RU2814149C1

RU2814149C1 - Способ формирования и фокусировки лазерного излучения излучателя с оптоволоконным выводом на удаленный объект

Info

Publication number: RU2814149C1
Application number: RU2023110321A
Authority: RU
Inventors: Гюзель Абдулловна Богатова; Александр Валерьевич Горобинский; Игорь Платонович Жиган; Евгений Викторович Кузнецов; Константин Владимирович Митин; Сергей Викторович Попов
Original assignee: Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха"
Filing date: 2023-04-21
Publication date: 2024-02-22

Abstract

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению для формирования и наведения лазерного излучения на удаленные объекты. Способ формирования и фокусировки лазерного излучения излучателя с оптоволоконным выводом на удаленный объект включает формирование излучателем с оптоволоконным выводом лазерного излучения, формирование телеобъективом излучения заданной диаграммы направленности, близкого к дифракционному качеству, фокусировку устройством фокусировки излучения на удаленный объект, при этом торец сердцевины оптоволоконного вывода располагается в фокальной плоскости телеобъектива и излучение заданной диаграммы направленности выходит сфокусированным на бесконечность, далее, перемещая торец сердцевины оптоволоконного вывода относительно телеобъектива устройством фокусировки, осуществляется наведение и фокусировка на удаленный объект, при этом фокусное расстояние телеобъектива выбирают тождественным эффективному фокусному расстоянию суммарной системы формирования излучения и формирования излучения заданной диаграммы направленности. Технический результат - упрощение способа формирования лазерного излучения дифракционного качества, повышение плотности излучения на удаленном объекте. 1 ил.

Description

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению и может использоваться при разработке лазерных комплексов в части формирования и фокусировки лазерного излучения на удаленный объект.

Известен способ формирования и фокусировки лазерного излучения n - излучателей на цель в [1], включающий формирование выходного пучка n-излучателей на основе волоконных лазеров каждый с выходом через высокоэффективный световод, торец сердцевины которого является источником излучения, создающего единичный лазерный пучок. На выходе отдельные световоды объединены в жгут и расположены по его периметру. Излучение торца волоконного жгута поступает на вход телескопической системы формирования выходного лазерного пучка. Окуляр телескопической системы выполнен в виде подвижной линзы и осуществляет фокусировку лазерного излучения n-излучателей на удаленный объект.

Этот способ не позволяет формировать на выходе пучок дифракционного качества даже при использовании одномодовых волоконных лазеров. К недостаткам способа можно отнести:

- большие лучевые нагрузки на окуляре телескопа из-за близкого его расположения к торцу излучающего тела излучателя, вызывающие термодеформации оптических поверхностей окуляра и ухудшающие диаграмму направленности излучения;

- не высокую плотность излучения на объекте из-за отсутствия системы формирования каждого излучателя, широкой диаграммы направленности излучения и фокусировки суммарного излучения n-излучателей на объект общей телескопической системой формирования;

- выходной пучок имеет неоднородное меняющееся на различных расстояниях от излучателя распределение плотности мощности по сечению пучка.

Известен способ формирования и фокусировки лазерного излучения на цель [2], включающий формирование лазерного излучения 4-х излучателей коллиматорами, фокусировку каждого излучателя на объект поворотными плоскими зеркалами, установленными за каждым коллиматором, компенсацию фокусного расстояния коллиматора, вызванную тепловыми эффектами в формирующей оптике коллиматора, продольным перемещением окуляра двухкратного расширителя пучка. При использовании известного способа формирования и фокусировки излучения на объект существенными недостатками являются: большие лучевые нагрузки на оптических элементах коллиматора и окуляре расширителя пучка из-за близкого их расположения к торцу излучающего тела излучателя, вызывающие термодеформации оптических поверхностей оптических элементов и ухудшающие диаграмму направленности излучения, не высокая плотность излучения на объекте из-за отсутствия фокусировки излучения на заданную дальность и широкой диаграммы направленности излучения излучателя.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ формирования и фокусировки лазерного излучения излучателя с оптоволоконным выводом на удаленный объект [3], включающий формирование лазерного излучения короткофокусным коллиматором в виде асферической линзы, формирование необходимой диаграммы направленности лазерного излучения излучателя в зеркальном телескопе с внеосевыми параболическими зеркалами в виде вогнутого главного и выпуклого вторичного зеркал, фокусировку лазерного излучения на удаленный объект, осуществляемую продольным перемещением асферической линзы коллиматора.

При использовании известного способа формирования и фокусировки излучения на объект существенными недостатками являются: большие лучевые нагрузки на оптических элементах коллиматора и вторичного зеркала телескопической системы из-за близкого их расположения к торцу излучающего тела излучателя, вызывающие термодеформации оптических поверхностей оптических элементов и ухудшающие диаграмму направленности излучения; не высокая плотность излучения на объекте из-за широкой диаграммы направленности излучения излучателя; сложность и дороговизна изготовления асферической оптики для коллиматора и телескопической системы; сложность юстировки внеосевых параболических зеркал.

Задачей изобретения является упрощение способа формирования лазерного излучения дифракционного качества, повышение плотности излучения на удаленном объекте, снижение затрат системы формирования и фокусировки лазерного излучения.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе формирования и фокусировки лазерного излучения излучателя с оптоволоконным выводом на удаленный объект, включающем формирование излучения, формирование излучения заданной диаграммы направленности и фокусировку его на удаленный объект, формирование излучения, формирование излучения заданной диаграммы направленности и фокусировку его на удаленный объект осуществляют телеобъективом, строящим изображение торца сердцевины оптоволоконного вывода на удаленный объект, при этом фокусное расстояние телеобъектива выбирают тождественным эффективному фокусному расстоянию суммарной системы формирования излучения и формирования излучения заданной диаграммы направленности.

На рисунке показана принципиальная оптическая схема для реализации предложенного способа, где: 1 - телеобъектив; 2 - излучатель с оптоволоконным выводом; 3 - торец сердцевины оптоволоконного вывода; 4 - устройство фокусировки.

Телеобъектив 1 предназначен для формирования излучения заданной диаграммы направленности и построения изображения торца сердцевины оптоволоконного вывода на удаленный объект. Телеобъектив представляет собой двух или трех линзовую систему со стандартными сферическими поверхностями. Линзы располагаются на достаточно большом расстоянии от торца сердцевины оптоволоконного вывода, откуда выходит расходящееся мощное лазерное излучение, обеспечивая при этом сильное уменьшение лучевых нагрузок на оптические поверхности линз.

Излучатель 2 с оптоволоконным выводом предназначен для создания лазерного излучения. Торец сердцевины оптоволоконного вывода 3 располагают в плоскости предметов телеобъектива 1. При расположении торца сердцевины оптоволоконного вывода в фокальной плоскости телеобъектива через него выходит пучок, сфокусированный на бесконечность и сфокусированный на заданную дальность при его удалении от телеобъектива.

Устройство фокусировки 4 предназначено для фокусировки лазерного излучения на удаленный объект.

Способ формирования и фокусировки лазерного излучения излучателя с оптоволоконным выводом на удаленный объект реализован следующим образом.

Торец сердцевины оптоволоконного вывода 3 располагают в плоскости предметов телеобъектива 1. Удаленный объект расположен в пространстве изображений телеобъектива 1.

При подаче управляющей команды на подачу электропитания излучателю 2, излучатель начинает генерировать когерентные электромагнитные волны, передаваемые по оптоволоконному выводу, торец сердцевины которого 3 является источником излучения, откуда выходит лазерный пучок.

Выходное лазерное излучение излучателя, исходящее из торца сердцевины оптоволоконного вывода 3, проходит сферические линзы телеобъектива 1, формируя излучение необходимой диаграммы направленности близкое к дифракционному качеству, и выходит сфокусированным на бесконечность при расположении торца сердцевины оптоволоконного вывода в фокальной плоскости телеобъектива. При перемещении торца сердцевины оптоволоконного вывода 3 относительно телеобъектива устройством фокусировки 4 осуществляют наведение и фокусировку на заданную дальность, где расположен удаленный объект. Поскольку торец сердцевины оптоволоконного вывода 3 расположен в плоскости предметов телеобъектива 1, и система сфокусирована на удаленный объект, то обеспечивается сопряженность торца сердцевины оптоволоконного вывода излучателя и удаленного объекта, и телеобъектив строит изображение торца сердцевины оптоволоконного вывода 3, откуда выходит лазерное излучение излучателя 2, на удаленный объект. И излучение излучателя 2 будет сфокусировано на удаленный объект.

Диаметр сфокусированного излучения на удаленном объекте определяется дальностью и расходимостью выходного излучения. Чем меньше расходимость излучения, тем меньше размер сфокусированного излучения на объекте и больше его плотность. В известном способе формирование лазерного излучения осуществляется короткофокусным коллиматором. Для уменьшения его расходимости и формирования излучения заданной диаграммы направленности используют телескопические системы. В этом случае фокусное расстояние коллиматора увеличивается пропорционально линейному увеличению телескопа.

В предложенном способе, чтобы получить туже плотность излучения на удаленном объекте, как в известном способе, фокусное расстояние телеобъектива должны выбрать тождественным эффективному фокусному расстоянию суммарной системы формирования излучения и формирования излучения заданной диаграммы направленности.

В предложенном способе формирования и фокусировки лазерного излучения излучателя с оптоволоконным выводом на удаленный объект использование телеобъектива для формирования излучения заданной диаграммы направленности и построения изображение торца сердцевины оптоволоконного вывода на удаленный объект позволяет:

- упростить способ формирования лазерного излучения дифракционного качества;

- повысить плотность излучения на удаленном объекте из-за улучшения диаграммы направленности излучения излучателя;

- снизить затраты системы формирования и фокусировки лазерного излучения за счет использования стандартных сферических линз, уменьшения количества оптических элементов, снижения массогабаритных характеристик и простоты конструкции;

- упростить юстировку за счет использования осевой системы со стандартными сферическими линзами;

- уменьшить лучевые нагрузки на оптические поверхности линз из-за расположения их на достаточно большом расстоянии от торца сердцевины оптоволоконного вывода, откуда выходит расходящееся мощное лазерное излучение.

Источники информации:

1. В.И. Кишко, В.Ф. Матюхин. Принципы построения адаптивных ретрансляторов для стратосферных систем передачи энергии // Автометрия. 2012.. Т. 48, №2. с. 59-66.

2. Sprangle, Phillip & Ting, А. & Penano, J.R. & Fischer, Richard & Hafizi, Bahman. (2008). Incoherent Combining of High-Power Fiber Lasers for Directed-Energy Applications. 2. 25.

3. Патент RU 2699944, опубликован 11.09.2019, бюл. №26, МПК: G01S 17/88 (2019.05), F41G 3/22 (2019.05) - прототип.

Claims

Способ формирования и фокусировки лазерного излучения излучателя с оптоволоконным выводом на удаленный объект включает формирование излучателем с оптоволоконным выводом лазерного излучения, формирование телеобъективом излучения заданной диаграммы направленности, близкого к дифракционному качеству, фокусировку устройством фокусировки излучения на удаленный объект, при этом торец сердцевины оптоволоконного вывода располагается в фокальной плоскости телеобъектива и излучение заданной диаграммы направленности выходит сфокусированным на бесконечность, далее, перемещая торец сердцевины оптоволоконного вывода относительно телеобъектива устройством фокусировки, осуществляется наведение и фокусировка на удаленный объект, при этом фокусное расстояние телеобъектива выбирают тождественным эффективному фокусному расстоянию суммарной системы формирования излучения и формирования излучения заданной диаграммы направленности.