RU2699944C1 - Optical system for generation and guidance of laser radiation - Google Patents
Optical system for generation and guidance of laser radiation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2699944C1 RU2699944C1 RU2018141525A RU2018141525A RU2699944C1 RU 2699944 C1 RU2699944 C1 RU 2699944C1 RU 2018141525 A RU2018141525 A RU 2018141525A RU 2018141525 A RU2018141525 A RU 2018141525A RU 2699944 C1 RU2699944 C1 RU 2699944C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical axis
- main
- mirror
- aspherical lens
- focus
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F41—WEAPONS
- F41G—WEAPON SIGHTS; AIMING
- F41G3/00—Aiming or laying means
- F41G3/22—Aiming or laying means for vehicle-borne armament, e.g. on aircraft
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
- G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Lenses (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области создания систем передачи мощного 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. 198-199].The invention relates to the field of creating systems for transmitting high-power radiation to air and space objects and laser ranging systems with high accuracy for a laser channel for transmitting energy to a receiver-converter based on semiconductor photoelectric converters (PEC) for converting electromagnetic energy of high density laser radiation. The fields of application of such a conversion 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 travel. M .: Nauka, 1984, p. 198-199].
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) [В.И. Кишко, В.Ф. Матюхин. Принципы построения адаптивных ретрансляторов для стратосферных систем передачи энергии // Автометрия. 2012. Т. 48, №2, с. 59-66.] с последующим преобразованием в электроэнергию в приемниках-преобразователях. 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). При этом можно реализовать схему централизованного энергоснабжения, как отдельных КА, так и их группировок, что расширяет их функциональные возможности и увеличивает их ресурс.In space technology, a number of new directions have been identified based on the use of laser radiation. Among them, a very promising direction should be considered the transfer of energy to spacecraft (SC) using laser energy transfer systems (LSPE) [V.I. Kishko, V.F. Matyukhin. The principles of constructing adaptive repeaters for stratospheric energy transfer systems // Avtometriya. 2012.V. 48, No. 2, p. 59-66.] Followed by conversion into electricity in the receiver-converters. Currently, each spacecraft is equipped with its own electric energy generation system. However, there is an alternative way of energy supply, involving the use of centralized power plants and the transfer of energy to spacecraft-consumers using electromagnetic radiation (EMP). At the same time, it is possible to implement a centralized energy supply scheme for both individual spacecraft and their groupings, which expands their functional capabilities 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 малорасходящийся пучок и точного наведения его на протяженных трассах.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. Using such systems, the following tasks can be solved: concentration of laser radiation in a spot of small size (focusing); conversion of a laser beam into a beam with a small angle of divergence (collimation); the 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 .: Engineering, 1992, p. 318-319]. For the successful implementation of the transmission of laser radiation to a consumer object, it is necessary to create an optical system that effectively forms a low-diverging beam and accurately guides it along extended paths.
Известны лазерно-оптические системы для формирования мощных лазерных пучков на протяженных трассах с заданными характеристиками.Known laser optical systems for the formation of high-power laser beams on long paths with specified characteristics.
Так в изобретении, предложенном в [Патент RU 2117322, опубл. 10.08.1998, МПК: 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 RU 2117322, publ. 08/10/1998, IPC: G02B 27/48 (2006.01)] is a device for the formation of light beams. The device contains a source of coherent optical radiation and a concave main mirror, a wavefront reversal 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 the elements of both auxiliary systems are aligned. 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 a main mirror with a convex surface. It should be noted that auxiliary optical systems must have high optical quality. When using the proposed optical system as a collimator, a significant drawback is that the auxiliary systems contain a large number of optical surfaces, the errors of which affect the accuracy of the generated wavefront.
Также известна оптическая система формирования и наведения лазерного излучения (СФИНЛИ) в публикации [В.И. Кишко, В.Ф. Матюхин. Принципы построения адаптивных ретрансляторов для стратосферных систем передачи энергии // Автометрия. 2012, т. 48, №2, с. 59-66], включающая передающий лазерный комплекс из n-лазерных модулей, на основе волоконных лазеров каждый с выходом через высокоэффективный световод, торец сердцевины которого является источником излучения, создающего единичный лазерный пучок. Причем на выходе отдельные световоды объединены в жгут и расположены по его периметру, так что середина жгута остается свободной. Излучение торца волоконного жгута через светоделительный элемент поступает на вход телескопической системы формирования выходного лазерного пучка. Одним из элементов оптической системы является трехкоординатный элемент сканирования, выполненный в виде подвижной линзы, что позволяет осуществлять точную фокусировку и сканирование лазерного пучка в двух поперечных направлениях. На выходе оптической системы суммарный лазерный пучок падает на плоское зеркало, конструктивно связанное с устройством "грубого" наведения, что позволяет наводить систему в широком диапазоне углов, и отражается в виде малорасходящегося пучка лучей. Лазерный пучок на выходе из оптической системы имеет форму близкую к кольцу, где центральная часть используется оптико-электронной системой наведения излучения.Also known is the optical system for the formation and guidance of laser radiation (SFINLI) in the publication [V.I. Kishko, V.F. Matyukhin. The principles of constructing adaptive repeaters for stratospheric energy transfer systems // Avtometriya. 2012, t. 48, No. 2, p. 59-66], including a transmitting laser complex of n-laser modules, based on fiber lasers each with an output through a high-efficiency fiber, the end of the core of which is a source of radiation that creates a single laser beam. Moreover, at the exit, individual fibers are combined into a bundle and are located along its perimeter, so that the middle of the bundle remains free. The radiation from the end of the fiber bundle through the beam splitting element is fed to the input of the telescopic system for generating the output laser beam. One of the elements of the optical system is a three-coordinate scanning element made in the form of a movable lens, which allows precise focusing and scanning of the laser beam in two transverse directions. At the output of the optical system, the total laser beam is incident on a flat mirror structurally coupled to a “coarse” guidance device, which allows the system to be guided in a wide range of angles, and is reflected as a low-diverging beam of rays. The laser beam at the exit from the optical system has a shape close to a ring, where the central part is used by an optoelectronic radiation guidance system.
Нужно отметить, что предложенная компоновка оптической системы не позволяет сформировать на выходе пучок дифракционного качества даже при использовании одномодовых волоконных лазеров. Так же, выходной пучок имеет неоднородное меняющееся на различных расстояниях от ЛСПЭ распределение плотности мощности по сечению пучка. Кроме того, очевидна сложность замены отдельных лазерных модулей при выходе их из строя или падении их мощности.It should be noted that the proposed arrangement of the optical system does not allow the formation of a beam of diffraction quality at the output even when using single-mode fiber lasers. Also, the output beam has a non-uniform distribution of power density over the beam cross section varying at different distances from LSPE. In addition, the obvious difficulty of replacing individual laser modules when they fail or when their power drops.
Наиболее близкой к изобретению по технической сущности является оптическая система формирования и наведения лазерного излучения, предложенная в [Патент RU 2663121, опубликован 07.08.2018, бюл. №22, МПК: G01S 17/88 (2006.01), F41G 3/22 (2006.01)], 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 fa * 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 fc *, 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 fc * подвижной линзы.Closest to the invention in technical essence is an optical system for the formation and guidance of laser radiation, proposed in [Patent RU 2663121, published 08/07/2018, bull. No. 22, IPC: G01S 17/88 (2006.01), F41G 3/22 (2006.01)], which includes: a transmitting laser complex of n-laser modules, each of which contains an optical fiber output with a core, the end of the core of which is a radiation source, creating a single laser beam; beam splitting element; 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, structurally associated with the device "rough" guidance, and is reflected in the form of a low-diverging beam of rays. N collimators, an adder of single laser beams and a three-coordinate scanning unit are introduced into the optical system, and each i-th laser module, where i = 1, 2, ... n, is equipped with an optical fiber 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 aforementioned i-th collimator onto the aspherical lens contained therein with front and rear focal lengths f a and f a *, 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 adder 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 passes at an angle of 45 ° the main optical axis of the corresponding aspherical collimator lens. The main optical axes of the aspherical lenses are parallel and lie in the same plane, and the said dichroic plates are mounted parallel to each other so that the main optical axis of the movable lens perpendicular to the main optical axes of the aspherical lenses passes through their geometric centers at an angle of 45 °. In this case, the movable lens is mounted on the micropositioner of the three-coordinate scanning unit and is aspherical, with front and rear focal lengths f c and f c * , 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 coincident with the optical axis of its full parabola. Moreover, the said focus F coincides with the rear focus f c * of the movable lens.
Одним из основных недостатков данной оптической системы формирования и наведения лазерного излучения, ограничивающим ее потенциал, является конструктивное исполнение СФИНЛИ 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.One of the main disadvantages of this optical system for the formation and guidance of laser radiation, limiting its potential, is the design of the SFFINLI for the formation of the resulting laser beam. In this technical proposal, the device design under consideration is based on spatial incoherent addition of individual emitters and does not allow to obtain diffraction-quality beams with a constant uniform and constant distribution of power density over the beam cross section over extended 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 generated wavefront.
Задачей изобретения является:The objective of the invention is:
- повышение надежности оптической СФИНЛИ;- improving the reliability of the optical SINLIN;
- облегчение сервисного обслуживания и ремонта оптической СФИНЛИ;- facilitation of service and repair of optical SINFINLI;
- снижение себестоимости оптической СФИНЛИ. Техническим результатом изобретения является:- reducing the cost of the optical sphinx. The technical result of the invention is:
- создание компактной оптической СФИНЛИ, эффективно формирующей малорасходящийся пучок лучей;- the creation of a compact optical SFFINLI, effectively forming a low-diverging beam of rays;
- повышение направленности формируемого лазерного пучка лучей за счет повышения точности юстировки;- increasing the direction of the generated laser beam of rays by increasing the accuracy of the alignment;
- расширение функциональных возможностей оптической системы и ее унификация, что позволяет использовать оптическую систему как в научных исследованиях, так и в демонстрационных экспериментах по беспроводной передаче электромагнитной энергии по лазерному каналу.- expanding the functionality of the optical system and its unification, which allows the use of the optical system both in scientific research and in demonstration experiments on the wireless transmission of electromagnetic energy through the laser channel.
Технический результат достигается тем, что оптическая система формирования и наведения лазерного излучения, включающая устройство сканирования, передающий лазерный модуль с оптоволоконным выводом с числовой апертурой NA и диаметром d сердцевины, с торца которого дивергентный луч лазера поступает на коллимирующую асферическую линзу с фокусным расстоянием fЛ и диаметром dЛ,The technical result is achieved by the fact that the optical system for generating and directing laser radiation, including a scanning device, a laser module with a fiber optic output with a numerical aperture NA and a diameter d of the core, from the end of which a divergent laser beam enters a collimating aspherical lens with a focal length f L and diameter d L
при этом ее главная оптическая ось перпендикулярна плоскости торца сердцевины оптоволоконного вывода и проходит через его центр, размещенный в переднем фокусе fa упомянутой асферической линзы, при этом на выходе оптической системы лазерный пучок лучей падает на вогнутое главное зеркало, выполненное параболическим с фокусом F, через геометрический центр которого проходит его оптическая ось, параллельная или совпадающая с оптической осью его полной параболы, конструктивно связанное с устройством "грубого" наведения, и отражается в виде малорасходящегося пучка лучей на плоскость изображения, при этом в нее введены блок фокусировки, включающий упомянутую коллимирующую асферическую линзу с механизмом перемещения вдоль ее главной оптической оси, выпуклое вторичное зеркало, выполненное параболическим, оптическая ось которого совпадает с главной оптической осью асферической линзы, причем оптическая ось вторичного зеркала параллельна или совпадает с оптической осью его полной параболы, отстоящей от главной оптической оси асферической линзы на расстоянии h, при этом вторичное зеркало выполнено с фокусом f, совпадающим с фокусом F, а оптическая ось его полной параболы совпадает с оптической осью полной параболы главного зеркала, причем вторичное зеркало, оптическая ось которого параллельна или совпадает с оптической осью главного зеркала, конструктивно связано с устройством сканирования и отражает идущий от асферической линзы лазерный пучок параллельных лучей в виде расходящегося пучка лучей на главное зеркало, отражающее в свою очередь на плоскость изображения малорасходящийся пучок лучей, причем характерный размер апертуры главного зеркала оценивают по соотношению:in this case, its main optical axis is perpendicular to the plane of the end face of the fiber optic output core and passes through its center located in the front focus f a of the said aspherical lens, and at the output of the optical system, the laser beam of rays falls onto a concave main mirror, made parabolic with focus F, through the geometric center of which passes through its optical axis, parallel or coincident with the optical axis of its complete parabola, structurally connected with the device of "rough" guidance, and is reflected in the form of an all-diverging beam of rays onto the image plane, and a focusing unit is introduced into it, including the aforementioned collimating aspherical lens with a movement mechanism along its main optical axis, a convex secondary mirror made parabolic, the optical axis of which coincides with the main optical axis of the aspherical lens, the optical axis of the secondary mirror is parallel to or coincides with the optical axis of its full parabola, spaced apart from the main optical axis of the aspherical lens by a distance h, while The main mirror is made with focus f coinciding with the focus F, and the optical axis of its full parabola coincides with the optical axis of the full parabola of the main mirror, and the secondary mirror, whose optical axis is parallel or coincides with the optical axis of the main mirror, is structurally connected with the scanning device and reflects a laser beam of parallel rays coming from an aspherical lens in the form of a diverging beam of rays onto the main mirror, which in turn reflects a low-diverging beam of rays on the image plane, and The black aperture size of the main reflector is evaluated by the relation:
где углы αА и αB рассчитывают по формуламwhere the angles α A and α B are calculated by the formulas
r - радиус лазерного пучка, рассчитанный по формулеr is the laser beam radius calculated by the formula
при этомwherein
δ - коэффициент, принимающий значенияδ - coefficient taking values
Суть изобретения поясняется фиг. 1-3.The essence of the invention is illustrated in FIG. 1-3.
На фиг. 1 приведена принципиальная схема оптической системы формирования и наведения лазерного излучения на плоскость изображения. На фиг. 1 обозначено: F - фокус главного зеркала; f - фокус вторичного зеркала; r - радиус пучка; h - расстояние между главной оптической осью асферической линзы и оптической осью полной параболы вторичного зеркала; αА и αB - углы в плоскости (YZ) между крайними лучами и оптической осью полной параболы вторичного зеркала; X, Y, Z - координаты положения элементов оптической системы; I - выносной элемент.In FIG. Figure 1 shows a schematic diagram of an optical system for generating and pointing laser radiation onto the image plane. In FIG. 1 is indicated: F is the focus of the main mirror; f is the focus of the secondary mirror; r is the radius of the beam; h is the distance between the main optical axis of the aspherical lens and the optical axis of the full parabola of the secondary mirror; α A and α B are the angles in the plane (YZ) between the extreme rays and the optical axis of the full parabola of the secondary mirror; X, Y, Z - coordinates of the position of the elements of the optical system; I - remote element.
На выносном элементе I, показан оптоволоконный вывод, торец сердцевины которого является источником, откуда выходит дивергентный луч лазера. На выносном элементе I обозначено: α - максимальный угол, под которым луч лазера выходит из торца сердцевины оптоволоконного вывода; d - диаметр сердцевины оптоволоконного вывода; fa - передний фокус асферической линзы; fЛ - переднее фокусное расстояние асферической линзы.On the remote element I, a fiber optic terminal is shown, the end of the core of which is the source where the divergent laser beam comes from. On the remote element I is indicated: α is the maximum angle at which the laser beam leaves the end of the core of the fiber optic output; d is the core diameter of the fiber optic terminal; f a is the front focus of the aspherical lens; f L - front focal length of an aspherical lens.
Фиг. 2 и 3 поясняют вывод соотношения (2).FIG. 2 and 3 explain the conclusion of relation (2).
На фиг. 2 обозначено: f - фокус вторичного зеркала; r - радиус пучка; h - расстояние между главной оптической осью асферической линзы и оптической осью полной параболы вторичного зеркала; αA, αB - углы в плоскости рисунка между крайними лучами и оптической осью полной параболы вторичного зеркала; α - максимальный угол, под которым луч лазера выходит из торца сердцевины оптоволоконного вывода; fa - передний фокус асферической линзы; fЛ - переднее фокусное расстояние асферической линзы; уа, za и уb, zb - координаты точек а и b; Y, Z - координаты положения элементов оптической системы.In FIG. 2 is indicated: f is the focus of the secondary mirror; r is the radius of the beam; h is the distance between the main optical axis of the aspherical lens and the optical axis of the full parabola of the secondary mirror; α A , α B - the angles in the plane of the figure between the extreme rays and the optical axis of the full parabola of the secondary mirror; α is the maximum angle at which the laser beam emerges from the end face of the core of the fiber optic output; f a is the front focus of the aspherical lens; f L - front focal length of an aspherical lens; at a , z a and at b , z b - coordinates of points a and b; Y, Z - coordinates of the position of the elements of the optical system.
На фиг. 3 обозначено: F - фокус главного зеркала; αA, αВ - углы в плоскости рисунка между крайними лучами и оптической осью полной параболы вторичного зеркала; YA, ZA и YB, ZB - координаты точек А и В; Y, Z - координаты положения элементов оптической системы.In FIG. 3 marked: F - focus of the main mirror; α A , α B - the angles in the plane of the figure between the extreme rays and the optical axis of the full parabola of the secondary mirror; Y A , Z A and Y B , Z B - coordinates of points A and B; Y, Z - coordinates of the position of the elements of the optical system.
На фиг. 1-3 приведено:In FIG. 1-3 shows:
1 - передающий лазерный модуль;1 - transmitting laser module;
2 - оптоволоконный вывод;2 - fiber optic output;
3 - сердцевина оптоволоконного вывода 2;3 - the core of the fiber optic output 2;
4 - торец сердцевины 3 оптоволоконного вывода 2;4 - end face of the
5 - дивергентный луч (лазерный пучок);5 - divergent beam (laser beam);
6 - асферическая линза;6 - aspherical lens;
7 - главная оптическая ось асферической линзы 6;7 - the main optical axis of the
8 - главное зеркало;8 - the main mirror;
9 - оптическая ось главного зеркала 8;9 - the optical axis of the
10 - оптическая ось полной параболы 11 главного зеркала 8;10 - the optical axis of the
11 - полная парабола главного зеркала 8;11 - a complete parabola of the
12 - малорасходящийся пучок (лазерный пучок);12 - low divergence beam (laser beam);
13 - плоскость изображения;13 - image plane;
14 - блок фокусировки;14 - focus unit;
15 - механизм перемещения асферической линзы 6;15 - mechanism for moving an
16 - вторичное зеркало;16 - a secondary mirror;
17 - оптическая ось вторичного зеркала 16;17 - the optical axis of the
18 - оптическая ось полной параболы 19 вторичного зеркала 16;18 - the optical axis of the
19 - полная парабола вторичного зеркала 16;19 - full parabola of the
20 - устройство сканирования;20 - scanning device;
21 - пучок параллельных лучей (лазерный пучок);21 - a beam of parallel rays (laser beam);
22, 23 - луч (лазерный пучок).22, 23 - beam (laser beam).
Оптическая СФИНЛИ включает устройство сканирования 20, передающий лазерный модуль 1 с оптоволоконным выводом 2 с числовой апертурой NA и диаметром d сердцевины 3, с торца 4 которого дивергентный луч 5 лазера поступает на коллимирующую асферическую линзу 6 с фокусным расстоянием fЛ и диаметром dЛ, где dЛ>>d∧dЛ>2⋅fЛ⋅tg[arcsin(NA)]. При этом ее главная оптическая ось 7 перпендикулярна плоскости торца 4 сердцевины 3 оптоволоконного вывода 2 и проходит через его центр, размещенный в переднем фокусе fa асферической линзы 6. На выходе оптической системы лазерный пучок лучей падает на вогнутое главное зеркало 8, выполненное параболическим с фокусом F, через геометрический центр которого проходит его оптическая ось 9, параллельная или совпадающая с оптической осью 10 его полной параболы 11, конструктивно связанное с устройством "грубого" наведения (на рисунке не показано), и отражается в виде малорасходящегося пучка 12 лучей на плоскость изображения 13. При этом в нее введены блок фокусировки 14, включающий коллимирующую асферическую линзу 6 с механизмом перемещения 15 асферической линзы 6 вдоль ее главной оптической оси 7, выпуклое вторичное зеркало 16, выполненное параболическим, оптическая ось 17 которого совпадает с главной оптической осью 7 упомянутой асферической линзы 6, причем оптическая ось 17 вторичного зеркала 16 параллельна или совпадает с оптической осью 18 его полной параболы 19, отстоящей от главной оптической оси 7 асферической линзы 6 на расстоянии h. При этом вторичное зеркало 16 выполнено параболическим с фокусом f, совпадающим с фокусом F, а оптическая ось 18 его полной параболы 19 совпадает с оптической осью 10 полной параболы 11 главного зеркала 8. Причем вторичное зеркало 16, оптическая ось 17 которого параллельна или совпадает с оптической осью 9 главного зеркала 8, конструктивно связано с устройством сканирования 20 и отражает идущий от асферической линзы 6 лазерный пучок параллельных лучей 21 в виде расходящегося лазерного пучка 22, 23 на главное зеркало 8, отражающее в свою очередь на плоскость изображения 13 малорасходящийся пучок лучей 12. Причем характерный размер апертуры для главного зеркала 8 оценивают по соотношению (2), с учетом соотношений (3)-(5) и (7). При этом параметр h должен отвечать соотношению (6) [2⋅F⋅tg(αA/2)-r]>h>r∨h=0.The optical SFFINLI includes a
Оптическая система формирования и наведения лазерного излучения работает следующим образом.The optical system for the formation and guidance of laser radiation operates as follows.
По сигналу от системы питания и управления (СПУ) (на фиг. 1 не показана) поступает управляющая команда на подачу электропитания передающему лазерному модулю 1, выполненному в виде генератора излучения с определенной длиной волны λ. Лазерный модуль 1 генерирует когерентные электромагнитные волны, передаваемые по оптоволоконному выводу 2 с числовой апертурой NA и диаметром d сердцевины 3, через торец 4 которой, как из источника излучения, выходит дивергентный луч 5 лазера, который, в результате формирования, выходит из оптической системы в виде малорасходящегося лазерного пучка 12 для дистанционной передачи электромагнитной энергии на плоскость изображения 13. С началом работы передающего лазерного модуля 1 от системы диагностики состояния (на фиг. 1 не показан) оптической СФИНЛИ поступает информация в СПУ о состоянии элементов оптической системы, в частности по температурным параметрам, и выдачи информационных сигналов о готовности, отказе или нештатном режиме работы оптической системы формирования и наведения лазерного излучения. Исходящий с торца 4 дивергентный луч 5 лазера с длиной волны λ падает на поверхность коллимирующей асферической линзы 6, которая выполнена с фокусным расстоянием fЛ и диаметром dЛ так, чтобы выполнялось условие (1) dЛ>>d∧dЛ>2⋅fЛ⋅tg[arcsin(NA)]. При этом для фокусировки изображения предмета, которым является торец 4, в плоскости изображения 13 служит блок фокусировки 14, в состав которого входит асферическая линза 6 с механизмом перемещения 15 асферической линзы 6 вдоль ее главной оптической оси 7 (на фиг. 1 ось Z). СПУ обеспечивает работу механизма перемещения 15 и контролирует положение асферической линзы 6 с помощью встроенных в механизм перемещения 15 датчиков перемещения (на фиг. 1 не показаны). При этом асферическую линзу 6 устанавливают в блоке фокусировки 14 так, что бы ее главная оптическая ось 7 была перпендикулярна плоскости торца 4 сердцевины 3 оптоволоконного вывода 2 и проходила через его центр, размещенный в переднем фокусе fa упомянутой асферической линзы 6. Асферическая поверхность 2-го порядка с симметрией относительно главной оптической оси 7 асферической линзы 6 изменяет ход краевых лучей расходящегося лазерного пучка 5, не затрагивая хода лучей параксиальных, что позволяет создать дополнительные возможности для построения оптической системы и исправить аберрации [Физический энциклопедический словарь. Москва, «Советская энциклопедия», 1983, с. 35]. При прохождении фронта волны в направлении от проксимальной к дистальной поверхности асферической линзы 6 происходит преобразование лазерного пучка 5 со сферическим фронтом волны в плоскую волну [https://ru.wikipedia.org/wiki/Асферическая_линза]. Коллимированный асферической линзой 6 лазерный пучок 5 после преобразования в виде пучка параллельных лучей 21 падает на выпуклое вторичное зеркало 16, которое выполнено параболическим с фокусом f, оптическая ось 17 которого параллельна или совпадает с оптической осью 18 его полной параболы 19. Причем оптическая ось 18 полной параболы 19, установлена отстоящей от главной оптической оси 7 асферической линзы 6 на расстоянии h, отвечающем соотношению (6) [2⋅F⋅tg(αA/2)-r]>h>r∨h=0, где αА и r отвечают соотношениям (3) и (5), соответственно. Лазерный пучок 21 лучей параллельных главной оптической оси 7 асферической линзы 6, отражаясь от вторичного зеркала 16, выходит как бы из мнимого главного фокуса f, совпадающего с фокусом F главного зеркала 8, в виде расходящегося лазерного пучка (фиг. 1-3). Крайние лучи 22, 23 расходящегося лазерного пучка падают на главное зеркало 8, выполненное параболическим с фокусом F, отражающее в свою очередь на плоскость изображения 13 малорасходящийся пучок 12 лучей параллельных оптической оси полной параболы 11. Вторичное зеркало 16 выполнено параболическим с фокусом f, совпадающим с фокусом F, а оптическая ось 18 его полной параболы 19 совпадает с оптической осью 10 полной параболы 11 главного зеркала 8. Причем вторичное зеркало 16, оптическая ось 17 которого параллельна или совпадает с оптической осью 9 главного зеркала 8, конструктивно связано с устройством сканирования 20 для точного наведения малорасходящегося пучка 12 на плоскость изображения 13. Причем, характерный размер апертуры (диаметр апертуры D) для главного зеркала 8 оценивают по соотношению (2), с учетом соотношений (3)-(5) и (7), а выбор расстояния h проверяют по соотношению (6). Главное параболическое зеркало 8, через геометрический центр которого проходит его оптическая ось 9 параллельная или совпадающая с оптической осью 10 его полной параболы 11, конструктивно связано с устройством "грубого" наведения (на фиг. 1 не показано). Обнаружение, приемника-преобразователя в плоскости изображения 13 и наведение на него лазерного малорасходящегося пучка 12 осуществляют механическими устройствами "грубого" наведения и точного наведения оптической СФИНЛИ. Механическое устройство "грубого" наведения может быть выполнено, например, в виде опорно-поворотной платформы, на которой установлена оптическая СФИНЛИ с главным зеркалом 8. Причем, наводят лазерный малорасходящийся пучок 12 так, чтобы оптическая ось 9 главного зеркала 8 была направлена нормально в геометрический центр, например, фотоэлектрических панелей (на фиг. 1 не показаны) приемника-преобразователя. Для облегчения обнаружения приемника-преобразователя по командам и сигналам системы питания и управления при наведении могут быть использованы, например, уголковые отражатели (на фиг. 1 не показаны), установленные на приемнике-преобразователе. После "грубого" наведения выполняют точное наведение лазерного малорасходящегося пучка 12, совмещая плоскость изображения 13 с плоскостью фотоэлектрических панелей приемника-преобразователя внутренним перемещением излучения в рассматриваемой оптической системе формирования и наведения лазерного излучения. Точное наведение лазерного малорасходящегося пучка 12, т.е. фокусировку и сканирование в плоскости изображения 13 выполняют по командам СПУ поступающим соответственно в блок фокусировки 14 и устройство сканирования 20. С помощью механизма перемещения 15 осуществляется фокусировка изображения перемещением асферической линзы 6, установленной в блоке фокусировки 14, по ее главной оптической оси 7 (по координате Z). С помощью устройства сканирования 20, включающего подвижное вторичное зеркало 16, осуществляется перемещение подвижного вторичного зеркала 16 по двум координатам X и Y, как показано на фиг. 1. Таким образом, однокоординатное перемещение (Z) асферической линзы 6 блока фокусировки 14 и перемещение подвижного вторичного зеркала 16 в двух поперечных направлениях (X, Y) позволяют осуществлять соответственно точную фокусировку и сканирование малорасходящегося пучка лучей 12 в плоскости изображения 13.The signal from the power supply and control system (SPU) (not shown in Fig. 1) receives a control command to supply power to the transmitting
Приведем расчетный пример проектирования оптической системы формирования и наведения лазерного излучения.We give a calculated example of designing an optical system for the formation and guidance of laser radiation.
Нужно отметить, что в данном техническом решении рассматривается двухзеркальная оптическая система с несферическими поверхностями второго порядка (параболические зеркала). 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, СИ. Кирюшин, В.Н. Кузичев. Теория оптических систем. 3-е изд. М.: Машиностроение, 1992. с. 357]. Причем, как это видно из соотношений (3)-(7), предлагаемое техническое решение позволяет рассматривать как осевое размещение зеркал, так и внеосевое. При осевом размещении зеркал рассматривается оптическая схема, где главное зеркало большего диаметра (вогнутое параболическое), а вторичное зеркало выпуклое меньшего диаметра (в данном техническом решении - параболическое). [Глава четвертая. Сложные телескопы. http://www.old.astronomer.ru/data/library/books/sikoruk/glava4/4_1.htm], [Г.С. Ландсберг. Оптика. Издание пятое. Из-во «Наука», Москва 1976, с. 335]. При внеосевом размещении зеркал рассматривается оптическая схема брахита [Рефлектор (телескоп), https://ru.wikipedia.org/wiki/], [Глава четвертая. СЛОЖНЫЕ ТЕЛЕСКОПЫ. http://www.old.astronomer.ru/data/library/books/sikoruk/glava4/4_1.htm]. В такой схеме вторичное зеркало вынесено за пределы пучка, падающего на главное зеркало. 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]. 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 луча. 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/].It should be noted that this technical solution considers a two-mirror optical system with non-spherical surfaces of the second order (parabolic mirrors). The use of nonspherical surfaces in optical systems makes it possible to more efficiently solve the problem of further improving image quality, increasing optical characteristics and improving the design of optical devices, reducing their size and weight, and achieving compactness. It is known, for example, that a parabolic mirror forms a close to ideal image of an infinitely distant axial point [N.P. Zakaznov, SI. Kiryushin, V.N. Kuzichev. Theory of optical systems. 3rd ed. M .: Mechanical Engineering, 1992.p. 357]. Moreover, as can be seen from relations (3) - (7), the proposed technical solution allows us to consider both the axial placement of the mirrors and off-axis. With the axial placement of the mirrors, an optical scheme is considered, where the main mirror is of a larger diameter (concave parabolic), and the secondary mirror is convex of a smaller diameter (in this technical solution - parabolic). [Chapter Four. Sophisticated telescopes. http://www.old.astronomer.ru/data/library/books/sikoruk/glava4/4_1.htm], [G.S. Landsberg. Optics. The fifth edition. From the "Science", Moscow 1976, p. 335]. With off-axis placement of mirrors, the optical scheme of brachyte is considered [Reflector (telescope), https://ru.wikipedia.org/wiki/], [Chapter Four. COMPLEX TELESCOPES. http://www.old.astronomer.ru/data/library/books/sikoruk/glava4/4_1.htm]. In such a scheme, the secondary mirror is placed outside the beam incident on the main mirror. The positive qualities of brachytes include the absence of shielding, which positively affects the clarity and contrast of the image [Chapter Four. COMPLEX TELESCOPES. http://www.old.astronomer.ru/data/library/books/sikoruk/glava4/4_1.htm]. Of all types of aspherical reflectors, it is off-axis parabolic mirrors that lack spherical aberrations, therefore they project a point source to infinity and can be effectively used in laser beam expansion devices. In addition, the use of such an optical scheme reduces the size and weight of the optical system, and also allows the use of mirrors of both a wedge-shaped and equally thick configuration [TYDEX: Off-axis parabolic mirrors http://www.tydexoptics.com/en/products/spectroscopy/oap_mirrors/ ].
Для примера проектируем оптическую СФИНЛИ, включающую передающий лазерный модуль 1 на основе полупроводникового диодного лазера. Выбираем лазер, генерирующий инфракрасное излучение с длиной волны λ=808 нм мощностью 120 Вт и с оптоволоконным выводом 2 с числовой апертурой NA=0,22 и диаметром сердцевины 3 d=200 мкм. Лазерный модуль 1 с длиной волны λ=808 нм выполняем, например, на основе лазерной системы LIMO120-F200-DL808 [http://www.atcsd.ru/catalog/dl/], выход излучения выполняем через разъем оптоволокна SMA905. С торца 4 сердцевины 3 дивергентный луч 5 лазера поступает на коллимирующую асферическую линзу 6, которую выбираем с фокусным расстоянием fЛ=80 мм и диаметром dЛ=40 мм, что удовлетворяет условию (1)For example, we are designing an optical SFFINLI, including a transmitting
dЛ>>d∧dЛ>2⋅fЛ⋅tg[arcsin(NA)]=2⋅80⋅tg[arcsin(0,22)]=36 мм.d Л >> d∧d Л > 2⋅f Л ⋅tg [arcsin (NA)] = 2⋅80⋅tg [arcsin (0,22)] = 36 mm.
При этом главная оптическая ось 7 асферической линзы 6 установлена перпендикулярно плоскости торца 4 сердцевины 3 оптоволоконного вывода 2 и проходит через его центр, размещенный в переднем фокусе fa упомянутой асферической линзы 6. При этом на выходе оптической системы лазерный пучок 22 лучей падает на вогнутое главное зеркало 8, выполненное параболическим с фокусом F, например равным F=900 мм. Выполняют главное зеркало 8 из оптического стекла, например, марки ЛК-7 [Физические величины. Справочник под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991, С. 770] с отражающей пленкой серебра, нанесенную на полированную поверхность зеркала [http://www.nppfocus.com/opticheskoe-zerkalo.php]. Оптическая система выполнена так, что через геометрический центр главного зеркала 8 проходит его оптическая ось 9, параллельная или совпадающая с оптической осью 10 его полной параболы 11, конструктивно связанное с устройством "грубого" наведения (на фиг. не показано), и отражается в виде малорасходящегося пучка 12 лучей на плоскость изображения 13. Устройство "грубого" наведения выполнено, например, в виде двухкоординатного привода с системой управления для перенацеливания и с системой стабилизации наведения лазерного пучка 12 во время передачи энергии. Плоскость изображения 13 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]. Для фокусировки изображения предмета, которым является торец 4, в плоскости изображения 13 служит блок фокусировки 14, в состав которого входит асферическая линза 6 с механизмом перемещения 15 асферической линзы 6 вдоль ее главной оптической оси 7 (на фиг. 1 ось Z). СПУ обеспечивает работу механизма перемещения 15 и контролирует положение асферической линзы 6 с помощью встроенных в механизм перемещения 15 датчиков перемещения (на фиг. 1 не показаны). Причем, механизм перемещения 15 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/linejnye-pezoplatformy/].In this case, the main
Вторичное зеркало 16 выполнено выпуклым и параболическим, а его оптическая ось 17 совпадает с главной оптической осью 7 упомянутой асферической линзы 6. Причем СФИНЛИ выполнена так, что оптическая ось 17 вторичного зеркала 16 параллельна или совпадает с оптической осью 18 его полной параболы 19, отстоящей от главной оптической оси 7 асферической линзы 6 на расстоянии h. При этом примем, что вторичное зеркало 16 выполнено с фокусом f=100 мм, совпадающим с фокусом F, а оптическая ось 18 его полной параболы 19 совпадает с оптической осью 10 полной параболы 11 главного зеркала 8. Выполняем вторичное зеркало из оптического стекла, например, марки ЛК-7 [Физические величины. Справочник под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. С. 770] с отражающей пленкой серебра, нанесенную на полированную поверхность зеркала [http://www.nppfocus.com/opticheskoe-zerkalo.php]. Причем СФИНЛИ выполнена так, что вторичное зеркало 16, оптическая ось 17 которого параллельна или совпадает с оптической осью 9 главного зеркала 8, конструктивно связано с устройством сканирования 20. Устройство сканирования 20 может быть выполнено, например на основе моторизированного двух осевого (XY) кинематического пьезоэлектрического нанопозиционера [Моторизированный двух осевой (XY) кинематический пьезоэлектрический нанопозиционер QNP2-100-XYA, http://www.phcloud.ru, производитель: Aerotech, Inc.]. Вторичное зеркало 16 отражает идущий от асферической линзы 6 лазерный пучок параллельных лучей 21 в виде расходящегося лазерного пучка 22, 23 на главное зеркало 8, отражающее в свою очередь на плоскость изображения 13 малорасходящийся пучок лучей 12. Оценим по соотношению (2), с учетом соотношений (3)-(7), характерный размер апертуры для главного зеркала 8.The
Далее рассмотрим два варианта оптической схемы СФИНЛИ:Next, we consider two options for the optical sphinx scheme:
вариант №1, где h≠0, т.е. внеосевое размещение двух зеркал;option No. 1, where h ≠ 0, i.e. off-axis placement of two mirrors;
вариант №2, где h=0, т.е. осевое размещение двух зеркал.option number 2, where h = 0, i.e. axial placement of two mirrors.
Вариант №1 с внеосевым размещением зеркал. В такой схеме вторичное зеркало 16 вынесено за пределы лазерного пучка 22, падающего на главное зеркало 8.
Определим из (5) радиус лазерного пучка r по формулеWe determine from (5) the radius of the laser beam r by the formula
r=fЛ⋅tg[arcsin(NA)]=80⋅tg[arcsin(0,22)]=18 мм.r = f L ⋅tg [arcsin (NA)] = 80⋅tg [arcsin (0.22)] = 18 mm.
Выбираем h=30 мм и из (7) определяем коэффициент δ=1.We choose h = 30 mm and from (7) we determine the coefficient δ = 1.
По формулам (3) и (4) определим αА и αB By formulas (3) and (4) we define α A and α B
αА=δ⋅arccos{[4f2-(h-r)2]/[4f2+(h-r)2]}==1⋅arccos{[4⋅1002-(30-18)2]/[4⋅1002+(30-18)2]}=6,87°,α A = δ⋅arccos {[4f 2 - (hr) 2 ] / [4f 2 + (hr) 2 ]} == 1⋅arccos {[4⋅100 2 - (30-18) 2 ] / [4⋅ 100 2 + (30-18) 2 ]} = 6.87 °,
αB=arccos{[4f2-(h+r)2]/[4f2+(h+r)2]}==arccos{[4⋅1002-(30+18)2]/[4⋅1002+(30+18)2]}=27°;α B = arccos {[4f 2 - (h + r) 2 ] / [4f 2 + (h + r) 2 ]} == arccos {[4⋅100 2 - (30 + 18) 2 ] / [4⋅ 100 2 + (30 + 18) 2 ]} = 27 °;
Покажем, что выбранный параметр h отвечает соотношению (6), а поскольку h≠0 проверяем только левую часть условия (6), которая определена в первую очередь технологичностью изготовления конструкции выбранного варианта СФИНЛИ, т.е. [2⋅F⋅tg(αA/2)-r]>h>r.Let us show that the chosen parameter h corresponds to relation (6), and since h ≠ 0 we only check the left-hand side of condition (6), which is determined primarily by the manufacturability of the construction of the selected version of the SFFINL, i.e. [2⋅F⋅tg (α A / 2) -r]>h> r.
[2⋅900⋅tg(6,87°/2)-18]>30>18 или 89,9>30>18.[2⋅900⋅tg (6.87 ° / 2) -18]> 30> 18 or 89.9> 30> 18.
Оценим по соотношению (2) характерный размер апертуры главного зеркала 8:Let us estimate, by relation (2), the characteristic size of the aperture of the main mirror 8:
D=F⋅{4[tg(αB/2)-tg(αA/2)]2+[tg2(αB/2)-tg2(αA/2)]2}1/2=900⋅{4[tg(27°/2)-tg(6,87°/2)]2+[tg2(27°/2)-tg2(6,87°/2)]2}1/2=328 мм.D = F⋅ {4 [tg (α B / 2) -tg (α A / 2)] 2 + [tg 2 (α B / 2) -tg 2 (α A / 2)] 2 } 1/2 = 900⋅ {4 [tg (27 ° / 2) -tg (6.87 ° / 2)] 2 + [tg 2 (27 ° / 2) -tg 2 (6.87 ° / 2)] 2 } 1 / 2 = 328 mm.
Вариант №2 с осевым размещением зеркал, где h=0 и коэффициент δ, в соответствии с (7), принимает значение δ=-1.Option No. 2 with the axial arrangement of the mirrors, where h = 0 and the coefficient δ, in accordance with (7), takes the value δ = -1.
По формулам (3) и (4) определим αА и αВ By formulas (3) and (4) we define α A and α B
αА=δ⋅аrccos{[4f2-(h-r)2]/[4f2+(h-r)2]}=-1⋅arccos{[4⋅1002-(-18)2]/[4⋅1002+(-18)2]}=-10,285°,α A = δ⋅arccos {[4f 2 - (hr) 2 ] / [4f 2 + (hr) 2 ]} = - 1⋅arccos {[4⋅100 2 - (- 18) 2 ] / [4⋅100 2 + (- 18) 2 ]} = - 10.285 °,
αВ=arccos{[4f2-(h+r)2]/[4f2+(h+r)2]}=arccos{[4⋅1002-(18)2]/[4⋅1002+(18)2]}=10,285°;α B = arccos {[4f 2 - (h + r) 2 ] / [4f 2 + (h + r) 2 ]} = arccos {[4⋅100 2 - (18) 2 ] / [4⋅100 2 + (18) 2 ]} = 10.285 °;
Оценим по соотношению (2) характерный размер апертуры главного зеркала 8:Let us estimate, by relation (2), the characteristic size of the aperture of the main mirror 8:
D=F⋅{4[tg(αB/2)-tg(αA/2)]2+[tg2(αB/2)-tg2(αA/2)]2}1/2=900⋅{4[tg(10,285°/2)-tg(-10,285°/2)]2+[tg2(10,285°/2)-tg2(-10,285°/2)]2}1/2=900⋅{4[tg(10,285°/2)-tg(-10,285°/2)]2}1/2=324 мм.D = F⋅ {4 [tg (α B / 2) -tg (α A / 2)] 2 + [tg 2 (α B / 2) -tg 2 (α A / 2)] 2 } 1/2 = 900⋅ {4 [tg (10.285 ° / 2) -tg (-10.285 ° / 2)] 2 + [tg 2 (10.285 ° / 2) -tg 2 (-10.285 ° / 2)] 2 } 1/2 = 900⋅ {4 [tg (10.285 ° / 2) -tg (-10.285 ° / 2)] 2 } 1/2 = 324 mm.
Приведем вывод соотношения (2) для оценки характерного размера апертуры главного зеркала. Определим из фиг. 2 координаты точек пересечения полной параболы 19 с крайними лучами лазерного пучка 21 в рассматриваемой плоскости YOZ - это точки а и b, используя уравнение параболы [Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. - 13-е изд., исправленное. - М.: Наука, Гл. ред.физ.-мат.лит., 1986. с. 204]We present the derivation of relation (2) for estimating the characteristic size of the aperture of the main mirror. We define from FIG. 2 coordinates of the points of intersection of the
где р - фокальный параметр полной параболы 19 вторичного зеркалаwhere p is the focal parameter of the
16.16.
Откуда координаты для точек а и b:Where are the coordinates for points a and b:
причем рассматриваем общий случай, когда h>r.moreover, we consider the general case when h> r.
Из свойств параболы [Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. - 13-е изд., исправленное. - М.: Наука, Гл. ред.физ.-мат.лит., 1986. с. 203] определим длины мнимых лучей af и bfFrom the properties of the parabola [Bronstein I.N., Semendyaev K.A. A reference book in mathematics for engineers and students of technical colleges. - 13th ed., Revised. - M.: Science, Ch. Ed.Phys.-Mat. lit., 1986. 203] we define the lengths of imaginary rays af and bf
Из треугольников Δazaf и Δbzbf определим углы αА и αB From the triangles Δaz a f and Δbz b f, we determine the angles α A and α B
Определим по фиг. 3 координаты точек пересечения полной параболы 11 с крайними лучами 22 и 23 в рассматриваемой плоскости YOZ - это точки А и В, используя свойства параболы [Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. - 13-е изд., исправленное. - М.: Наука, Гл. ред.физ.-мат.лит., 1986, с. 203]. Откуда длины лучей 23 и 22 отвечают соотношениям, соответственно:Define from FIG. 3 coordinates of the points of intersection of the
где Р - фокальный параметр полной параболы 11 главного зеркала 8.where P is the focal parameter of the
Из треугольников ΔAZAF и ΔBZBF по соотношениям (12), с учетом (11), определяем координаты по Z для точек А и В, т.е. ZA и ZB From the triangles ΔAZ A F and ΔBZ B F according to relations (12), taking into account (11), we determine the coordinates in Z for points A and B, i.e. Z A and Z B
Из определения параболы, с учетом (13), определяем координаты по Y для точек А и В, т.е. YA и YB From the definition of a parabola, taking into account (13), we determine the coordinates in Y for points A and B, i.e. Y A and Y B
Из ΔАВС, с учетом (13) и (14), определяем сторону АВ, принимая ее за характерный размер апертуры D главного зеркала 8, по соотношениюFrom ΔABC, taking into account (13) and (14), we determine the side AB, taking it for the characteristic size of the aperture D of the
АВ=D=F⋅{4[tg(αB/2)-tg(αA/2)]2+[tg2(αB/2)-tg2(αA/2)]2}1/2.AB = D = F⋅ {4 [tg (α B / 2) -tg (α A / 2)] 2 + [tg 2 (α B / 2) -tg 2 (α A / 2)] 2 } 1 / 2 .
Claims (11)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018141525A RU2699944C1 (en) | 2018-11-26 | 2018-11-26 | Optical system for generation and guidance of laser radiation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018141525A RU2699944C1 (en) | 2018-11-26 | 2018-11-26 | Optical system for generation and guidance of laser radiation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2699944C1 true RU2699944C1 (en) | 2019-09-11 |
Family
ID=67989761
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018141525A RU2699944C1 (en) | 2018-11-26 | 2018-11-26 | Optical system for generation and guidance of laser radiation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2699944C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2762037C1 (en) * | 2020-08-17 | 2021-12-14 | Общество с ограниченной ответственностью «Термолазер» | Device for controlling laser radiation |
| RU2784602C1 (en) * | 2022-03-16 | 2022-11-28 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Method for forming and pointing laser radiation of emitters with optical fiber outputs on a target |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2033629C1 (en) * | 1990-12-28 | 1995-04-20 | Товарищество с ограниченной ответственностью "Астрам" | Equipment for laser radiation guidance |
| EP2488888B1 (en) * | 2009-10-14 | 2015-12-23 | Raytheon Company | Off-axis reflective transmit telescope for a directed infrared countermeasures (dircm) system |
| US20160025960A1 (en) * | 2012-09-10 | 2016-01-28 | Francis Theberge | Telescopic control of high power laser propagation |
| RU2628301C2 (en) * | 2015-12-18 | 2017-08-15 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Научно-исследовательский испытательный центр подготовки космонавтов имени Ю.А. Гагарина" | Method and device of azimuth-elevation indication in optical-location systems |
| 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 |
-
2018
- 2018-11-26 RU RU2018141525A patent/RU2699944C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2033629C1 (en) * | 1990-12-28 | 1995-04-20 | Товарищество с ограниченной ответственностью "Астрам" | Equipment for laser radiation guidance |
| EP2488888B1 (en) * | 2009-10-14 | 2015-12-23 | Raytheon Company | Off-axis reflective transmit telescope for a directed infrared countermeasures (dircm) system |
| US20160025960A1 (en) * | 2012-09-10 | 2016-01-28 | Francis Theberge | Telescopic control of high power laser propagation |
| RU2628301C2 (en) * | 2015-12-18 | 2017-08-15 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Научно-исследовательский испытательный центр подготовки космонавтов имени Ю.А. Гагарина" | Method and device of azimuth-elevation indication in optical-location systems |
| 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 |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2762037C1 (en) * | 2020-08-17 | 2021-12-14 | Общество с ограниченной ответственностью «Термолазер» | Device for controlling laser radiation |
| RU2784602C1 (en) * | 2022-03-16 | 2022-11-28 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Method for forming and pointing laser radiation of emitters with optical fiber outputs on a target |
| RU2785768C1 (en) * | 2022-03-25 | 2022-12-13 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | System for shaping and guidance on the target of the laser radiation of emitters with fibre-optic leads |
| RU2793613C1 (en) * | 2022-08-10 | 2023-04-04 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | System for forming and directing laser radiation of emitters with optical fiber outputs to a target |
| RU2814149C1 (en) * | 2023-04-21 | 2024-02-22 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Method for generating and focusing laser radiation of emitter with fibre-optical output to remote object |
| RU2821597C1 (en) * | 2024-03-11 | 2024-06-25 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Method of laser beam guidance to object |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR102107159B1 (en) | Manual aligned single element telescope for improved package brightness | |
| JP4616119B2 (en) | Multi-beam generator, multi-beam light source and spatial light transmission device using the same | |
| CN107015237B (en) | Echo detection optical system | |
| CN112577446B (en) | In-place surface shape splicing measuring device and method for large-caliber planar optical element | |
| US3884548A (en) | Variable optical wedge for image stabilization and other purposes | |
| KR101837232B1 (en) | Device and method for widening a laser beam | |
| US5301249A (en) | Catoptric coupling to an optical fiber | |
| RU2699944C1 (en) | Optical system for generation and guidance of laser radiation | |
| RU2663121C1 (en) | Optical system for formation and induction of laser radiation | |
| Schreiber et al. | High-brightness fiber-coupling schemes for diode laser bars | |
| CN108627983B (en) | Laser beam combining system and beam combining method thereof | |
| CN104749774A (en) | Off-axis three-mirror push broom type laser three-dimensional imaging and transmitting system | |
| US6370299B1 (en) | Fiber optic collimation apparatus and associated method | |
| RU2715083C1 (en) | Laser beam formation and guidance optical system | |
| RU2790198C1 (en) | Optical system for shaping and guidance of a laser radiation beam | |
| RU2788422C1 (en) | Optical system for remote energy transmission based on powerful fiber lasers | |
| Peter et al. | Microoptical fiber switch for a large number of interconnects: optical design considerations and experimental realizations using microlens arrays | |
| US6902326B1 (en) | Off-axis reflective optical apparatus | |
| CN112099121B (en) | Scanning interference photoetching system based on 4f system | |
| RU169716U1 (en) | Device for controlling convex aspherical optical surfaces of high-precision large-sized mirrors | |
| US11353660B2 (en) | Optical delay line device with fixed or variable delay | |
| RU2814149C1 (en) | Method for generating and focusing laser radiation of emitter with fibre-optical output to remote object | |
| CN108490594B (en) | Asymmetric reflection optical system based on micro-nano optical surface | |
| RU2793613C1 (en) | System for forming and directing laser radiation of emitters with optical fiber outputs to a target | |
| Kim et al. | Fiber array optical-coupling design issues for photonic beam formers |