RU2381625C1

RU2381625C1 - Device for stabilising tele-orientation laser system

Info

Publication number: RU2381625C1
Application number: RU2008147489/09A
Authority: RU
Inventors: Олег Леонидович Головков (RU); Олег Леонидович Головков
Original assignee: Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Государственный Рязанский Приборный Завод"
Priority date: 2008-12-01
Filing date: 2008-12-01
Publication date: 2010-02-10

Abstract

FIELD: physics; optics.

SUBSTANCE: invention relates to laser engineering and can be used for creating an information field of laser systems for tele-orientation and navigation and optical communication. For this purpose the device for stabilising the tele-orientation laser system includes: a laser, a two-dimensional acoustooptic deflector which includes two anisotropic acoustooptic cells, a polarisation light-splitting unit with a mirror end face, placed between the two-dimensional acoustooptic deflector and a third anisotropic acoustooptic cell, a wave plate (λ/2) and a polarisation optical splitter of laser radiation placed between the third anisotropic acoustooptic cell and a telescope, as well as two pairs of optical wedges, one of which is placed after the polarisation optical splitter of laser radiation and the other after the polarisation light-splitting unit, a telescopic system and a position-sensitive photodetector.

EFFECT: increased stability of operation of the tele-orientation laser system under external effects (temperature change, vibration).

1 dwg

Description

Изобретение относится к области лазерной техники и используется для формирования информационного поля лазерных систем телеориентации и навигации, оптической связи и может быть использовано при управлении, посадке и стыковке летательных аппаратов, проводке судов через узости или своды мостов, дистанционном управлении робототехническими устройствами в опасных для человека зонах.The invention relates to the field of laser technology and is used to form the information field of laser teleorientation and navigation systems, optical communications, and can be used in the control, landing and docking of aircraft, piloting vessels through narrow or arched bridges, remote control of robotic devices in hazardous areas .

Из уровня техники известно устройство («Лазерные опорные системы с самоустанавливанием», В.Г.Иняков и др., ЦНИИ «Электроника», М., 1983 г., стр.16), предназначенное для определения отклонения лазерного излучения. Данное устройство работает следующим образом. Лазер генерирует излучение, которое делится на два канала с помощью призмы Френеля (ВР-0) и призмы (АР-90), приклеенной к первой отражающей грани призмы таким образом, чтобы получился светоделительный куб. Лазерное излучение в канале I после выхода из призмы попадает на позиционно чувствительный фотоприемник, а излучение в канале II, прошедшее через призму, проходит через асферический объектив, светоделительный куб и попадает на позиционно чувствительный фотоприемник, в качестве которого может использоваться четырехквадрантный фотодиод. Асферический объектив служит для того, чтобы длина оптического пути в двух каналах распространения лазерного излучения значительно отличалась. Тогда, зная разницу оптического пути в канале I и II и величину отклонения пучков лазерного излучения на фотоприемниках (Sx и S'x), можно точно определить величину ухода пучка лазерного излучения относительно оптической оси устройства.The prior art device ("Laser support systems with self-alignment", VG Inyakov and others, Central Research Institute "Electronics", M., 1983, p.16), designed to determine the deviation of the laser radiation. This device operates as follows. The laser generates radiation, which is divided into two channels using a Fresnel prism (BP-0) and a prism (AP-90), glued to the first reflective face of the prism in such a way that a beam splitting cube is obtained. The laser radiation in channel I, after exiting the prism, is incident on a positionally sensitive photodetector, and the radiation in channel II, which has passed through the prism, passes through an aspherical lens, a beam splitting cube, and falls on a positionally sensitive photodetector, which can be used as a four-quadrant photodiode. An aspherical lens ensures that the optical path length in the two laser propagation channels is significantly different. Then, knowing the difference in the optical path in channel I and II and the deviation of the laser beams at the photodetectors (Sx and S'x), it is possible to accurately determine the amount of laser beam drift relative to the optical axis of the device.

К недостаткам данного устройства измерения отклонения пучка лазерного излучения стоит отнести ошибки измерения, вызванные линейным отклонением фотоприемников и угловой нестабильностью всех призм. Данные уходы особенно сказываются при изменении температуры окружающей среды. Также для измерения отклонения двух пучков лазерного излучения необходимо использовать два вышеприведенных устройства.The disadvantages of this device for measuring the deviation of the laser beam include measurement errors caused by the linear deviation of the photodetectors and the angular instability of all prisms. These treatments are especially affected when the ambient temperature changes. Also, to measure the deviation of two laser beams, it is necessary to use the two above devices.

Наиболее близкой к заявляемому техническому решению является лазерная система телеориентации (патент на изобретение RU №2177208, опубликовано 2001.12.20, МПК: Н04В 10/10), которая и выбрана в качестве прототипа. Данная лазерная система телеориентации включает последовательно установленные: лазер, двухкоординатный акустооптический дефлектор, содержащий две анизотропные акустооптические ячейки, развернутые друг относительно друга на 90°, поляризационную светоделительную призму, создающую два канала распространения лазерного излучения, которая, в свою очередь, состоит из призмы ВР-0 в виде параллелограмма с приклеенными к отклоняющим излучение граням призмами АР-90. Отклоняющие излучение грани призмы обладают поляризационно-избирательными свойствами, которые направляют лазерное излучение по каналу I, если работают два акустооптических дефлектора (разворот плоскости поляризации лазерного излучения на 180°), и по каналу II, если работает один из акустооптических дефлекторов (разворот плоскости поляризации лазерного излучения на 90°). Для управления излучением по двум координатам в канале II используется дополнительный акустооптический дефлектор. Телескоп формирует ближнюю зону телеориентации объекта, так как использование телескопа с уменьшением изображения позволяет увеличить угловую величину поля управления объектом.Closest to the claimed technical solution is a laser television orientation system (patent for invention RU No. 2177208, published 2001.12.20, IPC: Н04В 10/10), which is selected as a prototype. This laser teleorientation system includes sequentially installed: a laser, a two-coordinate acousto-optic deflector, containing two anisotropic acousto-optic cells rotated 90 ° relative to each other, a polarizing beam-splitting prism, which creates two channels of laser radiation propagation, which, in turn, consists of a prism BP 0 in the form of a parallelogram with AR-90 prisms glued to the radiation deflecting faces. Prism-deflecting prism faces have polarization-selective properties that direct laser radiation along channel I if two acousto-optical deflectors are working (180 ° rotation of the plane of polarization of the laser radiation), and along channel II if one of the acousto-optical deflectors is working (rotation of the plane of polarization of the laser radiation at 90 °). To control radiation in two coordinates in channel II, an additional acousto-optic deflector is used. The telescope forms the near zone of the object’s teleorientation, since the use of the telescope with image reduction allows you to increase the angular magnitude of the object’s control field.

При использовании данного изобретения происходит разъюстировка обоих каналов относительно конструктивных осей изделия, в первую очередь за счет изменения температуры окружающей среды, так как изменяется скорость распространения акустической волны в дефлекторах, что приводит к ухудшению точности управления объектом. Данную ошибку можно компенсировать введением поправки частоты акустической волны в зависимости от температуры среды, но в процессе работы происходит разный разогрев дефлекторов, и процесс имеет динамический характер. Поэтому необходимо непрерывно контролировать изменение положения лазерного излучения относительно конструктивных осей изделия и корректировать его соответствующим образом.When using this invention, the alignment of both channels relative to the structural axes of the product occurs, primarily due to changes in ambient temperature, since the propagation speed of the acoustic wave in the deflectors changes, which leads to a deterioration in the accuracy of control of the object. This error can be compensated by introducing a correction of the frequency of the acoustic wave depending on the temperature of the medium, but in the process of work different heating of the deflectors occurs, and the process has a dynamic character. Therefore, it is necessary to continuously monitor the change in the position of the laser radiation relative to the structural axes of the product and adjust it accordingly.

Задача, на решение которой направлено изобретение, - создать такую лазерную систему телеориентации, у которой на стабильности пространственного положения пучков лазерного излучения не сказывались бы угловые и линейные уходы оптических элементов, вызванные внешними источниками воздействия (температура и вибрация).The problem to which the invention is directed is to create such a laser teleorientation system in which the angular and linear drifts of optical elements caused by external sources of influence (temperature and vibration) would not affect the stability of the spatial position of the laser beams.

Технический результат изобретения направлен на повышение стабильности работы лазерной системы телеориентации при воздействии внешних факторов (изменение температуры, вибрации).The technical result of the invention is aimed at improving the stability of the laser teleorientation system when exposed to external factors (temperature, vibration).

В предлагаемом устройстве стабилизации лазерной системы телеориентации технический результат достигается тем, что лазерная система телеориентации дополнительно включает измерительный канал.In the proposed device stabilization of the laser system of television orientation, the technical result is achieved by the fact that the laser system of television orientation further includes a measuring channel.

Устройство стабилизации лазерной системы телеориентации включает последовательно установленные: лазер, двухкоординатный акустооптический дефлектор, содержащий две анизотропные акустооптические ячейки, развернутые друг относительно друга на 90°, а также третью анизотропную акустооптическую ячейку, телескоп и измерительный канал. Измерительный канал содержит поляризационный светоделительный блок с зеркальной торцевой гранью, установленный между двухкоординатным акустооптическим дефлектором и третьей анизотропной акустооптической ячейкой, волновую пластинку (λ/2) и поляризационный оптический разветвитель лазерного излучения, установленные между третьей анизотропной акустооптической ячейкой и телескопом, последовательно установленные по ходу излучения две пары оптических клиньев, одна из которых размещена после поляризационного оптического разветвителя лазерного излучения, а другая - после поляризационного светоделительного блока, а также телескопическую систему и позиционно чувствительное фотоприемное устройство.The stabilization device of the laser teleorientation system includes serially installed: a laser, a two-coordinate acousto-optic deflector, containing two anisotropic acousto-optic cells rotated 90 ° from each other, as well as a third anisotropic acousto-optic cell, a telescope and a measuring channel. The measuring channel contains a polarizing beam splitting unit with a mirror end face mounted between a two-coordinate acousto-optic deflector and a third anisotropic acousto-optic cell, a wave plate (λ / 2) and a polarizing optical laser splitter installed between the third anisotropic acousto-optic cell and a telescope, sequentially installed along the radiation two pairs of optical wedges, one of which is placed after the polarizing optical splitter azernogo radiation, and the other - after the polarization beam splitter unit and telescopic system and a position sensitive photodetector.

Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежом, на котором представлена структурная схема устройства стабилизации лазерной системы телеориентации.The essence of the proposed device is illustrated in the drawing, which shows a structural diagram of a device for stabilization of a laser television orientation system.

Для стабилизации лазерной системы телеориентации, представленной в прототипе, необходимо постоянно контролировать пространственные параметры лазерных пучков относительно конструктивных осей изделия.To stabilize the laser teleorientation system presented in the prototype, it is necessary to constantly monitor the spatial parameters of the laser beams relative to the structural axes of the product.

Контролировать уходы лазерного излучения в пространстве позволяет введение в лазерную систему телеориентации измерительного канала. Измерительный канал состоит из последовательно установленных: поляризационного светоделительного блока, имеющего зеркальное покрытие на торце, волновой пластинки λ/2, поляризационного оптического разветвителя, двух пар оптических клиньев, телескопической системы, позиционно чувствительного фотоприемника.The introduction of a measuring channel into the laser system allows controlling laser radiation drifts in space. The measuring channel consists of sequentially installed: a polarizing beam splitting unit having a mirror coating on the end, a λ / 2 wave plate, a polarizing optical splitter, two pairs of optical wedges, a telescopic system, and a position-sensitive photodetector.

Устройство стабилизации лазерной системы телеориентации содержит последовательно установленные: лазер 1, двухкоординатный акустооптический дефлектор, включающий две анизотропные акустооптические ячейки 2 и 3, развернутые друг относительно друга на 90°, последовательно установленные поляризационный светоделительный блок 6 с зеркальной торцевой гранью, размещенный между двухкоординатным акустооптическим дефлектором и третьей анизотропной акустооптической ячейкой 4, волновую пластинку (λ/2) 7 и поляризационный оптический разветвитель 8 лазерного излучения, размещенные между третьей анизотропной акустооптической ячейкой 4 и телескопом 5, а также последовательно установленные по ходу лазерного излучения две пары оптических клиньев 9, одна из которых размещена после поляризационного оптического разветвителя 8 лазерного излучения, а другая - после поляризационного светоделительного блока 6, телескопическую систему 10 и позиционно чувствительный фотоприемник 11. Поляризационный оптический разветвитель 8 представляет собой трапециевидную призму ВР-180 с двумя приклеенными к отражающим граням призмами АР-90. При этом зеркальные покрытия поляризационного светоделительного блока 6 и поляризационного оптического разветвителя 8 имеют разные поляризационные свойства.The stabilization device of the laser teleorientation system contains sequentially installed: laser 1, two-coordinate acousto-optic deflector, comprising two anisotropic acousto-optic cells 2 and 3, 90 ° rotated relative to each other, sequentially installed polarizing beam splitting unit 6 with a mirror end face placed between the two-coordinate acousto-optic deflector and the third anisotropic acousto-optic cell 4, the wave plate (λ / 2) 7 and the polarizing optical splitter 8 laser radiation located between the third anisotropic acousto-optic cell 4 and the telescope 5, as well as two pairs of optical wedges 9, one after which is placed after the polarizing optical splitter 8 of the laser radiation, and the other after the polarizing beam splitting unit 6, telescopic system 10 and position-sensitive photodetector 11. The polarizing optical splitter 8 is a trapezoidal prism VR-180 with two glued to reflecting faces with prisms of the AR-90. In this case, the mirror coatings of the polarization beam splitter 6 and the polarization optical splitter 8 have different polarization properties.

Принцип работы устройства стабилизации лазерной системы телеориентации осуществляется следующим образом.The principle of operation of the stabilization device of the laser television orientation system is as follows.

Излучение лазера 1 проходит через включенные акустооптические дефлекторы 2 и 3, поляризационный светоделительный блок 6 и отклоняется им (канал I). Далее излучение проходит через одну из пар оптических клиньев 9, поляризационный оптический разветвитель 8 и выходит наружу. Вторая зеркальная грань поляризационного светоделительного блока 6 изготовлена таким образом, что малая часть лазерного излучения (например - 1%) проходит через нее. Прошедшее через зеркальную грань лазерное излучение отражается от зеркальной поверхности (R=100%), нанесенной на торец поляризационного светоделительного блока 6, отражается от его светоделительной грани, проходит через другую пару оптических клиньев 9, телескопическую систему 10 и попадает на позиционно чувствительный фотоприемник 11. Телескопическая система 10 уменьшает изображение, за счет чего моделируется большее расстояние до фотоприемника 11.Laser radiation 1 passes through the included acousto-optical deflectors 2 and 3, the polarizing beam splitting unit 6 and is deflected by it (channel I). Next, the radiation passes through one of the pairs of optical wedges 9, the polarizing optical splitter 8 and goes outside. The second mirror face of the polarizing beam splitting unit 6 is made in such a way that a small part of the laser radiation (for example, 1%) passes through it. The laser radiation transmitted through the mirror face is reflected from the mirror surface (R = 100%) deposited on the end face of the polarizing beam splitting unit 6, reflected from its beam splitting face, passing through another pair of optical wedges 9, the telescopic system 10, and arriving at a positionally sensitive photodetector 11. The telescopic system 10 reduces the image, due to which a greater distance is simulated to the photodetector 11.

Лазерное излучение при одном включенном акустооптическом дефлекторе 2 проходит через поляризационный светоделительный блок 6 без отклонения (канал II). Лазерное излучение в канале II после акустооптического дефлектора попадает на поляризационный оптический разветвитель 8, представляющий собой трапециевидную призму ВР-180 с приклеенными на ее отражающих зеркальных гранях двумя призмами АР-90 таким образом, чтобы получились оптические делители. При этом от первой грани поляризационного оптического разветвителя 8 необходимо отражать малую часть лазерного излучения по ходу излучения в канале II и максимально отражать лазерное излучение на второй грани поляризационного оптического разветвителя 8. Лазерное излучение в канале I должно проходить через поляризационный оптический разветвитель 8 без потерь, для чего необходимо, чтобы зеркальное светоделительное покрытие поляризационного оптического разветвителя 8 пропускало без потерь лазерное излучение с ориентацией поляризации лазерного излучения в канале I и отражало лазерное излучение с ортогональной поляризацией, как в канале II. В свою очередь, лазерное излучение, отклоненное в канал II, должно проходить через отражающие покрытия поляризационного светоделительного блока 6 без потерь, для чего зеркальные покрытия поляризационного светоделительного блока 6 не должны отражать лазерное излучение, имеющее ориентацию поляризации, как в канале II, и должны отражать противоположную ориентацию (ортогональную) поляризации в канале I. Для того, чтобы поляризация лазерного излучения в канале II была ортогональна к поляризации излучения в канале I, в канале II установлена волновая пластинка (λ/2) 7, которая при определенной ориентации разворачивает поляризацию лазерного излучения на 90°. В данном случае энергетика обоих каналов в измерительном канале будет совпадать. Для взаимного сведения излучения каналов I и II в измерительном канале предусмотрены две пары оптических клиньев 9, вращение которых вокруг своей оси позволяет изменять угловое распространение лазерных пучков. Стабилизация распространения лазерного излучения осуществляется за счет применения монолитных призм, которые разворачивают лазерное излучение на постоянный угол независимо от собственного качания, при этом угловая разъюстировка измерительного канала возможна при развороте призм вокруг вертикальной оси, что практически невозможно при фиксации призм в изделии. В процессе стабилизации лазерной системы телеориентации необходимо учитывать полученную информацию с позиционно чувствительного фотоприемника 11 от каналов I и II и корректировать формирование информационного поля телеориентации объекта соответствующим образом. Так как работа каналов I и II разделена во времени, то для дополнительного разделения каналов во времени нет необходимости. Позиционно чувствительным фотоприемником 11 может служить четырехквадрантный фотодиод либо диафрагма с обычным фотодиодом. Юстировка телескопической системы 10 осуществляется таким образом, чтобы на поверхности четырехквадрантного фотодиода или диафрагмы находилась перетяжка лазерного Гаусового пучка.Laser radiation with one switched on acousto-optical deflector 2 passes through the polarizing beam splitting unit 6 without deviation (channel II). The laser radiation in channel II after the acousto-optical deflector is incident on the polarizing optical splitter 8, which is a BP-180 trapezoidal prism with two AP-90 prisms glued to its reflecting mirror faces in such a way that optical dividers are obtained. In this case, from the first face of the polarizing optical splitter 8, it is necessary to reflect a small part of the laser radiation along the radiation in channel II and to reflect the laser radiation on the second face of the polarizing optical splitter 8. The laser radiation in channel I should pass through the polarizing optical splitter 8 without loss, for which is necessary so that the mirror beam splitting coating of the polarizing optical coupler 8 allows lossless transmission of laser radiation with a polarization orientation of la grain radiation in channel I and reflected laser radiation with orthogonal polarization, as in channel II. In turn, the laser radiation deflected into channel II should pass through the reflective coatings of the polarization beam splitter 6 without loss, for which the mirror coatings of the polarization beam splitter 6 should not reflect laser radiation having a polarization orientation, as in channel II, and should reflect the opposite (orthogonal) polarization orientation in channel I. In order for the laser radiation polarization in channel II to be orthogonal to the radiation polarization in channel I, waves are installed in channel II I plate (λ / 2) 7, which at a certain orientation reverses the polarization of the laser radiation through 90 °. In this case, the energy of both channels in the measuring channel will coincide. For mutual information on the radiation of channels I and II, two pairs of optical wedges 9 are provided in the measuring channel, the rotation of which around its axis allows you to change the angular propagation of laser beams. The stabilization of the propagation of laser radiation is carried out through the use of monolithic prisms that rotate the laser radiation at a constant angle regardless of their own swing, while the angular misalignment of the measuring channel is possible when the prisms are turned around the vertical axis, which is almost impossible when fixing the prisms in the product. In the process of stabilization of the laser teleorientation system, it is necessary to take into account the information received from the positionally sensitive photodetector 11 from channels I and II and adjust the formation of the object’s teleorientation information field accordingly. Since the operation of channels I and II is divided in time, there is no need for additional separation of channels in time. A position-sensitive photodetector 11 may be a four-quadrant photodiode or a diaphragm with a conventional photodiode. The adjustment of the telescopic system 10 is carried out in such a way that there is a hauling of a laser Gaussian beam on the surface of a four-quadrant photodiode or diaphragm.

Таким образом, в предлагаемом устройстве стабилизации лазерной системы телеориентации за счет введения измерительного канала на стабильности пространственного положения пучков лазерного излучения практически не сказываются угловые и линейные уходы оптических элементов, вызванные внешними источниками воздействия (изменение температуры, вибрации).Thus, in the proposed device for stabilization of the laser television orientation system due to the introduction of the measuring channel, the angular and linear drifts of optical elements caused by external sources of influence (temperature, vibration) practically do not affect the stability of the spatial position of the laser beams.

Claims

A device for stabilization of a laser teleorientation system, comprising a series-mounted laser, including two anisotropic acousto-optic cells rotated 90 ° relative to each other, as well as a third anisotropic acousto-optic cell and telescope, characterized in that it further comprises a measuring channel including a polarizing beam splitting unit with a mirror end a face mounted between a two-coordinate acousto-optic deflector and a third anisotropic acousto-optic cell, as well as a wave plate (λ / 2) and a polarizing optical splitter of laser radiation mounted between an anisotropic acousto-optical cell and a telescope, as well as two pairs of optical wedges sequentially installed along the laser radiation, one of which is placed after the polarizing optical splitter of laser radiation, and the other after a polarization beam splitting unit, as well as a telescopic system and a position-sensitive photodetector, while mirror coatings are polarized nnogo the polarization beam splitter block and the optical splitter have different polarization properties.