lens of 2-refracting material and a polarization plane rotator, it is possible to compensate for the aberrations of the main mirror of the large aperture telescope lens, thereby improving the quality of formation of powerful laser beams of a large aperture.

На основании вышеизложенного можно считать, что заявленные отличия "существенны". Based on the foregoing, it can be considered that the stated differences are “significant”.

Claims

A device for generating a laser beam, including an optically coupled laser source of polarized reference radiation, a diagonal mirror with a laser beam expander, a telescope lens, a laser amplifier, a phase conjugation unit, a wavefront converter that changes the wavefront curvature and matches the aperture of the reference and reversed beams, different the fact that the wavefront converter is made in the form of a node containing a lens of 2-refractory material and a polarization plane rotator The lens is arranged between the telescope and the laser amplifier in a plane optically conjugate with the main lens of the telescope mirror, wherein the lens is rotatable around the optical axis.