RU2715083C1 - Laser beam formation and guidance optical system - Google Patents
Laser beam formation and guidance optical system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2715083C1 RU2715083C1 RU2019110924A RU2019110924A RU2715083C1 RU 2715083 C1 RU2715083 C1 RU 2715083C1 RU 2019110924 A RU2019110924 A RU 2019110924A RU 2019110924 A RU2019110924 A RU 2019110924A RU 2715083 C1 RU2715083 C1 RU 2715083C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser beam
- mirror
- core
- axis
- plane
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- 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
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
- G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
- G01S7/4814—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of transmitters alone
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B17/00—Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
- G02B17/02—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system
- G02B17/06—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system using mirrors only, i.e. having only one curved mirror
- G02B17/0605—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system using mirrors only, i.e. having only one curved mirror using two curved mirrors
- G02B17/0621—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system using mirrors only, i.e. having only one curved mirror using two curved mirrors off-axis or unobscured systems in which not all of the mirrors share a common axis of rotational symmetry, e.g. at least one of the mirrors is warped, tilted or decentered with respect to the other elements
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
- G02B27/0938—Using specific optical elements
- G02B27/0977—Reflective elements
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Optical Couplings Of Light Guides (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 location guidance systems with high accuracy of 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. Например, передача энергии с помощью лазера между орбитальной космической станцией, на которой установлена оптико-механическая система формирования и наведения лазерного пучка (СФИНЛП), и космическим аппаратом, на котором установлено фотоприемное устройство оптико-электронного преобразователя. 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 determined 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. from. 59-66.] Followed by conversion into electricity in the receiver-converters. For example, laser energy transfer between an orbital space station on which an optical-mechanical system for generating and guiding a laser beam (SFINLP) is installed, and a spacecraft on which a photodetector of an optical-electronic converter is installed. 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 groups, 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. With the help of 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. 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 powerful laser beams on long paths with specified characteristics.
Так в изобретении, предложенном в [Патент RU 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 RU 2117322. Publ. 08/10/1998. G02B 27/48 (2006.01).] A device for forming light beams is provided. 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, lens component and meniscus, convex surface facing the main mirror. 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.
Так же известна оптическая система формирования и наведения лазерного излучения 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 in a publication [V.I. Kishko, V.F. Matyukhin. The principles of constructing adaptive repeaters for stratospheric energy transfer systems // Avtometriya. 2012.V. 48, No. 2. from. 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 in the form of 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 layout 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)] и включающая 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)] and including 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 source of radiation, which creates 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 a fiber optic terminal with a numerical aperture NA i and core diameter d i , s the end of 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 ЛСПЭ, ограничивающим ее потенциал, является способ формирования результирующего лазерного пучка. Способ основан 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, затрудняющим эксплуатацию ЛСПЭ, 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 LSPE, limiting its potential, is the method of forming the resulting laser beam. The method 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 that impedes the operation of LSPEs 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 СФИНЛП;- improving the reliability of SINLP;
- облегчение сервисного обслуживания и ремонта СФИНЛП;- Facilitation of service and repair of SFINLP;
- снижение себестоимости СФИНЛП.- reduction in the cost of SFINLP.
Техническим результатом изобретения является:The technical result of the invention is:
- создание компактной оптической системы, эффективно формирующей малорасходящийся пучок лучей;- the creation of a compact optical system that effectively forms 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 by increasing the accuracy of the alignment;
- снижение массогабаритных характеристик, простота конструкций, меньшее значение вносимых аберраций по сравнению с призмами и линзами.- reduction of weight and size characteristics, simplicity of designs, lower value of introduced aberrations in comparison with prisms and lenses.
Технический результат достигается тем, что оптическая система формирования и наведения лазерного пучка, включающая устройство сканирования, передающий лазерный модуль с оптоволоконным выводом, с числовой апертурой NA, с сердцевиной диаметром δ, через торец которой выходит лазерный пучок, а на выходе из оптической системы лазерный пучок падает на главное зеркало, выполненное вогнутым внеосевым параболическим с фокусом F, конструктивно связанное с устройством "грубого" наведения, и отражается в виде малорасходящегося лазерного пучка лучей, при этом в нее введены блок фокусировки, включающий механизм перемещения торца сердцевины вдоль ее оптической оси, перпендикулярной торцу и проходящей через его геометрический центр, вторичное зеркало, выполненное плоским, на которое направлен лазерный пучок, который отражаясь падает на упомянутое главное зеркало, причем для фокального радиуса-вектора точки полной параболы, являющейся центром главного зеркала, касательная плоскость к главному зеркалу в этой точке параллельна плоскости вторичного зеркала, при этом через центр главного зеркала проходит выходная оптическая ось малорасходящегося лазерного пучка, совпадающая с диаметром полной параболы, параллельная оптической оси сердцевины оптоволоконного вывода и лежащая вместе с параллельными между собой осью полной параболы и упомянутой оптической осью, в одной плоскости с ними, причем торец сердцевины оптоволоконного вывода отстоит на расстоянии L от точки пересечения оптической оси с плоскостью вторичного зеркала, образующей при пересечении угол β, отражаясь от которой в этой точке луч лазера, совпадающий с упомянутой оптической осью, падает в центр главного зеркала, при этом оптическая ось сердцевины оптоволоконного вывода отстоит от оси полной параболы на расстоянии h, удовлетворяющем неравенству:The technical result is achieved in that an optical system for generating and guiding a laser beam, including a scanning device, a laser module with a fiber optic output, with a numerical aperture NA, with a core diameter δ, through which the laser beam comes out, and a laser beam exits the optical system falls on the main mirror, made concave off-axis parabolic with focus F, structurally associated with the device "rough" guidance, and is reflected in the form of a low-diverging laser beam d, while a focusing unit is introduced into it, including a mechanism for moving the end of the core along its optical axis perpendicular to the end and passing through its geometric center, a secondary mirror made flat, on which the laser beam is directed, which reflects onto the said main mirror, and for the focal radius vector of the point of a complete parabola, which is the center of the main mirror, the tangent plane to the main mirror at this point is parallel to the plane of the secondary mirror, while the main of the mirror passes the output optical axis of the low-diverging laser beam, coinciding with the diameter of the full parabola, parallel to the optical axis of the core of the optical fiber output and lying together with the parallel axis of the full parabola and the mentioned optical axis, in the same plane with them, and the end of the core of the optical fiber output is separated by the distance L from the point of intersection of the optical axis with the plane of the secondary mirror, forming at the intersection angle β, reflected from which at this point the laser beam coincides with the optical axis, falls into the center of the main mirror, while the optical axis of the core of the fiber optic output is spaced from the axis of the full parabola at a distance h satisfying the inequality:
при этом вторичное зеркало конструктивно связано с устройством сканирования и отражает идущий от торца сердцевины оптоволоконного вывода лазерный пучок в виде расходящегося пучка лучей на главное зеркало, отражающее в свою очередь на плоскость изображения малорасходящийся лазерный пучок лучей, диаметр Dлп которого на выходе из оптической системы отвечает соотношению:the secondary mirror is structurally connected with the scanning device and reflects the laser beam coming from the end of the core of the fiber optic output in the form of a diverging beam of rays onto the main mirror, which in turn reflects on the image plane a low-diverging laser beam of rays whose diameter D ln at the exit from the optical system corresponds to the ratio:
а размеры апертур главного зеркала D и вторичного зеркала d определяют по соотношениям:and the dimensions of the apertures of the main mirror D and the secondary mirror d are determined by the relations:
где углы α и β рассчитаны по формулам:where the angles α and β are calculated by the formulas:
hmax и hmin - максимальное и минимальное допустимые расстояния оптической оси от оси полной параболы соответственно, определяемые по соотношениям:h max and h min - the maximum and minimum allowable distances of the optical axis from the axis of the full parabola, respectively, determined by the relations:
Суть изобретения поясняется фиг. 1 и 2.The essence of the invention is illustrated in FIG. 1 and 2.
На фиг. 1 приведена принципиальная оптическая схема формирования и наведения лазерного пучка на плоскость изображения. На фиг. 1 обозначено: F - фокус главного зеркала; L - расстояние торца сердцевины оптоволоконного вывода до точки пересечения оптической оси сердцевины с плоскостью вторичного зеркала; h - расстояние оптической оси сердцевины оптоволоконного вывода от оси полной параболы; Dлп - диаметр малорасходящегося лазерного пучка на выходе из оптической системы; X, Y, Z - координаты положения элементов оптической системы; 0 - начало координат; W - выносной элемент.In FIG. 1 is a schematic optical diagram of the formation and guidance of a laser beam on the image plane. In FIG. 1 is indicated: F is the focus of the main mirror; L is the distance of the end face of the core of the optical fiber output to the point of intersection of the optical axis of the core with the plane of the secondary mirror; h is the distance of the optical axis of the core of the fiber optic output from the axis of the full parabola; D LP - the diameter of a low-diverging laser beam at the exit from the optical system; X, Y, Z - coordinates of the position of the elements of the optical system; 0 - origin; W is a remote element.
На выносном элементе W, показан оптоволоконный вывод с механизмом перемещения торца сердцевины, откуда выходит дивергентный луч лазера. На выносном элементе W обозначено: α - максимальный угол, под которым луч лазера выходит через торец сердцевины оптоволоконного вывода; δ - диаметр сердцевины оптоволоконного вывода; точка А - точечный источник лазерного излучения на оптической оси сердцевины оптоволоконного вывода; r - расстояние от точки А до торца сердцевины оптоволоконного вывода.An external element W shows a fiber optic terminal with a mechanism for moving the end of the core, from where the divergent laser beam emerges. On the remote element W is indicated: α is the maximum angle at which the laser beam exits through the end face of the core of the fiber optic output; δ is the core diameter of the fiber optic terminal; point A is a point source of laser radiation on the optical axis of the core of the fiber optic output; r is the distance from point A to the end face of the core of the fiber optic output.
На фиг. 2 приведен схема, поясняющая вывод соотношений (2), (3), (4) и (7), (8).In FIG. 2 is a diagram explaining the derivation of relations (2), (3), (4) and (7), (8).
На фиг. 2 обозначено: F - фокус главного зеркала; (L+r) - расстояние точечного источника (точка А) до точки пересечения оптической оси сердцевины с плоскостью вторичного зеркала (точка В); h - расстояние оптической оси сердцевины оптоволоконного вывода от оси полной параболы; α - максимальный угол, под которым луч лазера выходит через торец сердцевины оптоволоконного вывода; Dлп - диаметр малорасходящегося лазерного пучка на выходе из оптической системы; М - точка пересечения в плоскости YOZ полной параболы с ее диаметром; Н и G - точки пересечения с осью Z в плоскости YOZ вертикали выходящей из точки В и прямой проходящей через точку В и лежащей в плоскости вторичного зеркала; С и D - точки на вторичном зеркале, куда падают из точки А крайние лучи лазерного пучка в плоскости YOZ; β - угол в плоскости YOZ: между фокальным радиусом-вектором точки М на полной параболе и касательной к полной параболе в этой точке, между касательной к полной параболе в точке М и ее диаметром, между линией пересечения касательной плоскости к главному зеркалу в точке М с плоскостью YOZ и осью OZ, между линией пересечения плоскости вторичного зеркала с плоскостью YOZ и осью OZ; а, b, с, d, е - обозначения вершин в треугольниках ΔadF, ΔbeF, Δabc; Ya, Yb - координаты по оси Y точек полной параболы; Za, Zb - координаты по оси Z точек полной параболы; Y, Z - координаты положения элементов оптической системы в плоскости YOZ; 0 - начало координат.In FIG. 2 marked: F - focus of the main mirror; (L + r) is the distance of the point source (point A) to the point of intersection of the optical axis of the core with the plane of the secondary mirror (point B); h is the distance of the optical axis of the core of the fiber optic output from the axis of the full parabola; α is the maximum angle at which the laser beam exits through the end face of the fiber optic output core; D LP - the diameter of a low-diverging laser beam at the exit from the optical system; M is the intersection point in the YOZ plane of the full parabola with its diameter; H and G are the points of intersection with the Z axis in the YOZ plane of the vertical exit from point B and the line passing through point B and lying in the plane of the secondary mirror; C and D are the points on the secondary mirror where the extreme rays of the laser beam in the YOZ plane fall from point A; β is the angle in the YOZ plane: between the focal radius vector of the point M on the full parabola and the tangent to the full parabola at this point, between the tangent to the full parabola at the point M and its diameter, between the line of intersection of the tangent plane to the main mirror at the point M with the YOZ plane and the OZ axis, between the line of intersection of the secondary mirror plane with the YOZ plane and the OZ axis; a, b, c, d, e are the designations of the vertices in the triangles ΔadF, ΔbeF, Δabc; Y a , Y b - coordinates along the Y axis of the points of the complete parabola; Z a , Z b - coordinates along the Z axis of the points of the complete parabola; Y, Z - coordinates of the position of the elements of the optical system in the plane YOZ; 0 is the origin.
На фиг. 1, 2 приведено:In FIG. 1, 2 are given:
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
4 - торец сердцевины 3 оптоволоконного вывода 2;4 - end face of the
5 - лазерный пучок (дивергентный луч);5 - a laser beam (divergent beam);
6 - главное зеркало;6 - the main mirror;
7 - лазерный пучок;7 - a laser beam;
8 - блок фокусировки;8 - focus unit;
9 - механизм перемещения торца 4 сердцевины 3;9 - mechanism for moving the
10 - оптическая ось сердцевины 3 оптоволоконного вывода 2;10 - optical axis of the
11 - вторичное зеркало;11 - a secondary mirror;
12 - полная парабола главного зеркала 6;12 - full parabola of the
13 - центр главного зеркала 6;13 - the center of the
14 - касательная плоскость к главному зеркалу 6 в точке - центре 13;14 - tangent plane to the
15 - выходная оптическая ось;15 - output optical axis;
16 - ось полной параболы 12;16 - axis of the
17 - устройство сканирования;17 - scanning device;
18 - плоскость изображения.18 - image plane.
Оптическая система формирования и наведения лазерного пучка (СФИНЛП) включает передающий лазерный модуль 1 с оптоволоконным выводом 2, с числовой апертурой NA, с сердцевиной 3 диаметром δ, из торца 4 которой выходит лазерный пучок 5, а на выходе оптической системы лазерный пучок падает на главное зеркало 6 выполненное вогнутым внеосевым параболическим, конструктивно связанное с устройством "грубого" наведения (на фиг. 1, 2 не показано), и отражается в виде малорасходящегося лазерного пучка 7. Также СФИНЛП включает блок фокусировки 8 с механизмом перемещения 9 торца 4 сердцевины 3 вдоль ее оптической оси 10, перпендикулярной торцу 4 и проходящей через его геометрический центр. Кроме того, СФИНЛП содержит вторичное зеркало 11, выполненное плоским, а главное зеркало 6, выполнено внеосевым вогнутым параболическим с фокусом F, где для фокального радиуса-вектора точки М полной параболы 12 - центра 13 главного зеркала 6 - касательная плоскость 14 к главному зеркалу 6 в этой точке параллельна плоскости вторичного зеркала 11. Причем плоскость вторичного зеркала 11 перпендикулярна плоскости YOZ. Через центр 13 главного зеркала 6 проходит выходная оптическая ось 15 малорасходящегося лазерного пучка 7, совпадающая с диаметром полной параболы 12, параллельная оптической оси 10 сердцевины 3, и которая лежит, вместе с осью 16 полной параболы 12 и оптической осью 10, параллельные между собой, в одной плоскости с ними. Торец 4 сердцевины 3 оптоволоконного вывода 2 отстоит на расстоянии L от точки пересечения оптической оси 10 сердцевины 3 с плоскостью вторичного зеркала 11, образующей при пересечении угол β, отражаясь от которой в этой точке луч лазера, совпадающий с оптической осью 10, падает в центр 13 главного зеркала 6. СФИНЛП выполнена так, чтобы оптическая ось 10 сердцевины 3 оптоволоконного вывода 2 отстояла от оси 16 полной параболы 12 на расстоянии h, удовлетворяющем неравенству (1) и соотношениям (7) и (8). Вторичное зеркало 11 конструктивно связано с устройством сканирования 17 и отражает идущий из сердцевины 3 лазерный пучок 5 в виде расходящегося пучка лучей на главное зеркало 6. Главное зеркало 6 отражает лазерный пучок 5 в виде малорасходящегося лазерного пучка 7 лучей на плоскость изображения 18. Причем диаметр малорасходящегося лазерного пучка Dлп на выходе из оптической системы отвечает соотношению (2), а размеры апертур главного зеркала 6 D и вторичного зеркала 11 d определяют по соотношениям (3) и (4).An optical system for generating and guiding a laser beam (SINLP) includes a transmitting
Оптическая система формирования и наведения лазерного пучка (СФИНЛП) работает следующим образом.The optical system for the formation and guidance of a laser beam (SINLP) works as follows.
По сигналу от системы питания и управления (СПУ) (на фиг. 1, 2 не показана) поступает управляющая команда на подачу электропитания передающему лазерному модулю 1, выполненному в виде генератора излучения с определенной длиной волны λ. СПУ посредством электрических сигналов и команд управляет работой СФИНЛП, а также обеспечивает электропитание и заданный тепловой режим всей системы и ее элементов. Передающий лазерный модуль 1 генерирует когерентные электромагнитные волны, передаваемые по оптоволоконному выводу 2 с числовой апертурой NA и диаметром δ сердцевины 3. Из сердцевины 3 как из точечного источника излучения (точка А на фиг. 1, 2) через торец 4, выходит дивергентный луч 5 лазера для формирования и точного наведения его в СФИНЛП на протяженных трассах в плоскости изображения 18. С началом работы передающего лазерного модуля 1 от системы диагностики состояния (на фиг. 1, 2 не показана) СФИНЛП 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 пучка. Исходящий из сердцевины 3 как из точечного источника излучения (из точки А) через торец 4 дивергентный луч 5 лазера с длиной волны λ падает на плоскость вторичного зеркала 11. При этом оптоволоконный вывод 2 с сердцевиной 3 устанавливают в механизме перемещения 9 так, чтобы ее оптическая ось 10 в блоке фокусировки 8, параллельная оси 16 полной параболы 12, была перпендикулярна плоскости торца 4 и проходила через его центр. Через центр 13 главного зеркала 6, выполненного вогнутым внеосевым параболическим с фокусом F, проходит выходная оптическая ось 15 системы формирования и точного наведения малорасходящегося лазерного пучка 7. Причем СФИНЛП выполнена так, что для фокального радиуса-вектора точки полной параболы 12, являющейся центром 13 главного зеркала 6, касательная плоскость 14 к главному зеркалу 6 в этой точке параллельна плоскости вторичного зеркала 11. При этом выходная оптическая ось 15 системы формирования и наведения малорасходящегося лазерного пучка 7, совпадающая с диаметром полной параболы 12, оптическая ось 10 сердцевины 3, ось 16 полной параболы 12 параллельны между собой и лежат в одной плоскости. Причем конструкция СФИНЛП выполнена так, что β - угол в плоскости YOZ: между фокальным радиусом-вектором точки М на полной параболе 12 и касательной 14 к полной параболе 12 в этой точке, между касательной 14 к полной параболе 12 в точке М и ее диаметром 15, между линией пересечения касательной плоскости 14 к главному зеркалу 6 в точке М с плоскостью YOZ и осью OZ, между линией пересечения плоскости вторичного зеркала 11 с плоскостью YOZ и осью OZ.The signal from the power supply and control system (SPU) (not shown in Fig. 1, 2) receives a control command to supply power to the transmitting
При отмеченных выше конструктивных особенностях СФИНЛП, в рассматриваемой оптической системе расходящийся сферический волновой фронт от точечного источника (точка А), исходящий из сердцевины 3 через торец 4, падает на плоскость вторичного зеркала 11. В результате отражения света вторичное зеркало 11 преобразует расходящийся сферический волновой фронт, исходящий из точечного источника (точки А), в расходящийся сферический фронт, распространяющийся как из точки F, являющейся мнимым изображением точки А. Причем F одновременно является фокусом параболического главного зеркала 6. Главное зеркало 6, в результате отражения расходящегося сферического волнового фронта, распространяющегося от мнимого точечного источника - фокуса F - преобразует сферическую волну в плоскую отраженную волну, т.е. лучи после отражения от параболического главного зеркала 6 идут параллельно друг другу, не пересекаются или пересекаются на бесконечности. СФИНЛП выполнен так, чтобы торец 4 сердцевины 3 оптоволоконного вывода 2 отстоял на расстоянии L от точки пересечения оптической оси 10 с плоскостью вторичного зеркала 11, образующей при пересечении угол β, отражаясь от которой в этой точке луч лазера, совпадающий с оптической осью 10, падает в центр 13 главного зеркала 6. При этом оптическая ось 10 сердцевины 3 оптоволоконного вывода 2 должна отстоять от оси 16 полной параболы 12 на расстоянии h, удовлетворяющем неравенству (1) и соотношениям (7) и (8). При этом упомянутые выше параметры: NA, L, h, β связаны между собой соотношением (6). Вторичное зеркало 11 конструктивно связано с устройством сканирования 17 для точного наведения малорасходящегося лазерного пучка 7 на плоскость изображения 18. Причем, диаметр Dлп малорасходящегося лазерного пучка 7 на выходе из оптической системы отвечает соотношению (2), а характерные размеры апертур (диаметр апертуры) для главного зеркала 6 и вторичного зеркала 11 оценивают по соотношениям (3) и (4), с учетом соотношений (5) и (6).With the design features noted above, in the optical system under consideration, the diverging spherical wave front from a point source (point A), emanating from the
Параболическое главное зеркало 6, через центр 13 которого проходит его выходная оптическая ось 15 параллельная с осью 16 его полной параболы 12, конструктивно связано с устройством "грубого" наведения (на фиг. 1 не показано). Обнаружение приемника-преобразователя в плоскости изображения 18 и наведение на него малорасходящегося лазерного пучка 7 осуществляют механическими устройствами "грубого" наведения с помощью специальной системы поиска, слежения и наведения (ПСН). Механическое устройство "грубого" наведения ПСН может быть выполнено, например, в виде опорно-поворотной платформы, на которой установлена конструкция СФИН с главным зеркалом 6. Причем, наводят малорасходящийся лазерный пучок 7 так, чтобы выходная оптическая ось 15 главного зеркала 6 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.The parabolic
После "грубого" наведения выполняют точное наведение малорасходящегося лазерного пучка 7, совмещая плоскость изображения 18 с плоскостью фотоэлектрических панелей приемника-преобразователя внутренним перемещением излучения в рассматриваемой оптической системе формирования и наведения лазерного пучка. Управляя отклонением луча на выходе СФИНЛП от начального (нулевого) положения осуществляют точное наведение малорасходящегося лазерного пучка 7, т.е. фокусировку и сканирование в плоскости изображения 18, по командам и управляющим сигналам от системы СПУ, поступающим соответственно в блок фокусировки 8 и устройство сканирования 17. С помощью механизма перемещения 9 торца 4 сердцевины 3 вдоль ее оптической оси 10 (по координате Z), перпендикулярной торцу 3 и проходящей через его геометрический центр, осуществляется фокусировка изображения предмета, которым является светящаяся точка А, в плоскости изображения 18. СПУ обеспечивает работу механизма перемещения 9 и контролирует положение торца 4 сердцевины 3 оптоволоконного вывода 2 с помощью встроенных в механизм перемещения 9 датчиков перемещения (на фиг. 1, 2 не показаны). С помощью устройства сканирования 17, включающего подвижную платформу с вторичным зеркалом И, осуществляются наклоны платформы по углам ϕх и ϕу, как показано на фиг. 1 и 2. Таким образом, однокоординатное перемещение (Z) торца 4 в блоке фокусировки 8 и перемещение подвижного вторичного зеркала 11 в двух поперечных направлениях (X, Y) позволяют осуществлять соответственно точную фокусировку и сканирование малорасходящегося лазерного пучка 7 в плоскости изображения 18.After the "rough" guidance, precise guidance of the low-diverging
Приведем расчетный пример проектирования оптической системы формирования и наведения лазерного пучка.We give a calculated example of designing an optical system for the formation and guidance of a laser beam.
Нужно отметить, что в данном техническом решении рассматривается двухзеркальная оптическая система с несферическими поверхностями, а именно используется внеосевое асферическое зеркало в виде параболоида вращения - главное зеркало 6 и плоское отклоняющее вторичное зеркало 11.It should be noted that in this technical solution, a two-mirror optical system with non-spherical surfaces is considered, namely, an off-axis aspherical mirror in the form of a paraboloid of revolution is used - the
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 и 2 в предлагаемом техническом решении рассматривается внеосевое размещение зеркал - 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 11 вынесено за пределы пучка, падающего на главное зеркало 6. 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/].The advantage of mirrors compared to prisms and lenses is: less weight, simplicity of designs, lower value of introduced aberrations (including the absence of chromatism in mirrors with external reflection), elimination of requirements for a number of quality indicators of the material of mirrors with external reflection, as well as the possibility of creating mirrors large sizes [S.M. Latyev. Designing accurate (optical) instruments.
Для примера проектируем оптическую систему включающую передающий лазерный модуль 1 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 с числовой апертурой NA=0,06 и диаметром оптической апертуры (сердцевины 3) оптоволокна δ=0,02 мм. Выход излучения выполнен положим через оптический коннектор QBH, который установлен в блоке фокусировки 8, включающей механизм перемещения 9 торца 4 сердцевины 3 вдоль ее оптической оси 10, перпендикулярной торцу 4 и проходящей через его геометрический центр. Вторичное зеркало 11, на которое направлен лазерный пучок 5 выходящий из сердцевины 3, 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.eom/813864/tehnika/zerkalal. 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. Лазерный пучок 5, отражаясь от вторичного зеркала 11, падает на главное зеркало 6, которое выполнено вогнутым внеосевым параболическим с фокусом F. Положим СФИНЛП выполнена с параболическим главным зеркалом 6 с фокусом F=400 мм.For example, we are designing an optical system including a transmitting
Выполняем главное зеркало 6 из материала, представляющего композит АКК «Скелетон», аналогичного рассмотренному выше для вторичного зеркала 11 со специальным конструкционным покрытием на рабочей поверхности главного зеркала 6, аналогично как и у вторичного зеркала 11. Оптическая система выполнена так, что внеосевое параболическое главное зеркало 6, через центр 13 которого проходит его выходная оптическая ось 15, параллельная с осью 16 его полной параболы 12, конструктивно связано с устройством "грубого" наведения (на рисунке не показано), и отражает малорасходящийся пучок 7 лучей на плоскость изображения 18. Устройство "грубого" наведения выполнено, например, в виде двухкоординатного привода с системой управления для перенацеливания и с системой стабилизации наведения лазерного пучка 7 во время передачи энергии. Плоскость изображения 18 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 точечный источник излучения (точка А), исходящий из сердцевины 3 через торец 4 и размещенный на оптической оси 10 сердцевины 3 оптоволоконного вывода 2 на расстоянии r от торца 4, как показано на фиг. 1, в плоскости изображения 18 служит блок фокусировки 8. В состав блока фокусировки 8 входит механизм перемещения 9 торца 4 сердцевины 3 вдоль ее оптической оси 10. СПУ обеспечивает работу механизма перемещения 9 и контролирует положение торца 4 с помощью встроенных в механизм перемещения 9 датчиков перемещения (на фиг. 1 не показаны). Причем, механизм перемещения 9 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/].We make the
Плоскость вторичного зеркала 11 установлена в конструкции СФИНЛП так, чтобы, как показано на фиг. 1 и 2, для фокального радиуса-вектора точки полной параболы 12, являющейся центром 13 главного зеркала 6, касательная плоскость 14 к главному зеркалу 6 в этой точке была параллельна плоскости вторичного зеркала 11. При этом через центр 13 главного зеркала 6 должна проходить выходная оптическая ось 15 системы формирования и наведения малорасходящегося лазерного пучка 7, совпадающая с диаметром полной параболы 12, параллельная оптической оси 10 сердцевины 3, и которая лежит, вместе с осью 16 полной параболы 12 и оптической осью 10, параллельные между собой, в одной плоскости с ними. Положим, что торец 4 сердцевины 3 оптоволоконного вывода 2 отстоит на расстоянии L=160 мм от точки пересечения оптической оси 10 с плоскостью вторичного зеркала 11, образующей при пересечении угол β отражаясь от которой в этой точке луч лазера, совпадающий с оптической осью 10, падает в центр 13 главного зеркала 6. Положим, что оптическая ось 10 сердцевины 3 оптоволоконного вывода 2 отстоит от оси 16 полной параболы 12 на расстоянии h=60 мм. Таким образом, считая известными h, L, δ и NA, определим угол β из выражения (6):The plane of the
β=90°-0,5⋅arcsin[h/(L+0.5⋅δ/NA)]=β = 90 ° -0.5⋅arcsin [h / (L + 0.5⋅δ / NA)] =
=90°-0,5⋅arcsin[60/(160+0.5⋅0,02/0,06)]=79°.= 90 ° -0.5⋅arcsin [60 / (160 + 0.5⋅0.02 / 0.06)] = 79 °.
Вторичное зеркало 11 конструктивно связано с устройством сканирования 17 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.].The
Принимаем, что числовая апертура оптоволокна определяется соотношением NA=n1⋅sinα, где n1=1 - показатель преломления воздуха, α - максимальный угол между оптической осью 10 сердцевины 3 оптоволоконного вывода 2 и лучом, под которым он выходит из торца 4 сердцевины 3 оптоволоконного вывода 2 перпендикулярного к его оптической оси 10 [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 5, выходящего через торец 4 сердцевины 3 оптоволоконного вывода 2.We assume that the numerical aperture of the optical fiber is determined by the relation NA = n 1 ⋅ sinα, where n 1 = 1 is the refractive index of air, α is the maximum angle between the
Откуда угол α на фиг. 1, 2 определяем из соотношения (5):Where does the angle α in FIG. 1, 2 are determined from the relation (5):
α=arcsinNA=arcsin0,06=3,44°.α = arcsinNA = arcsin 0.06 = 3.44 °.
Диаметр Dлп малорасходящегося лазерного пучка 7 на выходе из оптической системы определим по соотношению (2): Nn maloraskhodyaschegosya diameter D of the
Dлп=2F⋅[ctg(β-α/2)-ctg(β+α/2)]=2⋅400⋅[ctg(79°-3,44°/2)-ctg(79°+3,44°/2)]=50 мм.D nn = 2F⋅ [ctg (β-α / 2) -ctg (β + α / 2)] = 2⋅400⋅ [ctg (79 ° -3,44 ° / 2) -ctg (79 ° + 3 44 ° / 2)] = 50 mm.
Размеры апертур главного зеркала 6 D и вторичного зеркала 11 d определим по соотношениям (3) и (4):The dimensions of the apertures of the main mirror 6 D and the secondary mirror 11 d are determined by the relations (3) and (4):
D=F⋅{4[ctg(β-α/2)-ctg(β+α/2)]2+[ctg2(β-α/2)-ctg2(β+α/2)]2}1/2=D = F⋅ {4 [ctg (β-α / 2) -ctg (β + α / 2)] 2 + [ctg 2 (β-α / 2) -ctg 2 (β + α / 2)] 2 } 1/2 =
=400⋅{4[ctg(79°-3,44°/2)-ctg(79°+3,44°/2)]2+[ctg2(77,28o)-tg2(80,72°)]2}1/2== 400⋅ {4 [ctg (79 ° -3.44 ° / 2) -ctg (79 ° + 3.44 ° / 2)] 2 + [ctg 2 (77.28 o ) -tg 2 (80.72 °)] 2 } 1/2 =
=51 мм;= 51 mm;
d=(L+0.5 δ/NA)⋅NA⋅[1/sin(α+β)+1/sin(β-α)]=d = (L + 0.5 δ / NA) ⋅NA⋅ [1 / sin (α + β) + 1 / sin (β-α)] =
=(160+0.5⋅0,02/0,06)⋅0,06⋅[1/sin(3,44°+79°)+1/sin(79°-3,44°)]=20 мм.= (160 + 0.5⋅0.02 / 0.06) ⋅0.06⋅ [1 / sin (3.44 ° + 79 °) + 1 / sin (79 ° -3.44 °)] = 20 mm.
Покажем, что выбранный параметр h отвечает соотношению (1), при этом максимальное и минимальное допустимые расстояния оптической оси 10 от оси 16 полной параболы 12 определим по соотношениям (7), (8):We show that the selected parameter h corresponds to relation (1), while the maximum and minimum allowable distances of the
hmax=2⋅F⋅ctg(β+α/2)-(L+0.5 δ/NA)⋅NA⋅sin(β)/sin(β-α)=h max = 2⋅F⋅ctg (β + α / 2) - (L + 0.5 δ / NA) ⋅NA⋅sin (β) / sin (β-α) =
=2⋅400⋅ctg(79°+3,44°/2)-= 2⋅400⋅ctg (79 ° + 3.44 ° / 2) -
-(160+0.5⋅0,02/0,06)⋅0,06⋅sin(79°)/sin(79°-3,44°)=121 мм;- (160 + 0.5⋅0.02 / 0.06) ⋅0.06⋅sin (79 °) / sin (79 ° -3.44 °) = 121 mm;
hmin=(L+0.5⋅δ/NA)⋅NA⋅sin(β)/sin(β+α)=h min = (L + 0.5⋅δ / NA) ⋅NA⋅sin (β) / sin (β + α) =
=(160+0.5⋅0,02/0,06)⋅0,06⋅sin(79°)/sin(79°+3,44°)=10 мм.= (160 + 0.5⋅0.02 / 0.06) ⋅0.06⋅sin (79 °) / sin (79 ° + 3.44 °) = 10 mm.
Таким образом, выбранный параметр h=60 мм отвечает соотношению (1). Однако необходимо отметить, что при применении выражений (7) и (8) необходимо учитывать конструктивные особенности оправ, в которых размещены главное зеркало 6 и вторичное зеркало 11 в реальной конструкции оптической системы.Thus, the selected parameter h = 60 mm corresponds to relation (1). However, it should be noted that when applying expressions (7) and (8), it is necessary to take into account the structural features of the frames in which the
Приведем вывод соотношений (2), (3) и (4) для оценки соответственно диаметра малорасходящегося лазерного пучка 7 на выходе из оптической системы, характерного размера апертур главного зеркала 6 и вторичного зеркала 11, а также соотношений (7), (8) для оценки максимального и минимального допустимых расстояний оптической оси 10 от оси 16 полной параболы 12.We present the derivation of relations (2), (3) and (4) for estimating, respectively, the diameter of a low-diverging
При выводе соотношений (2-8) примем, что излучение исходит из сердцевины 3 через торец 4 как из точечного источника излучения (точка А), как показано на фиг. 1, размещенного на расстоянии r от торца 4 на оптической оси 10 сердцевины 3 оптоволоконного вывода 2.When deriving relations (2-8), we assume that the radiation emanates from the
Вывод соотношений (2-4) вытекает из определения и основных свойств полной параболы 12, образуемой при пересечении параболоида вращения с осью OZ плоскостью YOZ [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]. Как приведено на фиг. 1 и 2, главное зеркало 6, являющееся частью параболоида вращения полной параболы 12, выполнено вогнутым, внеосевым с фокусом F и симметричным относительно плоскости YOZ. Причем, как видно из фиг. 1 и 2, касательная плоскость 14 в центре 13 (точке М) к главному зеркалу 6 при пересечении с перпендикулярной ей плоскостью YOZ образует касательную 14 к полной параболе 12 в точке М. Касательная 14 к полной параболе 12 является биссектрисой углов между фокальным радиусом-вектором точки М полной параболы 12 и диаметром 15, проходящим через эту же точку М. А вторичное зеркало 11 установлено в СФИНЛП так, что его плоскость параллельна касательной плоскости 14 к главному зеркалу 6 в центре 13 (точке М). Рассмотрим треугольники на фиг. 2 ΔАВС, ΔABD, ΔCBF и ΔBDF, имея ввиду закон отражения лучей, падающих на плоскость вторичного зеркала 11. Считая известными углы α, максимальный угол, под которым луч лазера выходит через торец 4 сердцевины 3 оптоволоконного вывода 2, и β, угол полученный в плоскости YOZ при пересечении оптической оси 10 с плоскостью вторичного зеркала 11, можно показать, что углы при вершине F треугольников ΔCBF и ΔBDF равны α, а длины отрезков АВ=BF=L+r. Определим из фиг. 2 координаты точек пересечения полной параболы 12 с крайними лучами лазерного пучка 5, отраженными от плоскости вторичного зеркала 11 в рассматриваемой плоскости YOZ - это точки а и b, используя 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]:The derivation of relations (2-4) follows from the definition and basic properties of the
где р - фокальный параметр полной параболы 12 главного зеркала 6. Откуда длины лучей aF и bF отвечают соотношениям, соответственно:where p is the focal parameter of the
Из треугольников ΔadF и ΔbeF по соотношениям (10), с учетом свойств параболы, в частности соотношения F=(р/2; 0), определяем координаты по Z для точек а и b на полной параболе, т.е. Za и Zb.From the triangles ΔadF and ΔbeF according to relations (10), taking into account the properties of the parabola, in particular the relation F = (p / 2; 0), we determine the coordinates in Z for points a and b on the full parabola, i.e. Z a and Z b .
Из треугольника ΔadF по соотношению cos[180°-2β-α)]=dF/aF=(F-Za)/(F+Za) и тригонометрических преобразований определяем:From the triangle ΔadF from the relation cos [180 ° -2β-α)] = dF / aF = (FZ a ) / (F + Z a ) and trigonometric transformations we determine:
Аналогично из треугольника ΔbeF по соотношению cos[180°-2β+α]=eF/bF=(F-Zb)/(F+Zb)и тригонометрических преобразований определяем:Similarly, from the triangle ΔbeF from the relation cos [180 ° -2β + α] = eF / bF = (F-Zb) / (F + Z b ) and trigonometric transformations we determine:
Из канонического уравнения параболы (9), с учетом (11) и (12), определяем координаты по Y для точек а и b, т.е. Ya и Yb:From the canonical equation of parabola (9), taking into account (11) and (12), we determine the coordinates in Y for points a and b, i.e. Y a and Y b :
Диаметр Dлп малорасходящегося лазерного пучка 7 на выходе из оптической системы определим из соотношений (13)и(14) как: Nn maloraskhodyaschegosya diameter D of the
Dлп=Yb-Ya=2F⋅[ctg(β-α/2)-ctg(β+α/2)], т.е. приходим к соотношению (2).D ln = Y b -Y a = 2F⋅ [ctg (β-α / 2) -ctg (β + α / 2)], i.e. we arrive at relation (2).
Из Δabc, с учетом (11-14), определяем сторону ab, принимая ее за характерный размер апертуры D главного зеркала 6, по соотношению:From Δabc, taking into account (11-14), we determine the side ab, taking it for the characteristic size of the aperture D of the
ab=D=[(Yb-Ya)2+(Zb-Za)2]1/2=ab = D = [(Y b -Y a ) 2 + (Z b -Z a ) 2 ] 1/2 =
=F⋅{4[ctg(β-α/2)-ctg(β+α/2)]2+[ctg2(β-α/2)-ctg2(β+α/2)]2}1/2, т.е. приходим к соотношению (3).= F⋅ {4 [ctg (β-α / 2) -ctg (β + α / 2)] 2 + [ctg 2 (β-α / 2) -ctg 2 (β + α / 2)] 2 } 1 / 2 , i.e. we arrive at relation (3).
При этом принимаем, что числовая апертура оптоволокна определяется соотношением NA=n1⋅sinα, где n1=1 - показатель преломления воздуха, α - максимальный угол между оптической осью 10 сердцевины 3 оптоволоконного вывода 2 и лучом, под которым он выходит из торца 4 сердцевины 3 оптоволоконного вывода 2, перпендикулярного к его оптической оси 10 [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 5, выходящего через торец 4 сердцевины 3 оптоволоконного вывода 2. Откуда угол α на фиг. 1, 2 и в выражениях (10-14) определяем из соотношения (5), т.е.At the same time, we assume that the numerical aperture of the optical fiber is determined by the relation NA = n 1 ⋅ sinα, where n 1 = 1 is the refractive index of air, α is the maximum angle between the
α=arcsinNA.α = arcsinNA.
Откуда расстояние г точечного источника излучения (точка А) от торца 4 на оптической оси 10 сердцевины 3 оптоволоконного вывода 2, как показано на фиг. 1, в первом приближении можно определить как r=0.5δ/tgα. Для малых углов α можно принять:Where does the distance r of the point radiation source (point A) from the
На фиг. 2 и в выражениях (10-14) угол β для принятого конструктивного решения рассматриваемой оптической системы, можно определить, предварительно считая известными параметры h, L и r из соотношения (15), например, из треугольника ΔBHF:In FIG. 2 and in expressions (10-14), the angle β for the adopted constructive solution of the considered optical system can be determined by first considering the parameters h, L and r known from relation (15), for example, from the triangle ΔBHF:
BH/BF=sin(180°-2β), илиBH / BF = sin (180 ° -2β), or
h/(L+r)=sin(180°-2β), откуда определяем угол βh / (L + r) = sin (180 ° -2β), whence we determine the angle β
β=90°-0,5⋅arcsin[h/(L+r)], т.е. приходим к соотношению (6).β = 90 ° -0.5⋅arcsin [h / (L + r)], i.e. we arrive at relation (6).
Оценку характерного размера апертуры вторичного зеркала 11 выполним из рассмотрения треугольников ΔABC и ΔABD, используя теорему синусов [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. 225]. Определяем сторону CD=СВ+BD, принимая ее за характерный размер апертуры d вторичного зеркала.The characteristic size of the aperture of the
CD=СВ+BD=(L+r)sin(α)/sin[180°-(α+β)]+(L+r)sin(α)/sin(β-α), откуда приходим к соотношению (3):CD = CB + BD = (L + r) sin (α) / sin [180 ° - (α + β)] + (L + r) sin (α) / sin (β-α), whence we arrive at the relation ( 3):
d=(L+0.5δ/NA)⋅NA⋅[1/sin(α+β)+1/sin(β-α)].d = (L + 0.5δ / NA) ⋅NA⋅ [1 / sin (α + β) + 1 / sin (β-α)].
hmax и hmin - максимальное и минимальное допустимые расстояния оптической оси 10 от оси 16 полной параболы 12 соответственно определяем из треугольников ΔАВС и ΔABD, вычисляя высоты из вершин С и D на сторону АВ в этих треугольниках. При определении hmax также используем выражение для Ya из (13). Откуда получаем выражения (7) и (8).h max and h min - the maximum and minimum allowable distances of the
Нужно отметить, что при применении выражений (7) и (8) необходимо учитывать конструктивные особенности оправ, в которых размещены главное зеркало 6 и вторичное зеркало 11 в конструкции оптической системы.It should be noted that when using expressions (7) and (8), it is necessary to take into account the structural features of the frames in which the
Claims (13)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019110924A RU2715083C1 (en) | 2019-04-11 | 2019-04-11 | Laser beam formation and guidance optical system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019110924A RU2715083C1 (en) | 2019-04-11 | 2019-04-11 | Laser beam formation and guidance optical system |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2715083C1 true RU2715083C1 (en) | 2020-02-25 |
Family
ID=69630872
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019110924A RU2715083C1 (en) | 2019-04-11 | 2019-04-11 | Laser beam formation and guidance optical system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2715083C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6590685B1 (en) * | 2000-01-13 | 2003-07-08 | Northrop Grumman Corporation | Satellite communication optical beam acquisition techniques using a plurality of scan patterns |
| US9971159B2 (en) * | 2016-10-19 | 2018-05-15 | Coherent, Inc. | Reflective laser line-beam generator |
| 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 |
-
2019
- 2019-04-11 RU RU2019110924A patent/RU2715083C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6590685B1 (en) * | 2000-01-13 | 2003-07-08 | Northrop Grumman Corporation | Satellite communication optical beam acquisition techniques using a plurality of scan patterns |
| US9971159B2 (en) * | 2016-10-19 | 2018-05-15 | Coherent, Inc. | Reflective laser line-beam generator |
| 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 |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2790198C1 (en) * | 2022-03-04 | 2023-02-15 | Публичное акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" | Optical system for shaping and guidance of a laser radiation beam |
| 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 |
| RU2790364C1 (en) * | 2022-06-08 | 2023-02-17 | Общество с Ограниченной Ответственностью "АРМЗ СЕРВИС" | METHOD FOR LASER DESTRUCTION OF UAVs BY THE SYSTEM |
| RU2793612C1 (en) * | 2022-08-10 | 2023-04-04 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | Method for forming and directing laser radiation of emitters with optical fibre outputs to a target |
| 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 |
| RU2816822C1 (en) * | 2023-11-14 | 2024-04-05 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" | System for generating and guiding laser radiation of emitter with fibre-optic output to target |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN114460740B (en) | Single-mirror annular light spot optical system | |
| CN105300348A (en) | Laser range finding apparatus | |
| CN104730868A (en) | Large-aperture diffraction grating exposure device and preparation method of large-aperture diffraction grating | |
| KR101837232B1 (en) | Device and method for widening a laser beam | |
| CN109856710B (en) | Double-glued axicon and method for generating long-distance high-resolution Bessel light beam | |
| CN113687474B (en) | Vortex light beam and optical fiber efficient coupling system and method | |
| RU2663121C1 (en) | Optical system for formation and induction of laser radiation | |
| RU2715083C1 (en) | Laser beam formation and guidance optical system | |
| RU2699944C1 (en) | Optical system for generation and guidance of laser radiation | |
| CN104749774A (en) | Off-axis three-mirror push broom type laser three-dimensional imaging and transmitting system | |
| CN109141287B (en) | Point light source array generator based on spatial light modulator and obtaining method thereof | |
| Ning et al. | Collimation of laser diode beams for free space optical communications | |
| CN108627983B (en) | Laser beam combining system and beam combining method thereof | |
| RU2788422C1 (en) | Optical system for remote energy transmission based on powerful fiber lasers | |
| RU2790198C1 (en) | Optical system for shaping and guidance of a laser radiation beam | |
| Hu et al. | Design of off-axis double reflection freeform miniaturized antenna | |
| Peter et al. | Microoptical fiber switch for a large number of interconnects: optical design considerations and experimental realizations using microlens arrays | |
| CN103887707A (en) | Semiconductor laser device with high-power and high-beam-quality lasers | |
| RU2814149C1 (en) | Method for generating and focusing laser radiation of emitter with fibre-optical output to remote object | |
| Shiefman | Insertion loss comparison of microcollimators used to propagate light in and out of single-mode fibers | |
| Zhelem et al. | The Hector Instrument: optical design of the new higher-resolution spectrograph | |
| CN217034409U (en) | Laser dual beam expanding cleaning system | |
| 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 | |
| CN114217447B (en) | Laser beam shaping and converting device | |
| Kilaru et al. | Development of multi-beam long trace profiler |