RU2790198C1 - Optical system for shaping and guidance of a laser radiation beam - Google Patents
Optical system for shaping and guidance of a laser radiation beam Download PDFInfo
- Publication number
- RU2790198C1 RU2790198C1 RU2022106009A RU2022106009A RU2790198C1 RU 2790198 C1 RU2790198 C1 RU 2790198C1 RU 2022106009 A RU2022106009 A RU 2022106009A RU 2022106009 A RU2022106009 A RU 2022106009A RU 2790198 C1 RU2790198 C1 RU 2790198C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical
- plane
- secondary mirror
- axis
- diameter
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области создания систем дистанционной передачи энергии лазерного излучения на воздушные и космические объекты и лазерных локационных систем наведения с высокой точностью лазерного канала передачи энергии на приемник-преобразователь на основе полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) для преобразования электромагнитной энергии лазерного излучения высокой плотности. Области применения такого преобразования - беспроводные системы дистанционного энергопитания воздушных или космических объектов [В.А. Грилихес, П.П. Орлов, Л.Б. Попов. Солнечная энергия и космические полеты. М.: Наука, 1984, с. 199].The invention relates to the field of creating systems for remote transmission of laser radiation energy to air and space objects and laser location guidance systems with high accuracy of a laser channel for transmitting energy to a receiver-converter based on semiconductor photoelectric converters (PVC) for converting electromagnetic energy of high-density laser radiation. The areas of application of such a transformation are wireless systems for remote power supply of air or space objects [V.A. Griliches, P.P. Orlov, L.B. Popov. Solar energy and space flights. M.: Nauka, 1984, p. 199].
В космической технике определился ряд новых направлений, основанных на использовании лазерного излучения. Среди них весьма перспективным направлением следует считать передачу энергии космическим аппаратам (КА) с помощью лазерных систем передачи энергии (ЛСПЭ) на базе мощных волоконных лазеров, с последующим преобразованием в электроэнергию в приемниках-преобразователях. Волоконные лазеры, интенсивно развивающиеся в настоящее время, сочетают в себе свойства собственно генераторов излучения (лазерных диодов), усилителей излучения и высокоэффективных световодов [В.И. Кишко, В.Ф. Матюхин. Принципы построения адаптивных ретрансляторов для стратосферных систем передачи энергии // Автометрия. 2012. Т. 48, №2, с. 59-66].In space technology, a number of new directions based on the use of laser radiation have been determined. Among them, a very promising direction should be considered the transfer of energy to spacecraft (SC) using laser power transmission systems (LTTS) based on high-power fiber lasers, followed by conversion into electricity in receiver-converters. Fiber lasers, which are currently being intensively developed, combine the properties of radiation generators themselves (laser diodes), radiation amplifiers, and high-performance optical fibers [V.I. Kishko, V.F. Matyukhin. Principles of constructing adaptive repeaters for stratospheric power transmission systems // Avtometriya. 2012. V. 48, No. 2, p. 59-66].
В настоящее время каждый КА оснащен собственной системой генерирования электрической энергии. Однако существует альтернативный способ энергоснабжения, предусматривающий использование централизованных электростанций и передачу энергии космическим аппаратам-потребителям при помощи электромагнитного излучения (ЭМИ). Например, передача энергии с помощью лазера между орбитальной космической станцией, на которой установлена оптико-механическая система формирования и наведения лазерного пучка, и космическим аппаратом, на котором установлено фотоприемное устройство оптико-электронного преобразователя. При этом можно реализовать схему централизованного энергоснабжения, как отдельных КА, так и их группировок, что расширяет их функциональные возможности и увеличивает их ресурс.Currently, each spacecraft is equipped with its own power generation system. However, there is an alternative method of energy supply, which involves the use of centralized power plants and the transfer of energy to consumer spacecraft using electromagnetic radiation (EMR). For example, the transfer of energy using a laser between an orbital space station, which has an optical-mechanical system for forming and guiding a laser beam, and a spacecraft, which has a photodetector of an optical-electronic converter. In this case, it is possible to implement a centralized power supply scheme for both individual spacecraft and their groups, which expands their functionality and increases their resource.
По сравнению с другими источниками излучения лазеры обладают самой высокой степенью когерентности. Это свойство лазеров используется в оптических системах для передачи и приема информации и в других случаях. Применение лазеров как источников излучения требует разработки оптических систем, служащих для преобразования лазерного излучения. С помощью таких систем могут решаться следующие задачи: концентрация лазерного излучения в пятно малых размеров (фокусировка); преобразование лазерного пучка в пучок с малым углом расходимости (коллимация); формирование лазерного пучка в пучок с необходимыми параметрами для согласования с последующей оптической системой (согласование) [Н.П. Заказнов, С.И. Кирюшин, В.Н. Кузичев. Теория оптических систем. 3-е изд. М: Машиностроение, 1992. с. 318-319]. Для успешной реализации передачи лазерного излучения на объект-потребитель необходимо создать оптическую систему, эффективно формирующую узконаправленный лазерный пучок с целью концентрации лазерного излучения на удаленном фотоприемном устройстве.Compared to other radiation sources, lasers have the highest degree of coherence. This property of lasers is used in optical systems for transmitting and receiving information and in other cases. The use of lasers as radiation sources requires the development of optical systems that serve to convert laser radiation. With the help of such systems, the following problems can be solved: concentration of laser radiation into a small spot (focusing); conversion of a laser beam into a beam with a small angle of divergence (collimation); formation of a laser beam into a beam with the necessary parameters for matching with the subsequent optical system (matching) [N.P. Zakaznov, S.I. Kiryushin, V.N. Kuzichev. Theory of optical systems. 3rd ed. M: Mashinostroenie, 1992. p. 318-319]. To successfully implement the transmission of laser radiation to a consumer object, it is necessary to create an optical system that effectively forms a narrowly directed laser beam in order to concentrate laser radiation on a remote photodetector.
Известны лазерно-оптические системы для формирования мощных лазерных пучков на протяженных трассах с заданными характеристиками.Known laser-optical system for the formation of high-power laser beams on long paths with specified characteristics.
Так в изобретении предложенном в [Патент №2117322. Опубл. 10.08.1998. G02B 27/48 (2006.01)] приведено устройство для формирования световых пучков. Устройство содержит источник когерентного оптического излучения и вогнутое главное зеркало, устройство обращения волнового фронта со светоделителем на входе и две вспомогательные оптические системы, обеспечивающие самопроецирование главного зеркала самого на себя. Главное зеркало и элементы обеих вспомогательных систем расположены соосно. Светоделитель выполнен в виде полупрозрачного зеркала, нанесенного на поверхность линзового элемента одной из вспомогательных систем. Первая вспомогательная система может быть выполнена в виде вогнутого зеркала, линзового компонента и мениска, обращенного выпуклой поверхностью к главному зеркалу. Следует отметить, что вспомогательные оптические системы должны иметь высокое оптическое качество. При использовании предложенной оптической системы в качестве коллиматора существенным недостатком является то, что вспомогательные системы содержат большое количество оптических поверхностей, погрешности которых сказываются на точности формируемого волнового фронта.So in the invention proposed in [Patent No. 2117322. Published 08/10/1998. G02B 27/48 (2006.01)] shows a device for forming light beams. The device contains a source of coherent optical radiation and a concave main mirror, a wavefront conjugation device with a beam splitter at the input, and two auxiliary optical systems that ensure self-projection of the main mirror onto itself. The main mirror and elements of both auxiliary systems are located coaxially. The beam splitter is made in the form of a translucent mirror deposited on the surface of the lens element of one of the auxiliary systems. The first auxiliary system can be made in the form of a concave mirror, a lens component and a meniscus facing the main mirror with its convex surface. It should be noted that auxiliary optical systems must have a high optical quality. When using the proposed optical system as a collimator, a significant disadvantage is that the auxiliary systems contain a large number of optical surfaces, the errors of which affect the accuracy of the formed wave front.
В изобретении, предложенном в [Патент RU 2663121, опубликован 07.08.2018, бюл. №22, МПК: G01S 17/88 (2006.01), F41G 3/22 (2006.01)] рассмотрена оптическая система формирования и наведения лазерного излучения, которая включает: передающий лазерный комплекс из n-лазерных модулей, каждый из которых содержит оптоволоконный вывод с сердцевиной, торец сердцевины которого является источником излучения, создающего единичный лазерный пучок; светоделительный элемент; трехкоординатный элемент сканирования, выполненный в виде подвижной линзы. На выходе оптической системы суммарный лазерный пучок лучей падает на вогнутое параболическое зеркало, конструктивно связанное с устройством "грубого" наведения, и отражается в виде малорасходящегося пучка лучей. В оптическую систему введены n коллиматоров, сумматор единичных лазерных пучков и трехкоординатный блок сканирования, причем каждый i-й лазерный модуль, где i=1, 2,… n, снабжен оптоволоконным выводом с числовой апертурой NAi и диаметром di сердцевины, с торца сердцевины которого дивергентный луч лазера поступает в упомянутый i-ый коллиматор на содержащуюся в нем асферическую линзу с передним и задним фокусными расстояниями fa и соответственно. Причем главная оптическая ось асферической линзы перпендикулярна плоскости торца сердцевины соответствующего оптоволоконного вывода и проходит через его центр, размещенный в переднем фокусе fa. Сумматор единичных лазерных пучков состоит из n светоделительных элементов, выполненных в виде дихроичных пластин, через геометрический центр каждой из которых проходит под углом 45° главная оптическая ось соответствующей асферической линзы коллиматора. Главные оптические оси асферических линз параллельны и лежат в одной плоскости, а упомянутые дихроичные пластины установлены параллельно между собой так, что через их геометрические центры под углом 45° проходит главная оптическая ось подвижной линзы перпендикулярная главным оптическим осям асферических линз. При этом подвижная линза установлена на микропозиционере трехкоординатного блока сканирования и выполнена асферической, с передним и задним фокусными расстояниями fc и , соответственно. Главная оптическая ось подвижной линзы проходит через фокус F зеркала через его геометрический центр, через который проходит оптическая ось параболического зеркала, параллельная или совпадающая с оптической осью его полной параболы. При этом упомянутый фокус F совпадает с задним фокусом подвижной линзы. Одним из основных недостатков данной оптической системы формирования и наведения лазерного излучения является конструктивное исполнение ЛСПЭ для формирования результирующего лазерного пучка. В данном техническом предложении рассматриваемая конструкция устройства основана на пространственном некогерентном сложении отдельных излучателей и не позволяет получать на выходе пучки дифракционного качества с постоянным однородным и неизменным распределением плотности мощности по сечению пучка на протяженных трассах. Другим недостатком предложенного устройства, затрудняющим его эксплуатацию, является то, что оптическая система содержат большое количество оптических поверхностей, погрешности которых сказываются на точности формируемого волнового фронта.In the invention proposed in [Patent RU 2663121, published 08/07/2018, bul. No. 22, IPC: G01S 17/88 (2006.01), F41G 3/22 (2006.01)] an optical system for the formation and guidance of laser radiation is considered, which includes: a transmitting laser complex of n-laser modules, each of which contains a fiber optic output with a core , the end of the core of which is a source of radiation that creates a single laser beam; beam-splitting element; a three-coordinate scanning element made in the form of a movable lens. At the output of the optical system, the total laser beam of rays falls on a concave parabolic mirror, which is structurally connected with the "coarse" pointing device, and is reflected in the form of a low-divergent beam of rays. The optical system includes n collimators, an adder of single laser beams and a three-coordinate scanning unit, and each i-th laser module, where i=1, 2, ... n, is equipped with a fiber optic output with a numerical aperture NA i and a core diameter d i , from the end the core of which the divergent laser beam enters the mentioned i-th collimator on the aspherical lens contained in it with front and rear focal lengths f a and respectively. Moreover, the main optical axis of the aspherical lens is perpendicular to the plane of the end face of the core of the corresponding fiber optic output and passes through its center, located in the front focus f a . The summator of single laser beams consists of n beam-splitting elements made in the form of dichroic plates, through the geometric center of each of which the main optical axis of the corresponding aspherical lens of the collimator passes at an angle of 45°. The main optical axes of the aspherical lenses are parallel and lie in the same plane, and the mentioned dichroic plates are installed parallel to each other so that the main optical axis of the movable lens passes through their geometric centers at an angle of 45° and is perpendicular to the main optical axes of the aspherical lenses. At the same time, the movable lens is installed on the micropositioner of the three-coordinate scanning unit and is made aspherical, with front and rear focal lengths f c and , respectively. The main optical axis of the movable lens passes through the focus F of the mirror through its geometric center, through which the optical axis of the parabolic mirror passes, parallel or coinciding with the optical axis of its full parabola. In this case, the mentioned focus F coincides with the back focus moving lens. One of the main disadvantages of this optical system for the formation and guidance of laser radiation is the design of the LSPE for the formation of the resulting laser beam. In this technical proposal, the design of the device under consideration is based on the spatial incoherent addition of individual emitters and does not allow obtaining beams of diffraction quality at the output with a constant uniform and unchanged power density distribution over the beam cross section along long paths. Another disadvantage of the proposed device, which complicates its operation, is that the optical system contains a large number of optical surfaces, the errors of which affect the accuracy of the formed wave front.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является оптическая система формирования и наведения лазерного пучка, рассмотренная в [Патент №2715083, опубл. 25.02.2020, бюл. №6, МПК: G02B 27/09 (2006.01), G02B 17/06 (2006.01), G01S 7/481 (2006.01); СПК: G02B 27/0977 (2019.08), G02B 17/0621 (2019.08), G01S 7/4814 (2019.08)] и включающая лазерный волоконный модуль с оптоволоконным выводом, включающим оптоволокно, состоящее из оптической оболочки, заключающей сердцевину, через излучающий торец которой с числовой апертурой NA выходит пучок с центральным лучом, а на выходе из оптической системы пучок, отраженный от отражающей плоскости вторичного зеркала, с центральной осью, падает на главное оптическое зеркало, конструктивно связанное с устройством "грубого" наведения, от отражающей поверхности которого, выполненной вогнутой внеосевой параболической с фокусом F полной параболы, выходит малорасходящийся лазерный пучок падающий на плоскость изображения, причем упомянутая ранее центральная ось пучка совпадает с фокальным радиусом-вектором точки на полной параболе, через эту точку проходит выходная оптическая ось пучка, совпадающая с диаметром полной параболы, при этом диаметр образует, при пересечении с касательной плоскостью к отражающей поверхности в этой точке, угол β, а отражающая плоскость вторичного зеркала параллельна касательной плоскости, при этом выходная оптическая ось параллельна центральной оптической оси прямолинейного отрезка оптоволокна, отстоящего от оси полной параболы на расстоянии h, причем излучающий торец сердцевины оптоволоконного вывода отстоит на расстоянии L от точки пересечения центральной оптической оси с отражающей плоскостью вторичного зеркала, образующей при пересечении угол β1, где β1=β. Нужно отметить, что предложенная компоновка оптической системы не позволяет эффективнее решать задачу дальнейшего улучшения качества изображения, повышения оптических характеристик и совершенствования конструкции оптических приборов, уменьшения их размеров и массы, достижения компактности.The closest technical solution adopted for the prototype is the optical system for the formation and guidance of the laser beam, discussed in [Patent No. 2715083, publ. 25.02.2020, bul. No. 6, IPC: G02B 27/09 (2006.01), G02B 17/06 (2006.01), G01S 7/481 (2006.01); SPK: G02B 27/0977 (2019.08), G02B 17/0621 (2019.08), G01S 7/4814 (2019.08)] and including a laser fiber module with a fiber optic output, including an optical fiber consisting of an optical cladding containing a core, through the radiating end of which with a numerical aperture NA, a beam with a central beam exits, and at the exit from the optical system, the beam reflected from the reflecting plane of the secondary mirror, with a central axis, falls on the main optical mirror, which is structurally connected with the "coarse" pointing device, from the reflecting surface of which, made concave off-axis parabolic with a focus F of a full parabola, a low-divergent laser beam comes out incident on the image plane, and the previously mentioned central axis of the beam coincides with the focal radius vector of a point on the full parabola, the output optical axis of the beam passes through this point, coinciding with the diameter of the full parabola, in this case, the diameter forms, at the intersection with the tangent plane to the reflecting its surface at this point, angle β, and the reflecting plane of the secondary mirror is parallel to the tangent plane, while the output optical axis is parallel to the central optical axis of the rectilinear segment of the fiber, spaced from the axis of the full parabola at a distance h, and the emitting end of the core of the fiber optic output is spaced at a distance L from the point of intersection of the central optical axis with the reflective plane of the secondary mirror, which forms an angle β 1 at the intersection, where β 1 =β. It should be noted that the proposed layout of the optical system does not allow to more effectively solve the problem of further improving the image quality, increasing the optical characteristics and improving the design of optical devices, reducing their size and weight, and achieving compactness.
Задачей изобретения является совершенствование конструкции оптической системы формирования и наведения пучка лазерного излучения. Техническим результатом изобретения являются:The objective of the invention is to improve the design of the optical system for the formation and guidance of the laser beam. The technical result of the invention are:
- создание компактной оптической системы телескопического типа дистанционной передачи энергии лазерного излучения на базе волоконных лазеров;- creation of a compact optical system of a telescopic type for remote transmission of laser radiation energy based on fiber lasers;
повышение направленности формируемого пучка лазерного излучения за счет повышения точности юстировки и сканирования.increasing the directivity of the generated laser radiation beam by increasing the accuracy of alignment and scanning.
Технический результат достигается тем, что оптическая система формирования и наведения пучка лазерного излучения, включающая лазерный волоконный модуль с оптоволоконным выводом, включающим оптоволокно, состоящее из оптической оболочки диаметром δО, заключающей сердцевину диаметром δС, через излучающий торец которой с числовой апертурой NA выходит пучок с центральным лучом, а на выходе из оптической системы пучок, отраженный от отражающей плоскости вторичного зеркала, с центральной осью, падает на главное оптическое зеркало, конструктивно связанное с устройством "грубого" наведения, от отражающей поверхности которого, выполненной вогнутой внеосевой параболической с фокусом F полной параболы, выходит малорасходящийся лазерный пучок падающий на плоскость изображения, причем упомянутая ранее центральная ось пучка совпадает с фокальным радиусом-вектором точки на полной параболе, через эту точку проходит выходная оптическая ось пучка, совпадающая с диаметром полной параболы, при этом диаметр образует, при пересечении с касательной плоскостью к отражающей поверхности в этой точке, угол β, а отражающая плоскость вторичного зеркала параллельна касательной плоскости, при этом выходная оптическая ось параллельна центральной оптической оси прямолинейного отрезка оптоволокна, отстоящего от оси полной параболы на расстоянии h, причем излучающий торец сердцевины оптоволоконного вывода отстоит на расстоянии L от точки пересечения центральной оптической оси с отражающей плоскостью вторичного зеркала, образующей при пересечении угол β1, где β1=β, при этом введено дополнительное вторичное зеркало, с отражающей плоскостью, размещенное в блоке расширителя пучка с механизмом перемещения вдоль центральной оптической оси, при этом отражающая плоскость выполнена в виде круга, диаметром d2, перпендикулярна центральной оптической оси, проходящей через ее геометрический центр, отстоит на расстоянии L1 от точки пересечения центральной оптической оси с отражающей плоскостью вторичного зеркала, а также введен блок-коннектор, который состоит из вторичного зеркала и оптического разъема с системой терморегулирования, причем вторичное зеркало выполнено в виде усеченного кругового цилиндра, диаметром d1, со скошенной плоскостью, образующей отражающую плоскость вторичного зеркала, внутри которого осесимметрично выполнен сквозной канал, с осью совпадающей с осью усеченного кругового цилиндра вторичного зеркала и с центральной оптической осью, с заключенным в нем оптическим разъемом оконцовывающим оптоволоконный вывод, который включает прямолинейный отрезок кабеля, закрепленный в оптическом разъеме, прямолинейные отрезки буферной оболочки и открытый отрезок оптоволокна, закрепленные во втулке осесимметрично размещенной в оптическом разъеме, причем отрезок буферной оболочки с внешним диаметром dБ фиксируется втулкой, с внутренним диаметром dB и внешним диаметром DB, где dB=dБ, а в торцевой части втулки, выполненной в виде усеченного прямого конуса, с диаметром основания DК=DB, диаметром основания усеченной части δК и с углом β2<β1 между образующей конуса и высотой, в ее осесимметричном канале, с осью совпадающей с центральной оптической осью, с диаметром δВ=δО-δК, фиксируется открытый отрезок оптоволокна, причем основание усеченной части прямого конуса торцевой части втулки, торец оптической оболочки, излучающий торец, через который выходит пучок излучения на дополнительное вторичное зеркало, лежат в одной плоскости, проходящей перпендикулярно центральной оптической оси через точку пересечения ее с отражающей плоскостью вторичного зеркала, при этом главное оптическое зеркало конструктивно связано с устройством сканирования, а параметры оптической системы отвечают соотношениям:The technical result is achieved by the fact that the optical system for the formation and guidance of a laser beam, including a laser fiber module with a fiber optic output, including an optical fiber, consisting of an optical sheath with a diameter of δ O , enclosing a core with a diameter of δ C , through the radiating end of which with a numerical aperture NA the beam exits with a central beam, and at the exit from the optical system, the beam reflected from the reflecting plane of the secondary mirror, with a central axis, falls on the main optical mirror, structurally connected with the "coarse" pointing device, from the reflecting surface of which, made of a concave off-axis parabolic with focus F of a full parabola, a low-divergent laser beam comes out incident on the image plane, and the previously mentioned central axis of the beam coincides with the focal radius vector of a point on the full parabola, the output optical axis of the beam passes through this point, coinciding with the diameter of the full parabola, while dia the meter forms, at the intersection with the tangent plane to the reflecting surface at this point, the angle β, and the reflecting plane of the secondary mirror is parallel to the tangent plane, while the output optical axis is parallel to the central optical axis of the rectilinear segment of the fiber, spaced from the axis of the full parabola at a distance h, and the radiating end of the core of the fiber optic output is spaced at a distance L from the point of intersection of the central optical axis with the reflective plane of the secondary mirror, which forms an angle β 1 when crossing, where β 1 =β, while an additional secondary mirror is introduced, with a reflective plane, located in the beam expander unit with a mechanism for moving along the central optical axis, while the reflecting plane is made in the form of a circle, with a diameter of d 2 , perpendicular to the central optical axis passing through its geometric center, spaced at a distance L 1 from the point of intersection of the central optical axis with the reflecting plane of the secondary mirrors, as well as a block connector, which consists of a secondary mirror and an optical connector with a thermal control system, the secondary mirror is made in the form of a truncated circular cylinder, with a diameter d 1 , with a beveled plane forming the reflective plane of the secondary mirror, inside which the through channel, with the axis coinciding with the axis of the truncated circular cylinder of the secondary mirror and with the central optical axis, with an optical connector enclosed in it, terminating the fiber optic output, which includes a straight cable segment fixed in the optical connector, straight segments of the buffer shell and an open fiber optic segment fixed in bushing axisymmetrically placed in the optical connector, and a segment of the buffer shell with an outer diameter d B is fixed by a bushing, with an inner diameter d B and an outer diameter D B , where d B =d B , and in the end part of the bushing, made in the form of a truncated straight cone, with base diameter d K \u003d D B , with a base diameter of the truncated part δ K and with an angle β 2 <β 1 between the generatrix of the cone and height, in its axisymmetric channel, with an axis coinciding with the central optical axis, with a diameter δ B \u003d δ O -δ K , an open segment of the optical fiber is fixed, and the base of the truncated part of the straight cone of the end part of the sleeve, the end of the optical shell, the emitting end, through which the radiation beam exits to the additional secondary mirror, lie in one plane passing perpendicular to the central optical axis through the point of intersection of it with the reflecting plane secondary mirror, while the main optical mirror is structurally connected with the scanning device, and the parameters of the optical system correspond to the following relations:
где а - минимально допустимое расстояние, при выбранном h, отражающей плоскости дополнительного вторичного зеркала от точки пересечения центральной оптической оси с отражающей плоскостью вторичного зеркала;Where A - the minimum allowable distance, for a selected h, of the reflecting plane of the additional secondary mirror from the point of intersection of the central optical axis with the reflecting plane of the secondary mirror;
α - угол между центральной оптической осью прямолинейного отрезка оптоволокна и одним из предельных апертурных лучей, которые образуют световой конус на выходе из сердцевины;α is the angle between the central optical axis of the straight fiber segment and one of the limiting aperture beams that form a light cone at the exit from the core;
Р - фокальный параметр полной параболы, образованной пересечением плоскости YOX с параболоидом вращения с координатной осью ОХ и образующим вогнутую отражающую поверхность главного оптического зеркала;P is the focal parameter of a complete parabola formed by the intersection of the YOX plane with a paraboloid of revolution with the coordinate axis OX and forming a concave reflective surface of the main optical mirror;
Dлп- диаметр пучка лазерного излучения на выходе из оптической системы.D lp is the diameter of the laser beam at the output of the optical system.
Суть изобретения поясняется фиг. 1-4, где приняты следующие обозначения:The essence of the invention is illustrated in Fig. 1-4, where the following designations are accepted:
1 - лазерный волоконный модуль;1 - laser fiber module;
2 - оптоволоконный вывод;2 - fiber optic output;
3 - оптоволокно (прямолинейный отрезок оптоволокна);3 - optical fiber (rectilinear segment of optical fiber);
4 - оптическая оболочка оптоволокна 3;4 -
5 - сердцевина оптоволокна 3;5 -
6 - излучающий торец сердцевины 5 оптоволокна 3;6 - radiating end of the
7 - центральный луч пучка, выходящего через излучающий торец 6;7 - the central beam of the beam emerging through the radiating
8 - отражающая плоскость вторичного зеркала 9;8 - reflecting plane of the
9 - вторичное зеркало (в виде усеченного кругового цилиндра);9 - secondary mirror (in the form of a truncated circular cylinder);
10 - центральная ось пучка, отраженного от вторичного зеркала 9;10 is the central axis of the beam reflected from the
11 - главное оптическое зеркало;11 - main optical mirror;
12 - отражающая поверхность главного оптического зеркала 11;12 - reflective surface of the main
13 - полная парабола;13 - complete parabola;
14 - плоскость изображения;14 - image plane;
15 - выходная оптическая ось;15 - output optical axis;
16 - диаметр полной параболы 13;16 - diameter of the
17 - касательная плоскость к отражающей поверхности 12 главного оптического зеркала 11 (касательная к полной параболе 13);17 - tangent plane to the reflecting
18 - центральная оптическая ось прямолинейного отрезка оптоволокна 3;18 - the Central optical axis of the rectilinear segment of the
19 - ось полной параболы 13;19 - axis of the
20 - дополнительное вторичное зеркало;20 - additional secondary mirror;
21 - отражающая плоскость дополнительного вторичного зеркала 20;21 - reflecting plane of the additional
22 - блок расширителя пучка;22 - beam expander block;
23 - механизм перемещения дополнительного вторичного зеркала 20;23 - mechanism for moving the additional
24 - блок-коннектор;24 - block connector;
25 - оптический разъем оптоволоконного вывода 2;25 - optical connector of
26 - система терморегулирования оптического разъема 25;26 - thermal control system of the
27 - сквозной канал во вторичном зеркале 9;27 - through channel in the
28 - ось сквозного канала 27, выполненного во вторичном зеркале 9;28 - axis of the through
29 - ось вторичного зеркала, выполненного в виде усеченного кругового цилиндра;29 - axis of the secondary mirror, made in the form of a truncated circular cylinder;
30 - отрезок кабеля оптоволоконного вывода 2;30 - piece of fiber-
31 - отрезок буферной оболочки;31 - segment of the buffer shell;
32 - открытый отрезок оптоволокна 332 - open piece of
33 - втулка;33 - sleeve;
34 - осесимметричный канал в торцевой части втулки 33;34 - axisymmetric channel in the end part of the
35 - ось осесимметричного канала 34;35 - axis of the
36 - плоскость размещения основания усеченной части прямого конуса торцевой части втулки 33, торца оптической оболочки 4 и излучающего торца 6;36 - the plane of placement of the base of the truncated part of the straight cone of the end part of the
37 - устройство сканирования;37 - scanning device;
38, 39 - крайние лучи, отраженные от отражающей плоскости 8 вторичного зеркала 9;38, 39 - extreme rays reflected from the reflecting
40, 41 - крайние лучи, отраженные от отражающей поверхности 12 главного оптического зеркала 11;40, 41 - extreme rays reflected from the
42, 43 - предельные апертурные лучи пучка, выходящего через излучающий торец 6;42, 43 - limiting aperture rays of the beam emerging through the radiating
44, 45 - крайние лучи, отраженные от отражающей плоскости 21 дополнительного вторичного зеркала 20.44, 45 - extreme rays reflected from the reflecting
На фиг. 1 приведена принципиальная схема оптической системы формирования и наведения пучка лазерного излучения. На фиг. 1 обозначено: F фокус полной параболы 13; точки М, М1, М2 фокальных радиусов-векторов в этих точках на полной параболе 13; d1 - диаметр отражающей плоскости 8 вторичного зеркала 9; d2 - диаметр отражающей плоскости 21 дополнительного вторичного зеркала 20; Dлп - диаметр пучка лазерного излучения на выходе из оптической системы; α - угол между центральной оптической осью 18 прямолинейного отрезка оптоволокна 3 и предельным апертурным лучом 42, 43, образующим световой конус на выходе из сердцевины 5; β - угол образованный при пересечении диаметра 16 полной параболы 13, с касательной плоскостью 17 к отражающей поверхности 12 главного оптического зеркала 11 в плоскости YOX; β1 - угол образованный при пересечении центральной оптической оси 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9 в плоскости YOX; х0, у0, х1, у1, х2, у2 - координаты точек М, М1, М2, соответственно, на полной параболе 13 в плоскости YOX; М3 - точка, с координатами х3, у3, пересечения центральной оптической оси 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9 в плоскости YOX; L1 - расстояние от отражающей плоскости 21 дополнительного вторичного зеркала 20 до точки пересечения центральной оптической оси 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9; X, Y, Z - координаты положения элементов оптической системы; О - начало координат и вершина полной параболы 13; h - расстояние центральной оптической оси 18 прямолинейного отрезка оптоволокна 3 от оси 19 полной параболы 13; Т - точка пересечения с осью ОХ касательной плоскости 17 к отражающей поверхности 12 главного оптического зеркала 11 в плоскости YOX, t - точка пересечения вертикали проходящей через точку М3 с осью X. m - точка пересечения с осью OY продолжения фокального радиуса-вектора точки М полной параболы 13; хД - точка пересечения фокального радиуса-вектора точки М2 с прямой у=h+d2/2 в плоскости YOX. Вид А приведен на фиг. 2.In FIG. Figure 1 shows a schematic diagram of the optical system for the formation and guidance of a laser beam. In FIG. 1 marked: F focus of the full parabola 13; points M, M 1 , M 2 focal radius vectors at these points on the complete parabola 13; d 1 - diameter of the reflecting plane 8 of the secondary mirror 9; d 2 - diameter of the reflecting plane 21 of the additional secondary mirror 20; D lp is the diameter of the laser beam at the output of the optical system; α is the angle between the central optical axis 18 of the rectilinear segment of the optical fiber 3 and the limiting aperture beam 42, 43, forming a light cone at the exit from the core 5; β is the angle formed at the intersection of the diameter 16 of the full parabola 13 with the tangent plane 17 to the reflecting surface 12 of the main optical mirror 11 in the YOX plane; β 1 - the angle formed at the intersection of the Central optical axis 18 with the reflective plane 8 of the secondary mirror 9 in the YOX plane; x 0 , y 0 , x 1 , y 1 , x 2 , y 2 - coordinates of the points M, M 1 , M 2 , respectively, on the complete parabola 13 in the YOX plane; M 3 - point, with coordinates x 3 , y 3 , the intersection of the Central optical axis 18 with the reflective plane 8 of the secondary mirror 9 in the YOX plane; L 1 - distance from the reflective plane 21 of the additional secondary mirror 20 to the point of intersection of the central optical axis 18 with the reflective plane 8 of the secondary mirror 9; X, Y, Z - coordinates of the position of the elements of the optical system; O - origin and vertex of the complete parabola 13; h is the distance of the Central optical axis 18 of the straight segment of the optical fiber 3 from the axis 19 of the complete parabola 13; T is the point of intersection with the OX axis of the tangent plane 17 to the reflecting surface 12 of the main optical mirror 11 in the YOX plane, t is the point of intersection of the vertical passing through the point M3 with the X axis. m is the point of intersection with the OY axis of the continuation of the focal radius vector of the point M of the
На фиг. 2 на виде А приведен разрез блок-коннектора 24, включающий вторичное зеркало 9, выполненное в виде усеченного кругового цилиндра, с осью 28, совпадающей с центральной оптической осью 18, со скошенной плоскостью, образующей отражающую плоскость 8 вторичного зеркала 9, и оптический разъем 25, оконцовывающий оптоволоконный вывод 2. На фиг. 2 обозначено: α - угол между центральной оптической осью 18 прямолинейного отрезка оптоволокна 3 и предельным апертурным лучом 42 или 43, образующим световой конус на выходе из сердцевины 5; β - угол, образованный при пересечении центральной оптической оси 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9 в плоскости YOX.In FIG. 2, view A shows a section of the
На фиг. 3 частично показаны блок-коннектор 24 и вторичное зеркало 9, внутри которого осесимметрично выполнен сквозной канал 27, с осью 28 совпадающей с осью 29 усеченного кругового цилиндра вторичного зеркала 9 и с центральной оптической осью 18. На фиг. 3 обозначено: dБ - внешний диаметр отрезка буферной оболочки 31; dB - внутренний диаметр втулки 33; δВ - диаметр осесимметричного канала 34 в торцевой части втулки 33; δС, δО - диаметры сердцевины 5 и оптической оболочки 4, соответственно, прямолинейного отрезка оптоволокна 3; DB - внешний диаметр втулки 33; DK - диаметр основания усеченного прямого конуса в торцевой части втулки 33, где DK=DB; δК - диаметр основания усеченной части усеченного прямого конуса в торцевой части втулки 33, где δК=δВ=δО; вид Б приведен на фиг. 4.In FIG. 3 partially shows the
На фиг. 4 (вид Б) частично показано вторичное зеркало 9, в котором осесимметрично выполнен сквозной канал 27 с осью 28 совпадающей с осью 29 усеченного кругового цилиндра вторичного зеркала 9, внутри которого частично показана торцевая часть втулки 33, выполненной в виде усеченного прямого конуса. В ее осесимметричном канале 34, с осью 35, совпадающей с центральной оптической осью 18, фиксируется открытый отрезок 32 оптоволокна 3. Причем основание усеченной части прямого конуса торцевой части втулки 33, торец оптической оболочки 4, излучающий торец 6, через который выходит пучок излучения, лежат в одной плоскости 36, проходящей перпендикулярно центральной оптической оси 18 через точку пересечения ее с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9. На фиг. 4 обозначено: М3 - точка пересечения центральной оптической оси 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9; S* - точечный источник света; S - мнимое изображение точки S*; r - расстояние от точки S до излучающего торца 6; δВ - диаметр осесимметричного канала 34 в торцевой части втулки 33; δС, δО - диаметры сердцевины 5 и оптической оболочки 4, соответственно, прямолинейного отрезка оптоволокна 3; δК - диаметр основания усеченной части усеченного прямого конуса в торцевой части втулки 33, где δК=δВ=δО; β1 - угол образованный при пересечении центральной оптической оси 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9 в плоскости YOX; β2 - угол между высотой и образующей усеченного прямого конуса торцевой части втулки 33, где β2<β1; α - угол между центральной оптической осью 18 прямолинейного отрезка оптоволокна 3 и одним из предельных апертурных лучей 42 или 43, образующих световой конус на выходе из сердцевины 5; L - расстояние от излучающего торца 6 сердцевины 5 оптоволоконного вывода 2 до точки пересечения центральной оптической оси 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9.In FIG. 4 (view B) partially shows the
Оптическая система формирования и наведения пучка лазерного излучения, включающая лазерный волоконный модуль 1 с оптоволоконным выводом 2, включающим оптоволокно 3, состоящее из оптической оболочки 4 диаметром 80, заключающей сердцевину 5 диаметром бс, через излучающий торец 6 которой с числовой апертурой NA выходит пучок с центральным лучом 7, а на выходе из оптической системы пучок, отраженный от отражающей плоскости 8 вторичного зеркала 9, с центральной осью 10, падает на главное оптическое зеркало 11, конструктивно связанное с устройством "грубого" наведения, от отражающей поверхности 12 которого, выполненной вогнутой внеосевой параболической с фокусом F полной параболы 13, выходит малорасходящийся лазерный пучок падающий на плоскость изображения 14. Причем упомянутая ранее центральная ось 10 пучка совпадает с фокальным радиусом-вектором точки на полной параболе 13, через эту точку проходит выходная оптическая ось 15 пучка, совпадающая с диаметром 16 полной параболы 13. При этом диаметр 16 образует, при пересечении с касательной плоскостью 17 к отражающей поверхности 12 в этой точке, угол Р, а отражающая плоскость 8 вторичного зеркала 9 параллельна касательной плоскости 17. При этом выходная оптическая ось 15 параллельна центральной оптической оси 18 прямолинейного отрезка оптоволокна 3, отстоящего от оси 19 полной параболы 13 на расстоянии h. Причем излучающий торец 6 сердцевины 5 оптоволоконного вывода 2 отстоит на расстоянии L от точки пересечения центральной оптической оси 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9, образующей при пересечении угол β1, где β1=β. При этом в оптическую систему введено дополнительное вторичное зеркало 20, с отражающей плоскостью 21, размещенное в блоке расширителя пучка 22 с механизмом перемещения 23 вдоль центральной оптической оси 18. При этом отражающая плоскость 21 выполнена в виде круга, диаметром d2, перпендикулярна центральной оптической оси 18, проходящей через ее геометрический центр, отстоит на расстоянии L1 от точки пересечения центральной оптической оси 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9. В оптическую систему также введен блок-коннектор 24, который состоит из вторичного зеркала 9 и оптического разъема 25 с системой терморегулирования 26. Причем вторичное зеркало 9 выполнено в виде усеченного кругового цилиндра, диаметром d1, со скошенной плоскостью, образующей отражающую плоскость 8 вторичного зеркала 9, внутри которого осесимметрично выполнен сквозной канал 27, с осью 28 совпадающей с осью 29 усеченного кругового цилиндра вторичного зеркала 9 и с центральной оптической осью 18, с заключенным в нем оптическим разъемом 25 оконцовывающим оптоволоконный вывод 2, который включает прямолинейный отрезок кабеля 30, закрепленный в оптическом разъеме 25, прямолинейные отрезки буферной оболочки 31 и открытый отрезок 32 оптоволокна 3, закрепленные во втулке 33 осесимметрично размещенной в оптическом разъеме 25. Причем отрезок буферной оболочки 31 с внешним диаметром dБ фиксируется втулкой 33, с внутренним диаметром dB и внешним диаметром DB, где dB=dБ. А в торцевой части втулки 33, выполненной в виде усеченного прямого конуса, с диаметром основания DK=DB, диаметром основания усеченной части δК и с углом β2<β1 между образующей конуса и высотой, в ее осесимметричном канале 34, с осью 35 совпадающей с центральной оптической осью 18, с диаметром δВ=δО=δК, фиксируется открытый отрезок 32 оптоволокна 3. Причем основание усеченной части прямого конуса торцевой части втулки 33, торец оптической оболочки 4, излучающий торец 6, через который выходит пучок излучения на дополнительное вторичное зеркало 20, лежат в одной плоскости 36, проходящей перпендикулярно центральной оптической оси 18 через точку пересечения ее с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9. При этом главное оптическое зеркало 11 конструктивно связано с устройством сканирования 37, а параметры оптической системы отвечают соотношениям:An optical system for the formation and guidance of a laser beam, including a
d1=(4 L1⋅tgα⋅tgβ+δC⋅tgβ+δО⋅tgα)/(tgβ-tgα);d 1 =(4 L 1 ⋅tgα⋅tgβ+δ C ⋅tgβ+δ O ⋅tgα)/(tgβ-tgα);
d2=δC+2⋅tgα⋅L1+δО⋅tgα⋅ctgβ;d 2 =δ C +2⋅tgα⋅L 1 +δ O ⋅tgα⋅ctgβ;
Dлп=P {[l+cos(2β-α)]/sin(2β-α)-[1+cos(2β+α)]/sin(2β+α)};D lp =P {[l+cos(2β-α)]/sin(2β-α)-[1+cos(2β+α)]/sin(2β+α)};
h/(2 L1+0,5⋅δС/tgα+0.5⋅δО/tgβ)=sin(l80°-2β),h/(2 L 1 +0.5⋅δ С /tgα+0.5⋅δ О /tgβ)=sin(l80°-2β),
где а - минимально допустимое расстояние, при выбранном h, отражающей плоскости 21 дополнительного вторичного зеркала 20 от точки пересечения центральной оптической оси 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9;Where A - the minimum allowable distance, with selected h, the reflecting
α - угол между центральной оптической осью 18 прямолинейного отрезка оптоволокна 3 и предельным апертурным лучом 42 или 43, образующим световой конус на выходе из сердцевины 5;α is the angle between the central optical axis 18 of the rectilinear segment of the
Р - фокальный параметр полной параболы 13, образованной пересечением плоскости YOX с параболоидом вращения с координатной осью ОХ и образующим вогнутую отражающую поверхность 12 главного оптического зеркала 11;P is the focal parameter of the
Dлп - диаметр пучка лазерного излучения на выходе из оптической системы.D lp is the diameter of the laser beam at the output of the optical system.
Оптическая система формирования и наведения пучка лазерного излучения работает следующим образом. С помощью специальной системы поиска, слежения и наведения (ПСН) (на фиг. 1-4 не показано) осуществляется поиск, захват и удержание приемника лазерного излучения, установленного на воздушных или космических объектах, оснащенных, например, фотоэлектрическими приемными панелями (на фиг. 1-4 не показано), преобразующими когерентное электромагнитное излучение, генерируемое лазерным волоконным модулем 1 с оптоволоконным выводом 2, в электрический ток. Определение координат центра и слежение за центром приемника лазерного излучения система ПСН ведет с помощью, например, опорных источников (на фиг. 1-4 не показано) и выдает данные в систему питания и управления (СПУ) (на фиг. 1-4 не показано), которая формирует команды для обеспечения "грубого" наведения оптической системы с главным оптическим зеркалом 11, например, с помощью поворотной платформы (на фиг. 1-4 не показано), на которой установлена конструкция с главным оптическим зеркалом 11. Причем, наводят малорасходящийся лазерный пучок так, чтобы выходная оптическая ось 15 пучка была направлена нормально в геометрический центр, например, фотоэлектрических панелей (на фиг. 1-4 не показаны) приемника-преобразователя. Для облегчения обнаружения приемника-преобразователя по командам и сигналам системы питания и управления (СПУ) при наведении могут быть использованы, например, уголковые отражатели (на фиг. 1-4 не показаны), установленные на приемнике-преобразователе. После выполнения захвата и удержания приемника лазерного излучения по сигналу от СПУ поступает управляющая команда на подачу электропитания лазерному волоконному модулю 1, выполненному в виде генератора излучения с определенной длиной волны λ, с оптоволоконным выводом 2. Оптоволоконный вывод 2 оконцован оптическим разъемом 25, конструкции которого рассмотрены, например, в [Патент №2480797. МПК: G02B 6/36 (2006.01) Способ и узел крепления оптического коннектора в коллимирующем устройстве волоконного лазера. Опубл. 27.04.2013. Бюл. №12], [JIK/YLR-Серия. Руководство Пользователя. НТО ИРЭ ПОЛЮС, 2015, Оптический выход волоконного кабеля. Приборы с коннектором, с. 17], [Дэвид Бейли, Эдвин Райт.Волоконная оптика. Теория и практика. Раздел 5.4. Коннекторы. http://izmer-ls.ru/w/v60.html#:~:text=], [QBH-кабель для волоконных лазеров высокой мощности от Lightel. https://sphotonics.ru/news/2018/41086/]. СПУ посредством электрических сигналов и команд управляет работой лазерной системы передачи энергии (ЛСПЭ), а также обеспечивает электропитание и заданный тепловой режим всей системы и ее составляющих. Лазерный волоконный модуль 1 генерирует когерентные электромагнитные волны с длиной волны излучения λ, передаваемые по оптоволоконному выводу 2 в оптическую систему формирования и точного наведения малорасходящегося лазерного пучка, с выходной оптической осью 15 и с крайними лучами 40 и 41 отраженными от отражающей поверхности 12 главного оптического зеркала 11, падающего на плоскость изображения 14 (фиг. 1), совмещая ее с плоскостью приемника лазерного излучения, например, с панелями фотоэлектрических преобразователей (ФЭП). С началом работы и в процессе работы лазерного волоконного модуля 1 от системы диагностики состояния (на фиг. 1-4 не показано) ЛСПЭ поступает информация в СПУ о состоянии элементов оптической системы, в частности по температурным параметрам от системы терморегулирования 26 оптического разъема 25, и выдачи информационных сигналов о готовности, отказе или нештатном режиме работы оптической системы для выработки и принятия управляющих команд. Когерентное электромагнитное излучение оптического диапазона, генерируемое лазерным волоконным модулем 1, распространяется по оптоволокну 3, состоящему из оптической оболочки 4, диаметром δО, заключающей сердцевину 5, диаметром δС, благодаря явлению полного внутреннего отражения на границе раздела диэлектрических сред (сердцевина 5 - оптическая оболочка 4). Для оптоволокна 3 показатель преломления n1 сердцевины 5, соответствующий длине волны излучения λ лазерного волоконного модуля 1, обычно имеет величину всегда немного большую, чем показатель преломления n2 оптической оболочки 4. Поэтому световые волны, распространяющиеся в сердцевине 5 под углом, не превышающим критическое значение, претерпевают полное внутреннее отражение от оптической оболочки 4. Путем многократных переотражений от оптической оболочки 4 эти волны распространяются по оптоволоконному выводу 2 и выходят из сердцевины 5 через излучающий торец 6, с числовой апертурой NA, в виде конического пучка с центральным лучом 7 в среду (воздух или космическое пространство) с показателем преломления n0<n1 [Специальные волоконные световоды: учеб. пособие / Д.Б. Шумкова, А.Е. Левченко. - Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехи, ун-та, 2011, с. 9]. При этом мощное электромагнитное излучение, исходящее из сердцевины 5 прямолинейного отрезка оптоволокна 3, как из точечного источника S (фиг. 4) лазерного излучения на центральной оптической оси 18 сердцевины 5 оптоволокна 3, падает на плоскость излучающего торца 6 оптоволокна 3. Электромагнитные волны на границе двух сред (плоскость излучающего торца 6), попадая из более плотной среды (материал сердцевины 5, с показателем преломления n1) в менее плотную (воздух или космическое пространство) с показателем преломления n0, где n1>n0, испытывают преломление, вызванное тем, что скорости распространения волн в этих средах различны. Продолжения лучей (определяющих положение сферического фронта преломленной волны) расходящегося пучка пересекаются в точке S, на расстоянии r от излучающего торца 6, являющейся мнимым изображением точки S*. Расходящийся пучок лазерного излучения, с центральным лучом пучка 7 и углом α между центральной оптической осью 18 прямолинейного отрезка оптоволокна 3 и предельным апертурным лучом 42 или 43, образующим световой конус, выходит из сердцевины 5 и через излучающий торец 6 падает на дополнительное вторичное зеркало 20. Отражающая плоскость 21 дополнительного вторичного зеркала 20 выполнена в виде круга, диаметром d2, перпендикулярного центральной оптической оси 18, проходящей через его геометрический центр. Причем, дополнительное вторичное зеркало 20, с механизмом перемещения 23 его вдоль центральной оптической оси 18, размещено в блоке расширителя пучка 22. Таким образом, пучок лазерного излучения, с предельными апертурными лучами 42 или 43, расходящимся сферическим фронтом отражается от отражающей плоскости 21 дополнительного вторичного зеркала 20 также расходящимся сферическим фронтом с крайними лучами 44, 45 и падает на отражающую плоскость 8 вторичного зеркала 9, размещенного в блок-коннекторе 24. Причем, отражающая плоскость 21 дополнительного вторичного зеркала 20 отстоит на расстоянии L1 от точки пересечения центральной оптической оси 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9. Далее пучок отражается от отражающей плоскости 8 вторичного зеркала 9, с центральной осью 10 и крайними лучами 38, 39, и падает на главное оптическое зеркало 11, конструктивно связанное с устройством "грубого" наведения (на фигурах не показано). На выходе из оптической системы от отражающей поверхности 12 главного оптического зеркала 11, выполненной вогнутой внеосевой параболической с фокусом F полной параболы 13, выходит малорасходящийся лазерный пучок, с выходной оптической осью 15 и крайними лучами 40, 41, и падает на плоскость изображения 14. Причем в рассматриваемой оптической системе, упомянутая ранее, центральная ось 10 пучка совпадает с фокальным радиусом-вектором точки на полной параболе 13. Через эту точку проходит выходная оптическая ось 15 пучка, совпадающая с диаметром 16 полной параболы 13. При этом диаметр 16 образует, при пересечении с касательной плоскостью 17 к отражающей поверхности 12 в этой точке, угол β, а отражающая плоскость 8 вторичного зеркала 9 установлена в оптической системе параллельно касательной плоскости 17. При этом выходная оптическая ось 15 параллельна центральной оптической оси 18 прямолинейного отрезка оптоволокна 3, отстоящего от оси 19 полной параболы 13 на расстоянии h, причем излучающий торец 6 сердцевины 5 оптоволоконного вывода 2 отстоит на расстоянии L от точки пересечения центральной оптической оси 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9, образующей при пересечении угол β1, где β1=β. Блок-коннектор 24 состоит из вторичного зеркала 9 и оптического разъема 25 с системой терморегулирования 26. Причем вторичное зеркало 9 выполнено в виде усеченного кругового цилиндра, диаметром d1 со скошенной плоскостью, образующей отражающую плоскость 8 вторичного зеркала 9, внутри которого осесимметрично выполнен сквозной канал 27, с осью 28, совпадающей с осью 29 усеченного кругового цилиндра вторичного зеркала 9 и с центральной оптической осью 18, с заключенным в нем оптическим разъемом 25 оконцовывающим оптоволоконный вывод 2. Оптоволоконный вывод 2 включает прямолинейный отрезок кабеля 30, закрепленный в оптическом разъеме 25, и прямолинейные отрезки буферной оболочки 31 и открытый отрезок 32 оптоволокна 3, закрепленные во втулке 33 осесимметрично размещенной в оптическом разъеме 25. Причем отрезок буферной оболочки 31 с внешним диаметром dB фиксируется втулкой 33, с внутренним диаметром dB и внешним диаметром DB, где dB=dБ, а в торцевой части втулки 33, выполненной в виде усеченного прямого конуса, с диаметром основания DK=DB, диаметром основания усеченной части δК и с углом β2<β1 между образующей конуса и высотой, в ее осесимметричном канале 34, с осью 35 совпадающей с центральной оптической осью 18, с диаметром δВ=δО=δК, фиксируется открытый отрезок 32 оптоволокна 3. Оптическую систему выполняем так, чтобы основание усеченной части прямого конуса торцевой части втулки 33, торец оптической оболочки 4, излучающий торец 6, через который выходит пучок излучения на дополнительное вторичное зеркало 20, лежали в одной плоскости 36 проходящей перпендикулярно центральной оптической оси 18 через точку пересечения ее с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9. Таким образом, в приведенной геометрии оптической системы, на выходе из оптической системы лучи распространяющиеся как из точки F, являющейся мнимым изображением точки S, после отражения от параболической отражающей поверхности 12 главного оптического зеркала 11 идут параллельно друг другу с крайними лучами 40, 41 и выходной оптической осью 15 пучка не пересекаются или, как говорят, пересекаются на бесконечности. После "грубого" наведения выполняют точное наведение малорасходящегося лазерного пучка, совмещая плоскость изображения 14 с плоскостью, например фотоэлектрических панелей приемника-преобразователя внутренним перемещением излучения в рассматриваемой оптической системе формирования и наведения лазерного пучка. Плоскость изображения 14 может быть выполнена в виде приемника-преобразователя, где лазерное излучение может быть эффективно преобразовано в электроэнергию с помощью фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) на основе полупроводниковых гетероструктур [В.А. Грилихес, П.П. Орлов, Л.Б. Попов. Солнечная энергия и космические полеты. М: Наука, 1984, с. 110]. Управляя отклонением луча на выходе из оптической системы от начального (нулевого) положения осуществляют точное наведение малорасходящегося лазерного пучка, т.е. фокусировку и сканирование в плоскости изображения 14, по командам и управляющим сигналам от системы СПУ, поступающим соответственно в блок расширителя пучка 22 и устройство сканирования 37, с которым конструктивно связано главное оптическое зеркало 11. С помощью механизма перемещения 23 отражающей плоскости 21 дополнительного вторичного зеркала 20 вдоль центральной оптической оси 18 (по координате X), осуществляется фокусировка изображения предмета, которым является светящаяся точка S, в плоскости изображения 14. СПУ обеспечивает работу механизма перемещения 23 и контролирует положение отражающей плоскости 21 дополнительного вторичного зеркала 20 с помощью встроенных в механизм перемещения 23 датчиков перемещения (на фиг. 1-4 не показаны). Причем, механизм перемещения 23 может быть выполнен на основе прецизионного шагового однокоординатного пьезопозиционера, включающего программное обеспечение, позволяющее управлять и контролировать основные параметры движения пьезопозиционера [Пьезопозиционер для нанофокусировки. http://www.eurotek-general.com], [Линейные пьезоплатформы. http://www.innfocus.ru/ru/catalog/photonics_c/pozicionery/physik-instrumente-pi/lineinye-pezoplatformy/]. Главное оптическое зеркало 11 конструктивно связано с устройством сканирования 37 и может быть выполнено, например на основе моторизированного двух осевого кинематического пьезоэлектрического нанопозиционера [Моторизированный двух осевой (XY) кинематический пьезоэлектрический нанопозиционер QNP2-100-XYA, http://www.phcloud.ru, производитель: Aerotech, Inc.]. С помощью устройства сканирования 37, включающего подвижную пьезоэлектрическую платформу с главным оптическим зеркалом 11, осуществляются наклоны платформы по углам ϕz и ϕу, как показано на фиг. 1. Таким образом, однокоординатное перемещение (X) отражающей плоскости 21 в блоке расширителя пучка 22 и перемещение подвижного главного оптического зеркала 11 в двух поперечных направлениях (Z, Y) позволяют осуществлять соответственно точную фокусировку и сканирование малорасходящегося лазерного пучка в плоскости изображения 14. При этом параметры оптической системы отвечают соотношениям:The optical system for the formation and guidance of the laser beam operates as follows. With the help of a special search, tracking and guidance system (PSN) (not shown in Figs. 1-4), search, capture and retention of a laser radiation receiver installed on air or space objects equipped, for example, with photoelectric receiving panels (Fig. 1-4 not shown), converting the coherent electromagnetic radiation generated by the
d1=(4 L1⋅tgα⋅tgβ+δC⋅tgβ+δО⋅tgα)/(tgβ-tgα);d 1 =(4 L 1 ⋅tgα⋅tgβ+δ C ⋅tgβ+δ O ⋅tgα)/(tgβ-tgα);
d2=δC+2⋅tgα⋅L1+δО⋅tgα⋅ctgβ;d 2 =δ C +2⋅tgα⋅L 1 +δ O ⋅tgα⋅ctgβ;
Dлп=P {[1+cos(2β-α)]/sin(2β-α)-[1+cos(2β+α)]/sin(2β+α)};D lp =P {[1+cos(2β-α)]/sin(2β-α)-[1+cos(2β+α)]/sin(2β+α)};
h/(2 L1+0,5⋅δС/tgα+0.5⋅δО/tgβ)=sin(l80°-2β),h/(2 L 1 +0.5⋅δ С /tgα+0.5⋅δ О /tgβ)=sin(l80°-2β),
где а - минимально допустимое расстояние, при выбранном h, отражающей плоскости 21 дополнительного вторичного зеркала 20 от точки пересечения центральной оптической оси 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9;Where A - the minimum allowable distance, with selected h, the reflecting
α - угол между центральной оптической осью 18 прямолинейного отрезка оптоволокна 3 и предельным апертурным лучом 42 или 43, образующим световой конус на выходе из сердцевины 5;α is the angle between the central optical axis 18 of the rectilinear segment of the
Р - фокальный параметр полной параболы 13, образованной пересечением плоскости YOX с параболоидом вращения с координатной осью ОХ и образующим вогнутую отражающую поверхность 12 главного оптического зеркала 11;P is the focal parameter of the
Dлп - диаметр пучка лазерного излучения на выходе из оптической системы.D lp is the diameter of the laser beam at the output of the optical system.
Приведем расчетный пример проектирования оптической системы формирования и наведения пучка лазерного излучения, на базе мощных волоконных лазеров, сочетающих в себе свойства собственно генераторов излучения (лазерных диодов), усилителей излучения и высокоэффективных световодов.Let us give a calculation example of the design of an optical system for the formation and guidance of a laser beam, based on high-power fiber lasers that combine the properties of the radiation generators themselves (laser diodes), radiation amplifiers and high-performance optical fibers.
Нужно отметить, что в данном техническом решении рассматривается внеосевая оптическая схема с тремя силовыми компонентами, с тремя зеркалами и внеосевым ходом лучей. А именно, используются внеосевое асферическое зеркало, в виде параболоида вращения - главное зеркало 11, и два плоских зеркала - отклоняющее вторичное зеркало 9 и дополнительное вторичное зеркало 20. Зеркальные схемы обеспечивают дифракционное качество изображения и не вносят хроматические аберрации. Кроме того, достоинством зеркал, по сравнению с призмами и линзами, являются: меньший вес, простота конструкций, меньшее значение вносимых аберраций (в том числе отсутствие хроматизма у зеркал с наружным отражением), исключение требований к ряду показателей качества материала зеркал с наружным отражением, а также возможность создания зеркал больших размеров [С.М. Латыев. Конструирование точных (оптических) приборов. Глава 8, п. 8.4. ЗЕРКАЛА, с. 354-364, https://ozlib.com/813864/tehnika/zerkala]. Применение несферических поверхностей в оптических системах позволяет эффективнее решать задачу дальнейшего улучшения качества изображения, повышения оптических характеристик и совершенствования конструкции оптических приборов, уменьшения их размеров и массы, достижения компактности. Известно, например, что параболическое зеркало образует близкое к идеальному изображение бесконечно удаленной осевой точки [Н.П. Заказнов, С.И. Кирюшин, В.Н. Кузичев. Теория оптических систем. 3-е изд. М.: Машиностроение, 1992, с. 357]. Причем, как это видно из фиг. 1 в предлагаемом техническом решении рассматривается внеосевое размещение зеркал - оптическая схема брахита. К положительным качествам брахитов можно отнести отсутствие экранирования, что положительно сказывается на четкости и контрастности изображения [Глава четвертая. СЛОЖНЫЕ ТЕЛЕСКОПЫ. http://www.old.astronomer.ru/data/library/books/sikoruk/glava4/4_1.htm], [Рефлектор (телескоп), https://ru.wikipedia.org/wiki/]. Из всех типов асферических отражателей именно внеосевые параболические зеркала лишены сферических аберраций, поэтому проецируют точечный источник в бесконечность и могут быть эффективно применимы в устройствах расширения лазерного пучка. Кроме того, использование такой оптической схемы сокращает размеры и массу оптической системы, а также позволяет использовать зеркала как клиновидной, так и равнотолщинной конфигурации [TYDEX: Внеосевые параболические зеркала http://www.tydexoptics.com/ru/products/spectroscopy/oap_mirrors/]. Для примера проектируем оптическую систему включающую лазерный волоконный модуль 1 с оптоволоконным выводом 2 на основе лазерного модуля (ЛМ) типа иттербиевого волоконного лазера ЛК-1000, производитель IPG Photonics (Россия) [https://www.stankoff.ru/product/11234/itterbievyiy-volokonnyiy-lazer-lk-1000]. Положим, что иттербиевый волоконный лазер генерирует инфракрасное излучение с длиной волны λ=1070 нм и выполнен с оптоволоконным выводом 2, конструкции которого рассмотрены, например, в [Патент №2480797. G02B 6/36 (2006.01) Способ и узел крепления оптического коннектора в коллимирующем устройстве волоконного лазера. Опубл. 27.04.2013. Бюл. №12], [ЛК/YLR-Серия. Руководство Пользователя. НТО ИРЭ ПОЛЮС, 2015, Оптический выход волоконного кабеля. Приборы с коннектором, с. 17], [Дэвид Бейли, Эдвин Райт. Волоконная оптика. Теория и практика. Раздел 5.4. Коннекторы. http://izmer-ls.ru/w/v60.html#:~:text=]. Положим, что оптоволоконный вывод 2 включает оптоволокно 3, состоящее из оптической оболочки 4 с диаметром δО=0,125 мм, заключающей сердцевину 5, с диаметром 5 δС=0,02 мм, через излучающий торец 6 которой выходит пучок с числовой апертурой NA=0,06. Положим, что выход излучения выполнен через, размещенный в блок-коннекторе 24, оптический разъем 25, оконцовывающий оптоволоконный вывод 2, как приведено на фиг. 1-4. Конструкция блок-коннектора 24 включает вторичное зеркало 9 и оптический разъем 25 с системой терморегулирования 26. Вторичное зеркало 9 выполняем в виде усеченного кругового цилиндра, диаметром d1 со скошенной плоскостью, образующей отражающую плоскость 8 вторичного зеркала 9, внутри которого осесимметрично выполнен сквозной канал 27, с осью 28 совпадающей с осью 29 усеченного кругового цилиндра вторичного зеркала 9 и с центральной оптической осью 18, с заключенным в нем оптическим разъемом 25 оконцовывающим прямолинейный участок оптоволоконного вывода 2 с центральной оптической осью 18. Оптический разъем 25 включает прямолинейный отрезок кабеля 30, закрепленный в оптическом разъеме 25, и прямолинейные отрезки буферной оболочки 31 и открытый отрезок 32 оптоволокна 3, закрепленные во втулке 33 осесимметрично размещенной в оптическом разъеме 25. Оптоволокно 3 имеет дополнительную защитную оболочку вокруг оптической оболочки 4. Защитная оболочка, представляющая собой один или несколько слоев полимера, один из слоев - слой-буфер (буферная оболочка), предохраняет сердцевину 5 и оптическую оболочку 4 от воздействий, которые могут повлиять на их оптические свойства, предохраняет оптоволокно 3 от разрывов из-за неровностей поверхности; определяет внешние условия эксплуатации оптоволокна: диапазон температур, уровень радиации, вакуум, химическое воздействие и минимальный радиус изгиба. Защитная оболочка не влияет на процесс распространения света по волокну, а всего лишь предохраняет от ударов [Специальные волоконные световоды: учеб. пособие / Д.Б. Шумкова, А.Е. Левченко. - Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2011, с. 58], [Волоконные компоненты для спектрометрических измерений Avantes, https://in-science.ru/library/article_post/volokonnye-komponenty-dlya-spektrometricheskih-izmerenij-avantes]. Причем отрезок буферной оболочки 31 с внешним диаметром, положим dБ=6 мм, фиксируется втулкой 33, с внутренним диаметром dB и внешним диаметром DB, положим DB=8 мм, где dB=dБ=6 мм, а в торцевой части втулки 33, выполненной в виде усеченного прямого конуса, с диаметром основания DК=DB=8 мм, диаметром основания усеченной части δК, положим δК=0,125 мм и с углом β между образующей конуса и высотой, примем β2=45°, в ее осесимметричном канале 34, с осью 35 совпадающей с центральной оптической осью 18, с диаметром δВ=δО=δК=0,125 мм, фиксируем открытый отрезок 32 оптоволокна 3. Причем основание усеченной части прямого конуса торцевой части втулки 33, торец оптической оболочки 4, излучающий торец 6, через который выходит пучок излучения на дополнительное вторичное зеркало 20, устанавливаем так, чтобы они лежали в одной плоскости 36, проходящей перпендикулярно центральной оптической оси 18 через точку пересечения ее с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9. Причем проектируемая оптическая система выполнена так, что упомянутая ранее центральная ось 10 пучка совпадает с фокальным радиусом-вектором точки на полной параболе 13, через эту точку проходит выходная оптическая ось 15 пучка, совпадающая с диаметром 16 полной параболы 13. При этом диаметр 16 образует, при пересечении с касательной плоскостью 17 к отражающей поверхности 12 в этой точке, угол β. При этом оптическую систему проектируем так, чтобы выходная оптическая ось 15 была параллельной центральной оптической оси 18 прямолинейного отрезка оптоволокна 3, отстоящего от оси 19 полной параболы 13 на расстоянии h (в данном расчетном примере примем h=60 мм). Вторичное зеркало 9 в оптической системе устанавливаем так, чтобы ее отражающая плоскость 8 была параллельной касательной плоскости 17. В результате центральная оптическая ось 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9 будет образовывать при пересечении угол β1, равный углу β, т.е. β1=β. Торцевую часть втулки 33 выполняем в виде усеченного прямого конуса с углом β2 так, чтобы удовлетворялось условие β2<β1. Положим, что проектируемая оптическая система выполнена с фокальным параметром Р=2F=820 мм полной параболы 13, образованной пересечением плоскости YOX с параболоидом вращения с координатной осью ОХ и образующим вогнутую отражающую поверхность 12 главного оптического зеркала 11. Главное оптическое зеркало 11 с отражающей поверхностью 12 выполняем, например, из материала представляющего композит АКК «Скелетон» (алмаз/карбид кремния (АКК), получаемый в вакуумной печи из промышленных марок алмазных порошков, пропитанных жидким кремнием) [С.М. Латыев. Конструирование точных (оптических) приборов. Глава 8, п. 8.4. ЗЕРКАЛА, с. 354-364 https://ozlib.com/813864/tehnika/zerkala]. Следует отметить, что в отличие от традиционных материалов как оптическое стекло, например, марки ЛК-7 [Физические величины. Справочник под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991, с. 770], АКК «Скелетон» по удельной жесткости уступает лишь монокристаллам алмаза, а высокие теплопроводность (650 Вт/(м К)), выше чем у меди, и температуропроводность (320 м2/с) обеспечивают в зеркалах однородность температурных полей и ее быструю тепловую релаксацию, что позволяет ему обладать температурной стабильностью лучших сверхмало расширяющихся материалов. Данные характеристики позволяют создавать из этого материала зеркала с качественно новыми служебными свойствами. На рабочую поверхность зеркала наносят специальные конструкционные покрытия (стеклянные, медные, никелевые, хромовые и др.), которые затем доводятся и полируются до оптического качества.It should be noted that this technical solution considers an off-axis optical scheme with three power components, three mirrors and an off-axis beam path. Namely, an off-axis aspherical mirror is used, in the form of a paraboloid of revolution - the
Мощное электромагнитное излучение, исходящее из сердцевины 5 прямолинейного отрезка оптоволокна 3, как из точечного источника S* (фиг. 4) лазерного излучения на центральной оптической оси 18 сердцевины 5 оптоволокна 3, падает на плоскость излучающего торца 6 оптоволокна 3. Электромагнитные волны на границе двух сред (плоскость излучающего торца 6), попадая из более плотной среды (материал сердцевины 5, с показателем преломления n1) в менее плотную (воздух или космическое пространство) с показателем преломления n0, где n1>n0, испытывают преломление, вызванное тем, что скорости распространения волн в этих средах различны. Продолжения лучей (определяющих положение сферического фронта преломленной волны) расходящегося пучка пересекаются в точке S, на расстоянии r от излучающего торца 6, являющейся мнимым изображением точки S*.Powerful electromagnetic radiation emanating from the
Принимаем, что числовая апертура оптоволокна 3 определяется соотношением NA=n0⋅sinα, где n0=1 - показатель преломления воздуха, α - угол между центральной оптической осью 18 прямолинейного отрезка оптоволокна 3 и предельным апертурным лучом 42 или 43, образующим световой конус на выходе из сердцевины 5 [В.А. Дьяков, Л.В. Тарасов. Оптическое когерентное излучение. М.: Советское радио, 1974, с. 117], причем чем больше NA, тем выше степень расходимости лазерного пучка, выходящего через излучающий торец 6 сердцевины 5 оптоволокна 3. Расстояние r точечного источника излучения (точка S) от излучающего торца 6 на центральной оптической оси 18 сердцевины 5 оптоволоконного вывода 2, как показано на фиг. 4, в первом приближении можно определить как r=0.5⋅δc/tgα. Для малых углов α можно принятьWe accept that the numerical aperture of the
r=0.5⋅δС/sinα=0.5⋅δС/NA=0,5⋅0,02/0,06=0,17 мм.r=0.5⋅δ С /sinα=0.5⋅δС /NA=0.5⋅0.02/0.06=0.17 mm.
Расходящийся пучок лазерного излучения, с центральным лучом пучка 7 и углом α между центральной оптической осью 18 прямолинейного отрезка оптоволокна 3 и предельным апертурным лучом 42 или 43, образующим световой конус, как из точечного источника S (фиг. 4), выходит из сердцевины 5 через излучающий торец 6 суммарно проходит расстояние L1+r+L и падает на отражающую плоскость 21 дополнительного вторичного зеркала 20, где L1 - расстояние от отражающей плоскости 21 дополнительного вторичного зеркала 20 до точки пересечения центральной оптической оси 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9; r - расстояние от точки S до излучающего торца 6; L - расстояние от излучающего торца 6 сердцевины 5 оптоволоконного вывода 2 до точки пересечения центральной оптической оси 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9. Дополнительное вторичное зеркало 20 выполняем в виде круга, диаметром d2 перпендикулярного центральной оптической оси 18 проходящей через его геометрический центр, отстоящего на расстоянии L1 (для проектируемой оптической системы примем L1=88 мм) от точки пересечения центральной оптической оси 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9. Дополнительное вторичное зеркало 20 размещаем в блоке расширителя пучка 22 с механизмом перемещения 23 его вдоль центральной оптической оси 18. Механизм перемещения 23 может быть выполнен на основе прецизионного шагового однокоординатного пьезопозиционера, включающего программное обеспечение, позволяющее управлять и контролировать основные параметры движения пьезопозиционера [Пьезопозиционер для нанофокусировки. http://www.eurotek-general.coml, [Линейные пьезоплатформы. http://www.innfocus.ru/ru/catalog/photonics_c/pozicionery/physik-instrumente-pi/linejnye-pezoplatformy/]. Далее пучок лазерного излучения отражается от отражающей плоскости 21 дополнительного вторичного зеркала 20 также расходящимся сферическим фронтом и падает на отражающую плоскость 8 вторичного зеркала 9, размещенного в блок-коннекторе 24. Выполняем вторичное зеркало 9 и дополнительное вторичное зеркало 20 из материала представляющего композит АКК «Скелетон», аналогичного рассмотренному выше для главного оптического зеркала 11 со специальным конструкционным покрытием на отражающей плоскости 8 и отражающей плоскости 21, аналогично как и у главного оптического зеркала 11. Угол α на фиг. 1-4 определяем из приведенного выше соотношения NA=n0⋅sinα, где n0=1: α=Arcsin NA=Arcsin 0,06=3,44°.The divergent beam of laser radiation, with the central beam of the
Расстояние L торца 6 сердцевины 5 оптоволоконного вывода 2 от точки пересечения центральной оптической оси 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 11, образующей при пересечении угол β1, где β1=β, выбираем минимальным так, чтобы торцы сердцевины 5 и оптической оболочки 4, лежащие в одной плоскости 36, не выходили за пределы отражающей плоскости 8 вторичного зеркала 9. Определим L, как следует из фиг. 4, по соотношениюThe distance L of the
L/(0.5⋅δО)=tg(90°-β1)=ctg β1, учитывая, что β1=β, получаем L= L/(0.5⋅δО⋅ctg β=0.5⋅δО/tg β.L/(0.5⋅δ О )=tg(90°-β 1 )=ctg β 1 , given that β 1 =β, we get L= L/(0.5⋅δ О ⋅ctg β=0.5⋅δ О /tg β.
Определим угол β из трансцендентного уравнения (5), которое можно решить приближенно [Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. Изд. переработанное. Под редакцией Г. Гроше и В. Циглера. Совместное издание. Издательство «Тойбнер» Лейпциг, Москва «Наука», Гл. ред. физ.-мат. лит., 1981, с. 147], или как в данном расчетном примере, анализируя уравнение (5). Исходя из принятой оптической схемы, как видно из фиг. 1, угол β1 ограничен интервалом 45°<β1<90°. Откуда следует, что для принятого в данном примере диаметра оптической оболочки 4 δО=0,125 мм, третье слагаемое в левой части уравнения (5) для L=0.5⋅δО/tg β ограничено интервалом 0<L<0,0625.Let us determine the angle β from the transcendental equation (5), which can be solved approximately [Bronshtein I.N., Semendyaev K.A. Handbook of mathematics for engineers and students of higher educational institutions. Ed. recycled. Edited by G. Grosche and W. Ziegler. Joint publication. Teubner Publishing House Leipzig, Moscow Nauka, Ch. ed. Phys.-Math. lit., 1981, p. 147], or as in this calculation example, by analyzing equation (5). Based on the adopted optical scheme, as can be seen from Fig. 1, the angle β 1 is limited to 45°<β 1 <90°. Whence it follows that for the diameter of the optical shell adopted in this example 4 δ O =0.125 mm, the third term on the left side of equation (5) for L=0.5⋅δ O /tg β is limited to the interval 0<L<0.0625.
Таким образом, считая известными параметры h, L1 δС, δО, α, и имея в виду соотношение 0<L<0,0625, определим угол β из уравнения (5):Thus, considering the known parameters h, L 1 δ С , δ О , α, and bearing in mind the relation 0<L<0.0625, we determine the angle β from equation (5):
h/(2⋅L1+0,5⋅δc/tgα+0.5⋅δО/ tgβ)=sin(180°-2β) илиh/(2⋅L 1 +0.5⋅δ c /tgα+0.5⋅δ О / tgβ)=sin(180°-2β) or
60/(2⋅88+0,5⋅0,02/0,06+0.5⋅0,125/tgβ)=sin(180°-2β)60/(2⋅88+0.5⋅0.02/0.06+0.5⋅0.125/tgβ)=sin(180°-2β)
или 60/(176+0,167+0.5⋅0,125/tgβ)=sin(180°-2β), т.е. третье слагаемое пренебрежимо мало в сравнении с первыми двумя слагаемыми и в первом приближении им можно пренебречь.or 60/(176+0.167+0.5⋅0.125/tgβ)=sin(180°-2β), i.e. the third term is negligible in comparison with the first two terms and can be neglected in the first approximation.
Откуда определяем β как β=90°-0,5⋅Arcsin[h/(2 L1+0,5⋅δС/tgα)]=90°-0,5⋅Arcsin[60/(2⋅88+0,5⋅0,02/0,06)]=80,04°.From where we define β as β=90°-0.5⋅Arcsin[h/(2 L 1 +0.5⋅δ С /tgα)]=90°-0.5⋅Arcsin[60/(2⋅88+0 .5⋅0.02/0.06)]=80.04°.
В результате приближенного решения получаем β=80,04°, что отвечает условию β2<β1=β.As a result of the approximate solution, we obtain β=80.04°, which corresponds to the condition β 2 <β 1 =β.
Определим расстояние L торца 6 сердцевины 5 оптоволоконного вывода 2 от точки пересечения центральной оптической оси 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 11:Let us determine the distance L of the
L=0.5⋅δО⋅ctg β=0,5⋅0,125⋅ctg 80,04°=0,011 мм.L=0.5⋅δ О ⋅ctg β=0.5⋅0.125⋅ctg 80.04°=0.011 mm.
Диаметр d1 отражающей плоскости 8 вторичного зеркала 9, диаметр d2 отражающей плоскости 21 дополнительного вторичного зеркала 20, а так же диаметр пучка лазерного излучения Dлп на выходе из оптической системы определим из соотношений (1-3).The diameter d 1 of the reflecting
d1=(4⋅L1⋅tgα⋅tgβ+δС⋅tg β+δО⋅tgα)/(tgβ-tgα)= =(4⋅88⋅tg 3,44°⋅tg 80,04°+0,02⋅tg 80,04°+0,125⋅tg 3,44°)/(tg 80,04°-tg 3,44°)==21 мм;d 1 =(4⋅L 1 ⋅tgα⋅tgβ+δ C ⋅tg β+δ O ⋅tgα)/(tgβ-tgα)= =(4⋅88⋅tg 3.44°⋅tg 80.04°+0 .02⋅tg 80.04°+0.125⋅tg 3.44°)/(tg 80.04°-tg 3.44°)==21 mm;
d2=δС+2⋅tgα⋅L1+δО⋅tgα⋅ctg β=0,02+2⋅tg 3,44°⋅88+0,125⋅tg 3,44°⋅ctg 80,04°=11 мм;d 2 =δ С +2⋅tgα⋅L 1 +δ О ⋅tgα⋅ctg β=0.02+2⋅tg 3.44°⋅88+0.125⋅tg 3.44°⋅ctg 80.04°=11 mm;
Dлп=P⋅{[1+cos(2⋅β-α)]/sin(2⋅β-a)-[1+cos(2⋅β+α)]/sin(2⋅β+α)}=820 {[1+cos(2⋅80,04°-3,44°)]/sin(2⋅80,04°-3,44°)-[1+cos(2⋅80,04°+3,44°)]/sin(2⋅80,04°+3,44°)}=51 мм.D lp =P⋅{[1+cos(2⋅β-α)]/sin(2⋅β-a)-[1+cos(2⋅β+α)]/sin(2⋅β+α)} =820 {[1+cos(2⋅80.04°-3.44°)]/sin(2⋅80.04°-3.44°)-[1+cos(2⋅80.04°+3 .44°)]/sin(2⋅80.04°+3.44°)}=51 mm.
Определим минимально допустимое расстояние L1 min, при выбранном h, по соотношению (4)Let's determine the minimum allowable distance L 1 min , with the chosen h, according to the relation (4)
= что удовлетворяет условию = which satisfies the condition
Приведем вывод выражений (1-5), определяющих основные геометрические соотношения и технические характеристики, необходимые при конструкторской проработке проектируемой оптической системы формирования и наведения пучка лазерного излучения.We present the derivation of expressions (1-5), which determine the main geometric relationships and technical characteristics necessary for the design study of the designed optical system for the formation and guidance of a laser beam.
При выводе соотношений (1-5) примем, что излучение исходит из сердцевины 5 через излучающий торец 6 из точечного источника излучения (точка S), как показано на фиг. 4, размещенного на расстоянии г от излучающего торца 6 на центральной оптической оси 18 прямолинейного отрезка оптоволокна 3 установленного в оптическом разъеме 25 оконцовывающим оптоволоконный вывод 2 лазерного волоконного модуля 1.When deriving relations (1-5), we assume that the radiation comes from the
Вывод соотношений (1-5) вытекает из законов отражения и преломления света, а также определения и основных свойств полной параболы 13, образованной пересечением плоскости YOX с параболоидом вращения с координатной осью ОХ и образующим вогнутую отражающую поверхность 12 главного оптического зеркала 11 [Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. Изд. переработанное. Под редакцией Г. Гроше и В. Циглера. Совместное издание. Издательство «Тойбнер» Лейпциг, Москва «Наука», Гл. ред. физ.-мат. лит., 1981, с. 244].The derivation of relations (1-5) follows from the laws of reflection and refraction of light, as well as the definition and basic properties of a
Как приведено на фиг. 1, отражающая поверхность 12 главного оптического зеркала 11, являющаяся частью параболоида вращения полной параболы 13, выполнена вогнутой, внеосевой с фокусом F. Причем, как видно из фиг. 1, касательная плоскость 17 в точке М к отражающей поверхности 12 главного оптического зеркала 11 в плоскости YOX образует касательную 17 к полной параболе 13 в точке М. Касательная 17 и нормаль к полной параболе 13 являются биссектрисами углов между фокальным радиусом-вектором точки М полной параболы 13 и диаметром 16, проходящим через эту же точку М, при этом диаметр 16 образует, при пересечении с касательной 17 в этой точке, угол β. А вторичное зеркало 9 установлено в оптической системе так, что его отражающая плоскость 8 параллельна касательной плоскости 17 к отражающей поверхности 12 главного оптического зеркала 11 в точке М.As shown in FIG. 1, the reflecting
При этом принимаем, что числовая апертура оптоволокна определяется соотношением NA=n0⋅sinα, где n0=1 - показатель преломления воздуха, α - угол между центральной оптической осью 18 прямолинейного отрезка оптоволокна 3 и предельным апертурным лучом 42 или 43, образующим световой конус на выходе из сердцевины 5 [В.А. Дьяков, Л.В. Тарасов. Оптическое когерентное излучение. М.: Советское радио, 1974, с. 117], причем чем больше NA, тем выше степень расходимости лазерного пучка выходящего через излучающий торец 6 сердцевины 5 оптоволоконного вывода 2. Из соотношения NA=n0⋅sinα, где n0=1, определяем угол α (фиг. 1-4), т.е.In this case, we assume that the numerical aperture of the optical fiber is determined by the ratio NA=n 0 ⋅sinα, where n 0 =1 is the refractive index of air, α is the angle between the central optical axis 18 of the rectilinear segment of the
Расстояние r точечного источника излучения (точка S) от излучающего торца 6 на центральной оптической оси 18 сердцевины 5 оптоволоконного вывода 2, как показано на фиг. 4, в первом приближении можно определить какThe distance r of the point source of radiation (point S) from the
Для малых углов а можно принятьFor small angles a, one can take
Расстояние L от торца 6 сердцевины 5 оптоволоконного вывода 2 до точки пересечения центральной оптической оси 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 11, образующей при пересечении угол β1, где β1=β, выбираем минимальным так, чтобы торцы сердцевины 5 и оптической оболочки 4, лежащие в одной плоскости 36, не выходили за пределы отражающей плоскости 8 вторичного зеркала 9. Определим L, как следует из фиг. 4, по соотношениюThe distance L from the
L/(0,5⋅δo)=tg(90°-β1)=ctgβ1, учитывая, что β1=β, получаемL/(0.5⋅δ o )=tg(90°-β 1 )=ctgβ 1 , given that β 1 =β, we get
Угол β, образованный при пересечении диаметра 16 полной параболы 13, с касательной плоскостью 17 к отражающей поверхности 12 главного оптического зеркала 11 в плоскости YOX и равный ему угол β1, образованный при пересечении центральной оптической оси 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9 в плоскости YOX, для принятого конструктивного решения рассматриваемой оптической системы, учитывая соотношения (7) и (9), определяем, например, из треугольника ΔtM3F (фиг. 1) The angle β formed at the intersection of the
В соотношении (10) M3t=h, где, как видно из фиг. 1, h - расстояние центральной оптической оси 18 прямолинейного отрезка оптоволокна 3 от оси 19 полной параболы 13. Гипотенуза M3F, как видно из фиг. 1 и фиг. 4, является мнимым отрезком фокального радиуса-вектора точки М на полной параболе 13, равным расстоянию пройденному центральным лучом 7 пучка излучения, исходящего из сердцевины 5 через излучающий торец 6, от точечного источника S, после отражения от отражающей плоскости 21 дополнительного вторичного зеркала 20, до отражающей плоскости 8 вторичного зеркала 9. Откуда в соотношении (10) M3F=2 L1+r+L.In relation (10) M 3 t=h, where, as can be seen from FIG. 1, h is the distance of the central optical axis 18 of the rectilinear segment of the
Подставляя в (10) выражения для r и L из (7) и (9), получаем для β трансцендентное уравнениеSubstituting into (10) the expressions for r and L from (7) and (9), we obtain for β the transcendental equation
которое можно решить приближенно [Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. Изд. переработанное. Под редакцией Г. Гроше и В. Циглера. Совместное издание. Издательство «Тойбнер» Лейпциг, Москва «Наука», Гл. ред. физ.-мат. лит., 1981, с. 147]. Откуда для определения β приходим к соотношению (5).which can be solved approximately [Bronstein I.N., Semendyaev K.A. Handbook of mathematics for engineers and students of higher educational institutions. Ed. recycled. Edited by G. Grosche and W. Ziegler. Joint publication. Teubner Publishing House Leipzig, Moscow Nauka, Ch. ed. Phys.-Math. lit., 1981, p. 147]. Whence, to determine β, we arrive at relation (5).
Диаметр d2 отражающей плоскости 21 дополнительного вторичного зеркала 20, как видно из фиг. 1 и фиг. 4, имея в виду закон отражения лучей падающих на отражающую плоскость 21 дополнительного вторичного зеркала 20 и предварительно считая известными параметры α, δС, L1, r и L, учитывая (7) и (9), можно определить из соотношенияThe diameter d 2 of the reflecting
0,5⋅d2/(L1+r+L)=tgα, откуда определяем d2 0.5⋅d 2 /(L 1 +r+L)=tgα, from which we determine d 2
d2=δС+2⋅tgα⋅L1+δО⋅tgα⋅ctgβ, т.е. приходим к соотношению (2).d 2 =δ С +2⋅tgα⋅L 1 +δ О ⋅tgα⋅ctgβ, i.e. we arrive at relation (2).
Диаметр d1 отражающей плоскости 8, как видно из фиг. 1 и фиг. 4, имея в виду закон отражения лучей падающих на отражающую плоскость 8 вторичного зеркала 9, находим как ординату (у) точки пересечения крайнего луча 44, отраженного от отражающей плоскости 21 дополнительного вторичного зеркала 20, с отражающей плоскостью 8, как точку на отражающей плоскости 8 наиболее отдаленную от центральной оптической оси 18, из решения системы уравнений крайнего луча 44 и прямой, образованной от пересечения отражающей плоскости 8 с плоскостью YOX, перенеся точку начала координат, для этого частного случая, в точку М3:The diameter d 1 of the
Совместно решая уравнения (12) и (13) находим ординату (у) точки пересечения крайнего луча 44 с отражающей плоскостью 8, как точку наиболее отдаленную от центральной оптической оси 18:Solving equations (12) and (13) together, we find the ordinate (y) of the point of intersection of the
Подставляя в (14) выражения из (7) и (9) определяем диаметр d1 из соотношенияSubstituting into (14) the expressions from (7) and (9) we determine the diameter d 1 from the relation
d1=2⋅у=(4 L1⋅tgα⋅tgβ+δС⋅tgβ+δO⋅tgα)/(tgβ-tgα), т.е. приходим к соотношению (1).d 1 =2⋅у=(4 L 1 ⋅tgα⋅tgβ+δ С ⋅tgβ+δ O ⋅tgα)/(tgβ-tgα), i.e. we arrive at relation (1).
Диаметр Dлп пучка лазерного излучения на выходе из оптической системы определим как разность ординат точек M1 и М2 на полной параболе 13 соответствующих фокальных радиусов-векторов, как это видно из фиг.ь 1, предварительно определив ординату точки М на полной параболе 13.The diameter D lp of the laser beam at the exit from the optical system is defined as the difference between the ordinates of the points M 1 and M 2 on the
Совместно решая уравнение фокального радиуса-вектора точки М на полной параболе 13, используя треугольники на фиг. 1 ΔTMF и ΔOmF,By jointly solving the equation of the focal radius vector of the point M on the
и каноническое уравнение параболы [Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. Изд. переработанное. Под редакцией Г. Гроше и В. Циглера. Совместное издание. Издательство «Тойбнер» Лейпциг, Москва «Наука», Гл. ред. физ.-мат. лит., 1981, с. 244]and the canonical equation of the parabola [Bronshtein I.N., Semendyaev K.A. Handbook of mathematics for engineers and students of higher educational institutions. Ed. recycled. Edited by G. Grosche and W. Ziegler. Joint publication. Teubner Publishing House Leipzig, Moscow Nauka, Ch. ed. Phys.-Math. lit., 1981, p. 244]
где Р - фокальный параметр полной параболы 13, образованной пересечением плоскости YOX с параболоидом вращения с координатной осью ОХ и образующим вогнутую отражающую поверхность 12 главного оптического зеркала 11.where P is the focal parameter of the
Из совместного решения уравнений (15) и (16) находим ординату точки М(х0, у0)From the joint solution of equations (15) and (16) we find the ordinate of the point M(x 0 , y 0 )
Аналогично, используя рисунок на фиг. 1, определяем ординаты точек M1 и М2 на полной параболе 13, а диаметр Dлп пучка лазерного излучения на выходе из оптической системы определим как разность ординат точек М1 и М2 Similarly, using the drawing in FIG. 1, we determine the ordinates of the points M 1 and M 2 on the
Dлп=y1-y2=P⋅{[l+cos(2β-α)]/sin(2β-α)-[1+cos(2β+α)]/sin(2β+α)}, т.е. приходим к соотношению (3).D lp =y 1 -y 2 =P⋅{[l+cos(2β-α)]/sin(2β-α)-[1+cos(2β+α)]/sin(2β+α)}, t .e. we arrive at relation (3).
Определим минимально допустимое расстояние , при выбранном h, отражающей плоскости 21 дополнительного вторичного зеркала 20 от точки (М3) пересечения центральной оптической оси 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9, чтобы сравнить с предварительно выбранным параметром L1, при этом очевидно, как видно из фиг. 1, L1 должно быть больше . определим как разность абсцисс точки М3 и точки пересечения фокального радиуса-вектора точки М2 с прямой у=h+d2/2. Абсциссу х3 точки М3(х3, у3), где у3=h, определим совместно решая уравнение (15) фокального радиуса-вектора точки М на полной параболе 13 с уравнением у=h. Откуда получаемDetermine the minimum allowable distance , with selected h, the reflecting
Аналогично (18) получаем абсциссу (назовем ее хД) точки пересечения фокального радиуса-вектора точки М2 с прямой у=h+d2/2, эта точка на отражающей плоскости 21 дополнительного вторичного зеркала 20 наиболее удалена от центральной оптической оси 18, откуда получаемSimilarly to (18), we obtain the abscissa (let's call it x D ) of the point of intersection of the focal radius vector of the point M 2 with the straight line y \u003d h + d 2 /2, this point on the reflecting
Откуда определяем минимально допустимое расстояниепри выбранном h, отражающей плоскости 21 дополнительного вторичного зеркала 20 от точки (М3) пересечения центральной оптической оси 18 с отражающей плоскостью 8 вторичного зеркала 9, как т.е. получаем соотношение (4).Where we determine the minimum allowable distance when h is selected, the reflecting
Нужно отметить, что при применении выше приведенных соотношений необходимо учитывать конструктивные особенности оправ, в которых размещены главное оптическое зеркало 11, вторичное зеркало 9 и дополнительное вторичное зеркало 20 в конструкции реальной оптической системы.It should be noted that when applying the above ratios, it is necessary to take into account the design features of the frames in which the main
Claims (6)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2790198C1 true RU2790198C1 (en) | 2023-02-15 |
Family
ID=
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN116067283A (en) * | 2023-04-03 | 2023-05-05 | 成都飞机工业(集团)有限责任公司 | Deep cavity measurement method, device, equipment and medium |
RU2807586C1 (en) * | 2023-03-31 | 2023-11-16 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Method of aiming a laser beam at an object |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2663121C1 (en) * | 2016-11-28 | 2018-08-07 | Публичное акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" | Optical system for formation and induction of laser radiation |
CN108680060A (en) * | 2018-04-03 | 2018-10-19 | 北京环境特性研究所 | A kind of laser infrared complex target simulator, equipment and system |
RU2715083C1 (en) * | 2019-04-11 | 2020-02-25 | Публичное акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" | Laser beam formation and guidance optical system |
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2663121C1 (en) * | 2016-11-28 | 2018-08-07 | Публичное акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" | Optical system for formation and induction of laser radiation |
CN108680060A (en) * | 2018-04-03 | 2018-10-19 | 北京环境特性研究所 | A kind of laser infrared complex target simulator, equipment and system |
RU2715083C1 (en) * | 2019-04-11 | 2020-02-25 | Публичное акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" | Laser beam formation and guidance optical system |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2807586C1 (en) * | 2023-03-31 | 2023-11-16 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Method of aiming a laser beam at an object |
CN116067283A (en) * | 2023-04-03 | 2023-05-05 | 成都飞机工业(集团)有限责任公司 | Deep cavity measurement method, device, equipment and medium |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7221823B2 (en) | Fiber coupler, system and associated methods for reducing back reflections | |
JP4616119B2 (en) | Multi-beam generator, multi-beam light source and spatial light transmission device using the same | |
JPH08240793A (en) | Refration ellipse optical face without spherical aberration | |
CN111708133A (en) | Device and method for coupling single-mode optical fiber by laser with large divergence angle | |
JP2004126588A (en) | Symmetric bi-aspheric lens for use in transmissive and reflective optical fiber component | |
CN105300348A (en) | Laser range finding apparatus | |
RU2663121C1 (en) | Optical system for formation and induction of laser radiation | |
US20010051021A1 (en) | Phase mask consisting of an array of multiple diffractive elements for simultaneous accurate fabrication of large arrays of optical couplers and method for making same | |
US5301249A (en) | Catoptric coupling to an optical fiber | |
CN109856710B (en) | Double-glued axicon and method for generating long-distance high-resolution Bessel light beam | |
KR20140045346A (en) | Device and method for widening a laser beam | |
RU2790198C1 (en) | Optical system for shaping and guidance of a laser radiation beam | |
Ning et al. | Collimation of laser diode beams for free space optical communications | |
US5181265A (en) | Optical coupling apparatus for introducing and coupling an incident light into a wave guide | |
RU2699944C1 (en) | Optical system for generation and guidance of laser radiation | |
RU2788422C1 (en) | Optical system for remote energy transmission based on powerful fiber lasers | |
RU2715083C1 (en) | Laser beam formation and guidance optical system | |
Hunter et al. | Selecting a high-power fiber-optic laser beam delivery system | |
CN213122366U (en) | Large divergence angle laser coupling single mode fiber device | |
US5112122A (en) | Fiber-type light conversion device | |
CN113687474B (en) | Vortex light beam and optical fiber efficient coupling system and method | |
Willstrand | Intensity distribution conversion from Gaussian to Top-Hat in a single-mode fiber connector | |
Yang et al. | Design of coupling system for Cassegrain antenna array | |
RU2814149C1 (en) | Method for generating and focusing laser radiation of emitter with fibre-optical output to remote object | |
Mukhopadhyay | Laser diode to circular core graded index single mode fiber excitation via upside down tapered microlens on the fiber tip and identification of the suitable refractive index profile |