RU2788422C1 - Optical system for remote energy transmission based on powerful fiber lasers - Google Patents

Abstract

FIELD: optics.

SUBSTANCE: invention relates to systems for remote transmission of laser radiation energy to objects and laser location guidance systems. An optical system for remote energy transmission based on powerful fiber lasers includes a transmitting laser complex of laser fiber modules, emitting ends of fiber optic terminals uniformly placed in the same plane of cut and perpendicular to the central axis of the optical system, an optical mirror with a radiation guidance system, a collimating unit having a case and consisting of fiber-optic collimating devices identical to each laser module, and an aspherical lens with a temperature control system and a movement mechanism. Radiation beams coming out of collimating devices fall on a secondary mirror with a scanning device, on its convex surface in the form of a paraboloid of rotation, reflecting from the secondary mirror, beams fall on a concave surface of the main optical mirror, made in the form of a paraboloid of rotation, reflecting slightly divergent beams onto an image plane. The collimating unit is installed through a central round hole in the main mirror.

EFFECT: increase in optical power of laser radiation; increase in the directivity of a laser beam being formed.

1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области создания систем дистанционной передачи энергии лазерного излучения на воздушные и космические объекты и лазерных локационных систем наведения с высокой точностью лазерного канала передачи энергии на приемник-преобразователь на основе полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) для преобразования электромагнитной энергии лазерного излучения высокой плотности. Области применения такого преобразования - беспроводные системы дистанционного энергопитания воздушных или космических объектов [В.А. Грилихес, П.П. Орлов, Л.Б. Попов. Солнечная энергия и космические полеты. М.: Наука, 1984, с. 199].The invention relates to the field of creating systems for remote transmission of laser radiation energy to air and space objects and laser location guidance systems with high accuracy of a laser channel for transmitting energy to a receiver-converter based on semiconductor photoelectric converters (PVC) for converting electromagnetic energy of high-density laser radiation. The areas of application of such a transformation are wireless systems for remote power supply of air or space objects [V.A. Griliches, P.P. Orlov, L.B. Popov. Solar energy and space flights. M.: Nauka, 1984, p. 199].

В космической технике определился ряд новых направлений, основанных на использовании лазерного излучения. Среди них весьма перспективным направлением следует считать передачу энергии космическим аппаратам (КА) с помощью лазерных систем передачи энергии (ЛСПЭ) на базе мощных волоконных лазеров, с последующим преобразованием в электроэнергию в приемниках-преобразователях. Волоконные лазеры, интенсивно развивающиеся в настоящее время, сочетают в себе свойства собственно генераторов излучения (лазерных диодов), усилителей излучения и высокоэффективных световодов [В.И. Кишко, В.Ф. Матюхин. Принципы построения адаптивных ретрансляторов для стратосферных систем передачи энергии // Автометрия. 2012. Т. 48, №2, с. 59-66.].In space technology, a number of new directions based on the use of laser radiation have been determined. Among them, a very promising direction should be considered the transfer of energy to spacecraft (SC) using laser power transmission systems (LTTS) based on high-power fiber lasers, followed by conversion into electricity in receiver-converters. Fiber lasers, which are currently being intensively developed, combine the properties of radiation generators themselves (laser diodes), radiation amplifiers, and high-performance optical fibers [V.I. Kishko, V.F. Matyukhin. Principles of constructing adaptive repeaters for stratospheric power transmission systems // Avtometriya. 2012. V. 48, No. 2, p. 59-66].

В настоящее время каждый КА оснащен собственной системой генерирования электрической энергии. Однако существует альтернативный способ энергоснабжения, предусматривающий использование централизованных электростанций и передачу энергии космическим аппаратам-потребителям при помощи электромагнитного излучения (ЭМИ). При этом можно реализовать схему централизованного энергоснабжения, как отдельных КА, так и их группировок, что расширяет их функциональные возможности и увеличивает их ресурс.Currently, each spacecraft is equipped with its own power generation system. However, there is an alternative method of energy supply, which involves the use of centralized power plants and the transfer of energy to consumer spacecraft using electromagnetic radiation (EMR). In this case, it is possible to implement a centralized power supply scheme for both individual spacecraft and their groups, which expands their functionality and increases their resource.

По сравнению с другими источниками излучения лазеры обладают самой высокой степенью когерентности. Это свойство лазеров используется в оптических системах для передачи и приема информации и в других случаях. Применение лазеров как источников излучения требует разработки оптических систем, служащих для преобразования лазерного излучения. С помощью таких систем могут решаться следующие задачи: концентрация лазерного излучения в пятно малых размеров (фокусировка); преобразование лазерного пучка в пучок с малым углом расходимости (коллимация); формирование лазерного пучка в пучок с необходимыми параметрами для согласования с последующей оптической системой (согласование) [Н.П. Заказнов, С.И. Кирюшин, В.Н. Кузичев. Теория оптических систем. 3-е изд. М.: Машиностроение, 1992. с. 318-319]. Для успешной реализации передачи лазерного излучения на объект-потребитель необходимо создать оптическую систему, эффективно собирающую единичные лазерные пучки и формирующую суммарный малорасходящийся пучок.Compared to other radiation sources, lasers have the highest degree of coherence. This property of lasers is used in optical systems for transmitting and receiving information and in other cases. The use of lasers as radiation sources requires the development of optical systems that serve to convert laser radiation. With the help of such systems, the following problems can be solved: concentration of laser radiation into a small spot (focusing); conversion of a laser beam into a beam with a small angle of divergence (collimation); formation of a laser beam into a beam with the necessary parameters for matching with the subsequent optical system (matching) [N.P. Zakaznov, S.I. Kiryushin, V.N. Kuzichev. Theory of optical systems. 3rd ed. M.: Mashinostroenie, 1992. p. 318-319]. To successfully implement the transmission of laser radiation to a consumer object, it is necessary to create an optical system that effectively collects single laser beams and forms a total low-divergent beam.

Известны лазерно-оптические системы для формирования мощных лазерных пучков на протяженных трассах с заданными характеристиками, построенные по схеме когерентного или некогерентного суммирования отдельных лазерных источников в один мощный пучок с низкой расходимостью.Known laser-optical systems for the formation of high-power laser beams on long paths with specified characteristics, built according to the scheme of coherent or incoherent summation of individual laser sources into a single high-power beam with low divergence.

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).] shows a device for forming light beams. The device contains a source of coherent optical radiation and a concave main mirror, a wavefront conjugation device with a beam splitter at the input, and two auxiliary optical systems that ensure self-projection of the main mirror onto itself. The main mirror and elements of both auxiliary systems are located coaxially. The beam splitter is made in the form of a translucent mirror deposited on the surface of the lens element of one of the auxiliary systems. The first auxiliary system can be made in the form of a concave mirror, a lens component and a meniscus facing the main mirror with its convex surface. It should be noted that auxiliary optical systems must have a high optical quality. When using the proposed optical system as a collimator, a significant disadvantage is that the auxiliary systems contain a large number of optical surfaces, the errors of which affect the accuracy of the formed wave front.

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)] 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 NA_i и диаметром d_i 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 f_a и f_a ^* соответственно. Причем главная оптическая ось асферической линзы перпендикулярна плоскости торца сердцевины соответствующего оптоволоконного вывода и проходит через его центр, размещенный в переднем фокусе f_a. 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 f_c и f_c ^*, 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 f_c ^* подвижной линзы.The optical system for the formation and guidance of laser radiation, proposed in [Patent RU 2663121, published 08/07/2018, bul. No. 22, IPC: G01S 17/88 (2006.01), F41G 3/22 (2006.01)] includes: a transmitting laser complex of n-laser modules, each of which contains a fiber optic output with a core, the end of the core of which is a source of radiation that creates a single laser beam; beam-splitting element; a three-coordinate scanning element made in the form of a movable lens. At the output of the optical system, the total laser beam of rays falls on a concave parabolic mirror, which is structurally connected with the "coarse" pointing device, and is reflected in the form of a low-divergent beam of rays. The optical system includes n collimators, an adder of single laser beams and a three-coordinate scanning unit, and each i-th laser module, where i=1, 2, ... n, is equipped with a fiber optic output with a numerical aperture NA _i and a core diameter d _i , from the end the core of which the divergent laser beam enters the said i-th collimator on the aspherical lens contained in it 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 summator of single laser beams consists of n beam-splitting elements made in the form of dichroic plates, through the geometric center of each of which the main optical axis of the corresponding aspherical lens of the collimator passes at an angle of 45°. The main optical axes of the aspherical lenses are parallel and lie in the same plane, and the mentioned dichroic plates are installed parallel to each other so that the main optical axis of the movable lens passes through their geometric centers at an angle of 45° and is perpendicular to the main optical axes of the aspherical lenses. When this movable lens is installed on the micropositioner of the three-coordinate scanning unit and is made aspherical, with front and rear focal lengths f _c and 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 coinciding with the optical axis of its full parabola. In this case, 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 является конструктивное исполнение ЛСПЭ для формирования результирующего лазерного пучка. В данном техническом предложении рассматриваемая конструкция устройства основана на пространственном некогерентном сложении отдельных излучателей и не позволяет получать на выходе пучки дифракционного качества с постоянным однородным и неизменным распределением плотности мощности по сечению пучка на протяженных трассах. Другим недостатком предложенного устройства, затрудняющим его эксплуатацию, является то, что оптическая система содержат большое количество оптических поверхностей, погрешности которых сказываются на точности формируемого волнового фронта.One of the main disadvantages of this optical system for the formation and guidance of laser radiation is the design of the LSPE for the formation of the resulting laser beam. In this technical proposal, the design of the device under consideration is based on the spatial incoherent addition of individual emitters and does not allow obtaining beams of diffraction quality at the output with a constant uniform and unchanged power density distribution over the beam cross section along long paths. Another disadvantage of the proposed device, which complicates its operation, is that the optical system contains a large number of optical surfaces, the errors of which affect the accuracy of the formed wave front.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является оптическая система дистанционной передачи энергии лазерного излучения, рассмотренная в [В.И. Кишко, В.Ф. Матюхин. Принципы построения адаптивных ретрансляторов для стратосферных систем передачи энергии // Автометрия. 2012. Т. 48, №2, с. 59-66].The closest technical solution adopted for the prototype is an optical system for remote transmission of laser radiation energy, discussed in [V.I. Kishko, V.F. Matyukhin. Principles of constructing adaptive repeaters for stratospheric power transmission systems // Avtometriya. 2012. V. 48, No. 2, p. 59-66].

Предложена оптическая система дистанционной передачи энергии на базе мощных волоконных лазеров, включающая передающий лазерный комплекс, состоящий из n лазерных волоконных модулей, каждый с оптоволоконным выводом, причем излучающие торцы оптоволоконных выводов равномерно размещены в одной плоскости среза по окружности радиуса r и перпендикулярны центральной оси оптической системы, проходящей через центр упомянутой окружности, оптическое зеркало, конструктивно связанное с системой наведения излучения, на которое падает излучение, отражаясь от него в виде суммарного излучения.An optical system for remote energy transmission based on high-power fiber lasers is proposed, including a transmitting laser complex consisting of n laser fiber modules, each with a fiber optic lead, and the radiating ends of the fiber optic leads are evenly placed in the same cut plane along a circle of radius r and are perpendicular to the central axis of the optical system. passing through the center of the mentioned circle, an optical mirror, structurally connected with the radiation guidance system, on which the radiation falls, being reflected from it in the form of total radiation.

Суммарное излучение единичных лазерных пучков от торца волоконного жгута через защитную пластину и светоделительный элемент поступает на вход телескопической системы, включающую рассеивающую и собирающую линзы, формирования суммарного лазерного пучка с параллельными лучами. Далее 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. Причем, рассеивающая линза выполнена подвижной, что позволяет осуществлять точную фокусировку и сканирование лазерного пучка в двух поперечных направлениях. Суммарный лазерный пучок на выходе из оптической системы имеет форму близкую к кольцу, где центральная часть используется оптико-электронной системой наведения излучения.The total radiation of single laser beams from the end of the fiber bundle through the protective plate and the beam-splitting element is fed to the input of the telescopic system, including diverging and converging lenses, forming a total laser beam with parallel beams. Further, the total laser beam is incident on a flat mirror, which is structurally connected with a "coarse" pointing device, which makes it possible to point the system in a wide range of angles, and is reflected in the form of a low-divergent beam of rays. Moreover, the diverging lens is movable, which allows accurate focusing and scanning of the laser beam in two transverse directions. The total laser beam at the output of the optical system has a shape close to a ring, where the central part is used by the optical-electronic 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.It should be noted that the proposed arrangement of the optical system does not allow one to form a beam of diffraction quality at the output even when single-mode fiber lasers are used. Also, the output beam has an inhomogeneous distribution of the power density over the beam cross section, which changes at different distances from the LFES.

Задачей изобретения является:The objective of the invention is:

- повышение надежности ЛСПЭ;- increasing the reliability of LSPE;

- облегчение сервисного обслуживания и ремонта ЛСПЭ;- facilitation of maintenance and repair of LSPE;

- снижение себестоимости ЛСПЭ.- cost reduction of LSPE.

Техническим результатом изобретения являются:The technical result of the invention are:

- создание компактной оптической системы телескопического типа дистанционной передачи энергии лазерного излучения на базе мощных волоконных лазеров;- creation of a compact optical system of a telescopic type for remote transmission of laser radiation energy based on high-power fiber lasers;

- возможность наращивания оптической мощности лазерного излучения;- the possibility of increasing the optical power of laser radiation;

- повышение направленности формируемого пучка лазерного излучения за счет повышения точности юстировки и сканирования;- increasing the direction of the formed laser beam by increasing the accuracy of alignment and scanning;

- меньший вес, простота конструкций.- lighter weight, simple design.

Технический результат достигается тем, что оптическая система дистанционной передачи энергии на базе мощных волоконных лазеров, включающая передающий лазерный комплекс, состоящий из n лазерных волоконных модулей, каждый с оптоволоконным выводом, причем излучающие торцы оптоволоконных выводов равномерно размещены в одной плоскости среза по окружности радиуса r и перпендикулярны центральной оси оптической системы, проходящей через центр упомянутой окружности, оптическое зеркало, конструктивно связанное с системой наведения излучения, на которое падает излучение, отражаясь от него в виде суммарного излучения, при этом в нее введен коллимирующий блок, имеющий корпус с внешним диаметром d_Б и состоящий из волоконно-оптических коллимирующих устройств, конструктивно их объединяющий, идентичных по конструкции и составу для каждого из n лазерных волоконных модулей с длиной волны излучения λ, включающих отрезок оптоволокна с осью сердцевины диаметром δ с показателем преломления n₁ и с числовой апертурой NA оптоволоконного вывода, оконцованного оптическим разъемом, и линзу, выполненную асферической с фокусом F_Л, фокусным расстоянием f_Л, установленную на расстоянии f от излучающего торца, с диаметром асферической линзы d_Л, причем асферическая линза установлена на границе плоскости среза корпусов упомянутых коллимирующих устройств, снабженных системой терморегулирования и механизмом перемещения асферических линз вдоль центральной оси оптической системы, при этом главная оптическая ось асферической линзы совпадает с осью сердцевины отрезка оптоволокна, а центральная ось коллимирующего блока совпадает с центральной осью оптической системы, причем ось сердцевины отрезка оптоволокна параллельна центральной оси оптической системы, при этом пучки лазерного излучения диаметром d_ЛП, выходящие из волоконно-оптических коллимирующих устройств, падают на вторичное оптическое зеркало, конструктивно связанное с устройством сканирования, на его выпуклую поверхность, выполненную в виде параболоида вращения с фокусом F₂, ось которого совпадает с центральной осью оптической системы, отражаясь от вторичного оптического зеркала пучки лазерного излучения падают на оптическое зеркало, являющееся главным оптическим зеркалом, на его вогнутую поверхность, выполненную в виде параболоида вращения, отражающую в свою очередь на плоскость изображения малорасходящиеся пучки лазерного излучения, с фокусом F₁, совпадающим с F₂, ось которого совпадает с центральной осью оптической системы, причем коллимирующий блок с волоконно-оптическими коллимирующими устройствами, системой терморегулирования и механизмом перемещения линз установлен в оптической системе через центральное круглое отверстие диаметром d в главном оптическим зеркале так, что выполняется условие d≥d_Б, а плоскость среза корпуса коллимирующего блока, совпадающая с плоскостью среза корпусов упомянутых коллимирующих устройств, отстоит от вторичного оптического зеркала на расстоянии L, при этом расстояние f асферической линзы от излучающего торца и ее диаметр d_Л, радиус r окружности размещения излучающих торцов и внешний диаметр d_Б корпуса коллимирующего блока, а также диаметр выходной апертуры излучателя оптической системы D и расстояние L отвечают соотношениям:The technical result is achieved by the fact that the optical system for remote energy transmission based on high-power fiber lasers, including a transmitting laser complex, consisting of n laser fiber modules, each with a fiber optic output, and the radiating ends of the fiber optic outputs are evenly placed in the same cut plane along a circle of radius r and perpendicular to the central axis of the optical system passing through the center of the mentioned circle, an optical mirror structurally connected with the radiation guidance system, on which the radiation falls, being reflected from it in the form of total radiation, while a collimating unit is introduced into it, having a body with an outer diameter of d _B and consisting of fiber-optic collimating devices, structurally combining them, identical in design and composition for each of n laser fiber modules with a radiation wavelength λ, including a piece of fiber with a core axis of diameter δ with a refractive index n ₁ and with a numerical aperture NA of the fiber-optic output terminated by an optical connector, and an aspherical lens with focus F _L , focal length f _L , installed at a distance f from the radiating end, with an aspherical lens diameter d _L , and the aspherical lens is installed on the border of the cut plane of the bodies of the said collimating devices equipped with a thermal control system and a mechanism for moving aspherical lenses along the central axis of the optical system, while the main optical axis of the aspherical lens coincides with the axis of the core of the fiber segment, and the central axis of the collimating unit coincides with the central axis of the optical system, and the axis of the core of the fiber segment is parallel to the central axis of the optical system, while the laser radiation beams with a diameter d _LP , coming out of the fiber-optic collimating devices, fall on the secondary optical mirror, structurally connected with the scanning device, on its convex surface, made in the form paraboloid of revolution with focus F ₂ , whose axis coincides with the central axis of the optical system, reflecting from the secondary optical mirror, laser beams fall on the optical mirror, which is the main optical mirror, on its concave surface, made in the form of a paraboloid of revolution, reflecting in turn on image plane low-divergent beams of laser radiation, with focus F ₁ coinciding with F ₂ , the axis of which coincides with the central axis of the optical system, and the collimating unit with fiber-optic collimating devices, a thermal control system and a lens movement mechanism is installed in the optical system through a central round hole diameter d in the main optical mirror so that the condition d≥d _B is met, and the cut plane of the body of the collimating unit, coinciding with the cut plane of the bodies of the mentioned collimating devices, is separated from the secondary optical mirror at a distance L, while the distance f is aspherical which lens from the emitting end and its diameter d _L , the radius r of the circumference of the emitting ends and the outer diameter d _B of the body of the collimating unit, as well as the diameter of the output aperture of the emitter of the optical system D and the distance L correspond to the relations:

где d_К - внутренний диаметр корпуса волоконно-оптических коллимирующих устройств;where d _K is the inner diameter of the housing of the fiber-optic collimating devices;

где h_К и h_Б - толщины стенки корпуса коллимирующего устройства и стенки корпуса коллимирующего блока, соответственно.where h _K and h _B are the thicknesses of the wall of the body of the collimating device and the wall of the body of the collimating unit, respectively.

где h₂ - параметр, определяемый из соотношения:where h ₂ is a parameter determined from the relation:

а Р₁ и Р₂ - фокальные параметры парабол, образованных пересечением плоскости YOX с параболоидами вращения с координатной осью ОХ и образующими отражающие вогнутую поверхность главного оптического зеркала и выпуклую поверхность вторичного оптического зеркала, соответственно.and P ₁ and P ₂ are the focal parameters of the parabolas formed by the intersection of the YOX plane with paraboloids of revolution with the coordinate axis OX and forming the reflecting concave surface of the primary optical mirror and the convex surface of the secondary optical mirror, respectively.

Суть изобретения поясняется фиг. 1-5, где приняты следующие обозначения:The essence of the invention is illustrated in Fig. 1-5, where the following designations are accepted:

1 - передающий лазерный комплекс;1 - transmitting laser complex;

2 - лазерный волоконный модуль;2 - laser fiber module;

3 - оптоволоконный вывод;3 - fiber optic output;

4 - излучающий торец оптоволоконного вывода 3;4 - radiating end of the fiber-optic output 3;

5 - плоскость среза излучающих торцов 4;5 - cutting plane of radiating ends 4;

6 - центральная ось оптической системы;6 - central axis of the optical system;

7 - главное оптическое зеркало;7 - main optical mirror;

8 - коллимирующий блок;8 - collimating block;

9 - корпус коллимирующего блока 8;9 - body of the collimating unit 8;

10 - волоконно-оптическое коллимирующее устройство (коллимирующее устройство);10 - fiber optic collimating device (collimating device);

11 - отрезок оптоволокна оптоволоконного вывода 3;11 - piece of fiber optic output 3;

12 - ось сердцевины 13 отрезка оптоволокна 11;12 - axis of the core 13 of the fiber segment 11;

13 - сердцевина оптоволоконного вывода 3;13 - the core of the fiber optic output 3;

14 - оптический разъем оптоволоконного вывода 3;14 - optical connector of fiber optic output 3;

15 - асферическая линза (линза);15 - aspherical lens (lens);

16 - корпус коллимирующего устройства 10;16 - body of the collimating device 10;

17 - плоскость среза корпуса 16 коллимирующего устройства 10;17 - cut plane of the body 16 of the collimating device 10;

18 - система терморегулирования коллимирующих устройств 10;18 - system of thermal control of collimating devices 10;

19 - механизм перемещения асферических линз 15;19 - mechanism for moving aspherical lenses 15;

20 - главная оптическая ось асферической линзы 15;20 - main optical axis of the aspherical lens 15;

21 - центральная ось коллимирующего блока 8;21 - the central axis of the collimating block 8;

22 - пучок лазерного излучения;22 - beam of laser radiation;

23 - вторичное оптическое зеркало;23 - secondary optical mirror;

24 - устройство сканирования;24 - scanning device;

25 - выпуклая поверхность вторичного оптического зеркала 23;25 - convex surface of the secondary optical mirror 23;

26 - ось вторичного оптического зеркала 23;26 - axis of the secondary optical mirror 23;

27 - вогнутая поверхность главного оптического зеркала 7;27 - concave surface of the main optical mirror 7;

28 - плоскость изображения;28 - image plane;

29 - пучок лазерного излучения;29 - beam of laser radiation;

30 - ось главного оптического зеркала 7;30 - axis of the main optical mirror 7;

31 - плоскость среза корпуса 9 коллимирующего блока 8;31 - cut plane of the body 9 of the collimating block 8;

32 - центральный луч;32 - central beam;

33, 34, 35, 36 - крайний луч;33, 34, 35, 36 - extreme beam;

37 - оптическая оболочка оптоволоконного вывода 3;37 - optical shell fiber optic output 3;

38 - приемник лазерного излучения.38 - receiver of laser radiation.

На фиг. 1 приведена принципиальная оптическая схема системы дистанционной передачи энергии на базе мощных волоконных лазеров. На фиг. 1 обозначено: F₁ - фокус главного оптического зеркала 7; F₂ - фокус вторичного оптического зеркала 23; d_ЛП - диаметр пучка лазерного излучения 22 выходящего из волоконно-оптического коллимирующего устройства 10; d_Б - внешний диаметр корпуса 9 коллимирующего блока 8; r - радиус окружности размещения излучающих торцов 4 оптоволоконных выводов 3; d - диаметр центрального отверстия в главном оптическом зеркале 7; D - диаметр выходной апертуры излучателя оптической системы; L - расстояние от плоскости среза 31 корпуса 9 коллимирующего блока 8 до вторичного оптического зеркала 23; X, Y, Z - координаты положения элементов оптической системы; О - начало координат и вершина параболы главного оптического зеркала 7; L_min - минимальное расстояние плоскости среза 31 корпуса 9 коллимирующего блока 8 от вторичного оптического зеркала 23; М_Б(х_Б,у_Б) - точка с координатами (х_Б,у_Б) на фокальном радиусе-векторе точки параболы главного оптического зеркала 7; M₁(x₁,y₁) - точка с координатами (x₁,y₁) на отражающей вогнутой поверхности 27 главного оптического зеркала 7; М₂(х₂,у₂) - точка с координатами (х₂,у₂) на отражающей выпуклой поверхности 25 вторичного оптического зеркала 23; С₂ - одна из вершин треугольника ΔM₂C₂F₂ (образуется при пересечении вертикали, опущенной из точки М₂, с осью 26 вторичного оптического зеркала 23); β - угол между фокальным радиусом-вектором точки M₁ (или точки М₂) и центральной осью 6 оптической системы; O₂ - вершина параболы вторичного оптического зеркала 23; Δх - расстояние между точками O₂ и С₂, лежащими на оси 26 вторичного оптического зеркала 23; вид А приведен на фиг. 3.In FIG. Figure 1 shows a schematic optical diagram of a remote power transmission system based on high-power fiber lasers. In FIG. 1 marked: F ₁ - focus of the main optical mirror 7; F ₂ - focus of the secondary optical mirror 23; d _LP is the diameter of the laser beam 22 emerging from the fiber-optic collimating device 10; d _B - outer diameter of the body 9 of the collimating block 8; r is the radius of the circumference of the placement of the radiating ends 4 of the fiber optic leads 3; d is the diameter of the central hole in the main optical mirror 7; D is the diameter of the output aperture of the emitter of the optical system; L is the distance from the cut plane 31 of the housing 9 of the collimating unit 8 to the secondary optical mirror 23; X, Y, Z - coordinates of the position of the elements of the optical system; O - the origin and the top of the parabola of the main optical mirror 7; L _min - the minimum distance of the cut plane 31 of the body 9 of the collimating unit 8 from the secondary optical mirror 23; M _B (x _B ,y _B ) - point with coordinates (x _B ,y _B ) on the focal radius vector of the point of the parabola of the main optical mirror 7; M ₁ (x ₁ ,y ₁ ) - point with coordinates (x ₁ ,y ₁ ) on the reflective concave surface 27 of the main optical mirror 7; M ₂ (x ₂ y ₂ ) - point with coordinates (x ₂ y ₂ ) on the reflective convex surface 25 of the secondary optical mirror 23; C ₂ - one of the vertices of the triangle ΔM ₂ C ₂ F ₂ (formed at the intersection of the vertical dropped from the point M ₂ with the axis 26 of the secondary optical mirror 23); β is the angle between the focal radius vector of the point M ₁ (or point M ₂ ) and the central axis 6 of the optical system; O ₂ - top of the parabola of the secondary optical mirror 23; Δx - the distance between the points O ₂ and C ₂ lying on the axis 26 of the secondary optical mirror 23; view A is shown in Fig. 3.

На фиг. 2 приведен разрез коллимирующего блока 8, состоящего из волоконно-оптических коллимирующих устройств 10, включающих отрезок оптоволокна 11 оптоволоконного вывода 3, оконцованного оптическим разъемом 14, и асферическую линзу 15, снабженных системой терморегулирования 18 и механизмом перемещения 19 асферических линз 15. На фиг. 2 обозначено: d_Б - внешний диаметр корпуса 9 коллимирующего блока 8; d_К - внутренний диаметр корпуса 16 коллимирующего устройства 10; d_ЛП - диаметр пучка лазерного излучения 22 выходящего из волоконно-оптического коллимирующего устройства 10; f - расстояние между излучающим торцом 4 оптоволоконного вывода 3 и асферической линзой 15.In FIG. 2 shows a section of a collimating unit 8, consisting of fiber-optic collimating devices 10, including a piece of fiber 11 of the fiber-optic output 3, terminated by an optical connector 14, and an aspherical lens 15, equipped with a thermal control system 18 and a mechanism for moving 19 aspherical lenses 15. In Fig. 2 marked: d _B - outer diameter of the body 9 of the collimating block 8; d _K is the inner diameter of the body 16 of the collimating device 10; d _LP is the diameter of the laser beam 22 emerging from the fiber-optic collimating device 10; f is the distance between the radiating end 4 of the fiber optic output 3 and the aspherical lens 15.

На фиг. 3 приведен вид А, ранее упомянутый на фиг. 1, где d_Б - внешний диаметр корпуса 9 коллимирующего блока 8; d_Л - диаметр асферической линзы 15; r - радиус окружности размещения излучающих торцов 4 оптоволоконных выводов 3.In FIG. 3 shows view A previously mentioned in FIG. 1, where d _B is the outer diameter of the body 9 of the collimating block 8; d _L - diameter of the aspherical lens 15; r is the radius of the circumference of placement of radiating ends 4 of fiber optic leads 3.

На фиг. 4 приведены элементы коллимирующего устройства, где обозначено: α - апертурный угол - угол между осью 12 сердцевины 13 отрезка оптоволокна 11 и крайним лучом 33, являющимся предельным апертурным лучом одного из образующих светового конуса на выходе из сердцевины 13 отрезка оптоволокна 11; δ - диаметр сердцевины 13 оптоволоконного вывода 3; d_ЛП - диаметр пучка лазерного излучения 22 выходящего из волоконно-оптического коллимирующего устройства 10; F_Л - фокус асферической линзы 15; f_Л - фокусное расстояние асферической линзы 15; f - расстояние излучающего торца 4 оптоволоконного вывода 3 от асферической линзы 15; S^* - точечный источник; S - точечный источник (мнимый); Δ_S - расстояние излучающего торца 4 оптоволоконного вывода 3 от переднего фокуса асферической линзы 15 F_Л.In FIG. 4 shows the elements of the collimating device, where it is indicated: α - aperture angle - the angle between the axis 12 of the core 13 of the fiber segment 11 and the extreme beam 33, which is the limiting aperture beam of one of the generatrix of the light cone at the exit from the core 13 of the fiber segment 11; δ is the diameter of the core 13 of the fiber optic output 3; d _LP is the diameter of the laser beam 22 emerging from the fiber-optic collimating device 10; F _L - focus of the aspherical lens 15; f _L - focal length of the aspherical lens 15; f is the distance of the emitting end 4 of the fiber optic output 3 from the aspherical lens 15; S ^* - point source; S - point source (imaginary); Δ _S is the distance of the emitting end 4 of the fiber optic output 3 from the front focus of the aspherical lens 15 F _L .

На фиг. 5 приведена общая схема оптической системы дистанционной передачи энергии на базе мощных волоконных лазеров, где обозначено: F₁ - фокус главного оптического зеркала 7; F₂ - фокус вторичного оптического зеркала 23.In FIG. 5 shows a general diagram of an optical system for remote energy transmission based on high-power fiber lasers, where it is indicated: F ₁ - focus of the main optical mirror 7; F ₂ - focus of the secondary optical mirror 23.

Оптическая система дистанционной передачи энергии на базе мощных волоконных лазеров, включающая передающий лазерный комплекс 1, состоящий из n лазерных волоконных модулей 2, каждый с оптоволоконным выводом 3, причем излучающие торцы 4 оптоволоконных выводов 3 равномерно размещены в одной плоскости среза 5 по окружности радиуса r и перпендикулярны центральной оси оптической системы 6, проходящей через центр упомянутой окружности, оптическое зеркало 7, конструктивно связанное с системой наведения излучения, на которое падает излучение, отражаясь от него в виде суммарного излучения, при этом в нее введен коллимирующий блок 8, имеющий корпус 9 с внешним диаметром d_Б и состоящий из волоконно-оптических коллимирующих устройств 10, конструктивно их объединяющий, идентичных по конструкции и составу для каждого из n лазерных волоконных модулей 2 с длиной волны излучения λ, включающих отрезок оптоволокна 11 с осью 12 сердцевины 13 диаметром δ с показателем преломления n₁ и с числовой апертурой NA оптоволоконного вывода 3, оконцованного оптическим разъемом 14, и линзу 15, выполненную асферической с фокусом F_Л, фокусным расстоянием f_Л, установленную на расстоянии f от излучающего торца 4, с диаметром асферической линзы 15 d_Л, причем асферическая линза 15 установлена на границе плоскости среза 17 корпусов 16 упомянутых коллимирующих устройств 10, снабженных системой терморегулирования 18 и механизмом перемещения 19 асферических линз 15 вдоль центральной оси оптической системы 6, при этом главная оптическая ось 20 асферической линзы 15 совпадает с осью 12 сердцевины 13 отрезка оптоволокна 11, а центральная ось 21 коллимирующего блока 8 совпадает с центральной осью оптической системы 6, причем ось 12 сердцевины 13 отрезка оптоволокна И параллельна центральной оси оптической системы 6, при этом пучки лазерного излучения 22 диаметром d_ЛП, выходящие из волоконно-оптических коллимирующих устройств 10, падают на вторичное оптическое зеркало 23, конструктивно связанное с устройством сканирования 24, на его выпуклую поверхность 25, выполненную в виде параболоида вращения с фокусом F₂, ось 26 которого совпадает с центральной осью оптической системы 6, отражаясь от вторичного оптического зеркала 23 пучки лазерного излучения 22 падают на оптическое зеркало 7, являющееся главным оптическим зеркалом 7, на его вогнутую поверхность 27, выполненную в виде параболоида вращения, отражающую в свою очередь на плоскость изображения 28 малорасходящиеся пучки лазерного излучения 29, с фокусом F₁, совпадающим с F₂, ось 30 которого совпадает с центральной осью оптической системы 6, причем коллимирующий блок 8 с волоконно-оптическими коллимирующими устройствами 10, системой терморегулирования 18 и механизмом перемещения 19 линз 15 установлен в оптической системе через центральное круглое отверстие диаметром d в главном оптическим зеркале 7 так, что выполняется условие d≥d_Б, а плоскость среза 31 корпуса 9 коллимирующего блока 8, совпадающая с плоскостью среза 17 корпусов 16 упомянутых коллимирующих устройств 10, отстоит от вторичного оптического зеркала 23 на расстоянии L, при этом расстояние f асферической линзы 15 от излучающего торца 4 и ее диаметр d_Л, радиус r окружности размещения излучающих торцов 4 и внешний диаметр d_Б корпуса 9 коллимирующего блока 8, а также диаметр выходной апертуры излучателя оптической системы D и расстояние L отвечают соотношениям (1-6):An optical system for remote power transmission based on high-power fiber lasers, including a transmitting laser complex 1, consisting of n laser fiber modules 2, each with a fiber optic lead 3, and the emitting ends 4 of the fiber optic leads 3 are evenly placed in the same cut plane 5 along a circle of radius r and perpendicular to the central axis of the optical system 6, passing through the center of the mentioned circle, the optical mirror 7, structurally connected with the radiation guidance system, on which the radiation falls, being reflected from it in the form of total radiation, while a collimating unit 8 is introduced into it, having a housing 9 with external diameter d _B and consisting of fiber-optic collimating devices 10, structurally combining them, identical in design and composition for each of the n laser fiber modules 2 with a radiation wavelength λ, including a piece of fiber 11 with an axis 12 of a core 13 with a diameter of δ with an indicator refraction n ₁ and with a numerical aperture NA fiber optic output 3, terminated by an optical connector 14, and the lens 15, made aspherical with focus F _L , focal length f _L , installed at a distance f from the emitting end 4, with a diameter of the aspherical lens 15 d _L , and the aspherical lens 15 is installed on the border cut planes 17 of the housings 16 of said collimating devices 10, equipped with a thermal control system 18 and a mechanism for moving 19 aspherical lenses 15 along the central axis of the optical system 6, while the main optical axis 20 of the aspherical lens 15 coincides with the axis 12 of the core 13 of the fiber segment 11, and the central axis 21 of the collimating unit 8 coincides with the central axis of the optical system 6, and the axis 12 of the core 13 of the fiber segment And is parallel to the central axis of the optical system 6, while the laser beams 22 with a diameter d _LP coming out of the fiber optic collimating devices 10 fall on the secondary optical mirror 23, structurally connected with the device scanning device 24, onto its convex surface 25, made in the form of a paraboloid of revolution with focus F ₂ , the axis 26 of which coincides with the central axis of the optical system 6, reflected from the secondary optical mirror 23, laser radiation beams 22 fall on the optical mirror 7, which is the main optical mirror 7, onto its concave surface 27, made in the form of a paraboloid of revolution, which in turn reflects low-divergent beams of laser radiation 29 onto the image plane 28, with a focus F ₁ coinciding with F ₂ , the axis 30 of which coincides with the central axis of the optical system 6, moreover, the collimating unit 8 with fiber-optic collimating devices 10, the thermal control system 18 and the mechanism for moving 19 lenses 15 is installed in the optical system through a central round hole with a diameter d in the main optical mirror 7 so that the condition d≥d _B is met, and the cut plane 31 body 9 of the collimating unit 8, coinciding with the plane of the cut 17 body ov 16 of the mentioned collimating devices 10, is separated from the secondary optical mirror 23 at a distance L, while the distance f of the aspherical lens 15 from the radiating end 4 and its diameter d _L , the radius r of the circumference of the placement of the radiating ends 4 and the outer diameter d _B of the housing 9 of the collimating unit 8, as well as the diameter of the output aperture of the emitter of the optical system D and the distance L correspond to relations (1-6):

где d_К - внутренний диаметр корпуса 16 волоконно-оптических коллимирующих устройств 10;where d _K is the inner diameter of the body 16 of the fiber-optic collimating devices 10;

где h_К и h_Б - толщины стенки корпуса 16 коллимирующего устройства 10 и стенки корпуса 9 коллимирующего блока 8, соответственно.where h _K and h _B - wall thickness of the housing 16 of the collimating device 10 and the wall of the housing 9 of the collimating unit 8, respectively.

где h₂ - параметр, определяемый из соотношения:where h ₂ is a parameter determined from the relation:

a P₁ и Р₂ - фокальные параметры парабол, образованных пересечением плоскости YOX с параболоидами вращения с координатной осью ОХ и образующими отражающие вогнутую поверхность 27 главного оптического зеркала 7 и выпуклую поверхность 25 вторичного оптического зеркала 23, соответственно.a P ₁ and P ₂ - focal parameters of the parabolas formed by the intersection of the YOX plane with paraboloids of revolution with the coordinate axis OX and forming the reflective concave surface 27 of the main optical mirror 7 and the convex surface 25 of the secondary optical mirror 23, respectively.

Оптическая система дистанционной передачи энергии на базе мощных волоконных лазеров работает следующим образом.An optical system for remote energy transfer based on high-power fiber lasers operates as follows.

С помощью специальной системы поиска, слежения и наведения (ПСН) (на фиг. 1-5 не показано) осуществляется поиск, захват и удержание приемника лазерного излучения 38, установленного на воздушных или космических объектах, оснащенных, например, фотоэлектрическими приемными панелями (на фиг. 1-5 не показано), преобразующими лазерное излучение в электрический ток. Определение координат центра и слежение за центром приемника лазерного излучения 38 система ПСН ведет с помощью, например, опорных источников (на фиг. 1-5 не показано) и выдает данные в систему питания и управления (СПУ) (на фиг. 1-5 не показано), которая формирует команды для обеспечения "грубого" наведения оптической системы с главным оптическим зеркалом 7, например, с помощью поворотной платформы (на фиг. 1-5 не показано). После выполнения захвата и удержания приемника лазерного излучения 38 по сигналу от СПУ поступает управляющая команда на подачу электропитания передающему лазерному комплексу 1 для питания n мощных лазерных волоконных модулей 2, выполненных в виде генераторов излучения с определенной длиной волны λ. СПУ посредством электрических сигналов и команд управляет работой лазерной системы передачи энергии (ЛСПЭ), а также обеспечивает электропитание и заданный тепловой режим всей системы и ее составляющих. Каждый из n лазерных волоконных модулей 2 с длиной волны излучения λ генерирует когерентные электромагнитные волны, передаваемые по оптоволоконному выводу 3 в оптическую систему формирования и точного наведения суммарного излучения, состоящего из m, где m=n, малорасходящихся пучков лазерного излучения 29, на плоскость изображения 28 (фиг. 5), совмещая ее с плоскостью приемника лазерного излучения 38 (фиг. 5), например, с фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП). С началом работы и в процессе работы лазерных волоконных модулей 2 от системы диагностики состояния (на фиг. 1-5 не показано) ЛСПЭ поступает информация в СПУ о состоянии элементов оптической системы, в частности по температурным параметрам от системы терморегулирования 18, и выдачи информационных сигналов о готовности, отказе или нештатном режиме работы оптической системы для выработки и принятия управляющих команд. Мощное когерентное электромагнитное излучение оптического диапазона, генерируемое излучателем каждого из n лазерного волоконного модуля 2 распространяется по оптоволоконному выводу 3 благодаря явлению полного внутреннего отражения. Показатель преломления n₁ сердцевины 13, соответствующий длине волны излучения λ лазерных волоконных модулей 2, обычно имеет величину всегда немного большую, чем показатель преломления n₂ оптической оболочки 37 оптоволоконного вывода 3. Поэтому световые волны, распространяющиеся в сердцевине 13 под углом, не превышающим критическое значение, претерпевают полное внутреннее отражение от оптической оболочки 37. Путем многократных переотражений от оболочки 37 эти волны распространяются по оптоволоконному выводу 3, выходя через его излучающий торец 4 в среду (воздух или космическое пространство) с показателем преломления n₀<n₁ [Специальные волоконные световоды: учеб. пособие / Д.Б. Шумкова, А.Е. Левченко. - Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2011. - 178 с. С. 9]. При этом в оптическую систему введен коллимирующий блок 8, имеющий корпус 9 с внешним диаметром d_Б и состоящий из волоконно-оптических коллимирующих устройств 10, конструктивно их объединяющий, идентичных по конструкции и составу для каждого из n лазерных волоконных модулей 2 с длиной волны излучения λ, включающих отрезок оптоволокна 11 с осью 12 сердцевины 13 диаметром δ с показателем преломления n₁ и с числовой апертурой NA оптоволоконного вывода 3, оконцованного оптическим разъемом 14, и линзу 15, выполненную асферической с фокусом F_Л, фокусным расстоянием f_Л, установленную на расстоянии f от излучающего торца 4, с диаметром асферической линзы 15 d_Л, причем асферическая линза 15 установлена на границе плоскости среза 17 корпусов 16 упомянутых коллимирующих устройств 10, снабженных системой терморегулирования 18, как приведено на фиг. 2, и механизмом перемещения 19 асферических линз 15 вдоль центральной оси оптической системы 6, как приведено на фиг. 1-2. При этом главная оптическая ось 20 асферической линзы 15 совпадает с осью 12 сердцевины 13 отрезка оптоволокна 11, а центральная ось 21 коллимирующего блока 8 совпадает с центральной осью оптической системы 6, причем ось 12 сердцевины 13 отрезка оптоволокна 11 параллельна центральной оси оптической системы 6. Причем излучающие торцы 4 оптоволоконных выводов 3 равномерно размещены в одной плоскости среза 5 по окружности радиуса r и перпендикулярны центральной оси оптической системы 6, проходящей через центр упомянутой окружности, как приведено на фиг. 3. Мощное электромагнитное излучение, исходящее из сердцевины 13 отрезка оптоволокна 11, как из точечного источника S^* (фиг. 4) лазерного излучения на оси 12 сердцевины 13 отрезка оптоволокна 11, падает на плоскость излучающего торца 4 оптоволоконного вывода 3. Электромагнитные волны на границе двух сред (плоскость излучающего торца 4), попадая из более плотной среды (материал сердцевины 13, с показателем преломления n₁) в менее плотную (воздух или космическое пространство с показателем преломления n₀), т.е. n₁>n₀, испытывают преломление, вызванное тем, что скорости распространения волн в этих средах различны. Продолжение лучей (определяющих положение сферического фронта преломленной волны) расходящегося пучка пересекаются в точке S, являющейся мнимым изображением точки S^* и находящейся от излучающего торца 4 на расстоянии Δ_S. Расходящийся пучок лазерного излучения 22, выходящий из точечного источника света S (фиг. 4), находящегося на главной оптической оси 20 асферической линзы 15 в ее фокусе F_Л, выходит через излучающий торец 4 оптоволоконного вывода 3 в виде конического светового пучка с крайними лучами 33, 34, являющимися предельными апертурными лучами с углом 2α, и падает на линзу 15 коллимирующего устройства 10 (фиг. 4). При этом асферическая линза 15 в составе коллимирующего устройства 10 установлена так, что ее главная оптическая ось 20 перпендикулярна излучающему торцу 4 оптоволоконного вывода 3. Асферическая поверхность 2-го порядка с симметрией относительно главной оптической оси 20 асферической линзы 15 изменяет ход крайних лучей 33, 34 расходящегося лазерного пучка, 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 15 происходит преобразование излучения с расходящимся сферическим волновым фронтом, исходящим как из точечного источника S, находящегося в фокусе асферической линзы 15 (f_Л=F_Л) на главной оптической оси 20, в плоскую преломленную волну [https://ru.wikipedia.org/wiki/Асферическая_линза]. В результате излучение выходит из волоконно-оптического коллимирующего устройства 10 в виде пучка лазерного излучения 22 с параллельными лучами. После чего пучки лазерного излучения 22 диаметром d_ЛП, выходящие из волоконно-оптических коллимирующих устройств 10, падают на вторичное оптическое зеркало 23, конструктивно связанное с устройством сканирования 24 (фиг. 1), на его выпуклую поверхность 25, выполненную в виде параболоида вращения с фокусом F₂, ось 26 которого совпадает с центральной осью оптической системы 6. Для каждого пучка лазерного излучения 22 в результате отражения света вторичное оптическое зеркало 23 преобразует плоский волновой фронт в расходящийся сферический фронт, распространяющийся, как от мнимого точечного источника - фокуса F₂ (фиг. 1). Пучок лазерного излучения 22 от каждого лазерного волоконного модуля 2, отражаясь от выпуклой поверхности 25 вторичного оптического зеркала 23 расходящимся сферическим фронтом с крайними лучами 35, 36 падает на оптическое зеркало 7, являющееся главным оптическим зеркалом 7, на его вогнутую поверхность 27, выполненную в виде параболоида вращения. Вогнутая поверхность 27, с фокусом F₁, совпадающим с F₂, отражает в свою очередь на плоскость изображения 28 малорасходящиеся пучки лазерного излучения 29. Причем, ось 30 главного оптического зеркала 7 совпадает с центральной осью оптической системы 6. Главное оптическое зеркало 7, в результате отражения расходящегося сферического волнового фронта, распространяющегося как из точечного источника, фокуса F₂ совпадающего с фокусом F₁, преобразует сферическую волну в плоскую отраженную волну, т.е. лучи, для каждого лазерного волоконного модуля 2, после отражения от параболического главного оптического зеркала 7 идут параллельно друг другу, не пересекаются, или, как говорят, пересекаются на бесконечности. Причем коллимирующий блок 8 с волоконно-оптическими коллимирующими устройствами 10, системой терморегулирования 18 и механизмом перемещения 19 линз 15 установлен в оптической системе через центральное круглое отверстие диаметром d в главном оптическим зеркале 7 так, что выполняется условие d≥d_Б, а плоскость среза 31 корпуса 9 коллимирующего блока 8, совпадающая с плоскостью среза 17 корпусов 16 упомянутых коллимирующих устройств 10, отстоит от вторичного оптического зеркала 23 на расстоянии L, при этом расстояние f асферической линзы 15 от излучающего торца 4 оптоволоконного вывода 3 и ее диаметр d_Л, радиус r окружности размещения излучающих торцов 4 и внешний диаметр d_Б корпуса 9 коллимирующего блока 8, а также диаметр выходной апертуры излучателя оптической системы D и расстояние L отвечают соотношениям (1-6):With the help of a special search, tracking and guidance system (PSN) (not shown in Figs. 1-5), the search, capture and retention of the laser radiation receiver 38, installed on air or space objects, equipped, for example, with photoelectric receiving panels (Fig. . 1-5 not shown), converting laser radiation into electric current. Determining the coordinates of the center and tracking the center of the laser radiation receiver 38, the PSN system leads using, for example, reference sources (not shown in Fig. 1-5) and outputs data to the power and control system (SPU) (not shown in Fig. 1-5). shown), which generates commands to provide a "rough" guidance of the optical system with the main optical mirror 7, for example, using a turntable (not shown in Fig. 1-5). After capturing and holding the laser radiation receiver 38, a signal from the STC sends a control command to supply power to the transmitting laser complex 1 to power n powerful laser fiber modules 2, made in the form of radiation generators with a certain wavelength λ. The STC, by means of electrical signals and commands, controls the operation of the laser power transmission system (LETS), and also provides power supply and a given thermal regime for the entire system and its components. Each of the n laser fiber modules 2 with a radiation wavelength λ generates coherent electromagnetic waves transmitted through the fiber optic output 3 to the optical system for the formation and precise guidance of the total radiation, consisting of m, where m=n, low-divergent beams of laser radiation 29, on the image plane 28 (Fig. 5), combining it with the plane of the laser radiation receiver 38 (Fig. 5), for example, with photoelectric converters (PVCs). With the start of work and during operation of the laser fiber modules 2 from the state diagnostic system (not shown in Fig. 1-5), the LSPE receives information in the SPU about the state of the elements of the optical system, in particular, on temperature parameters from the thermal control system 18, and the issuance of information signals about the readiness, failure or abnormal operation of the optical system for the development and acceptance of control commands. Powerful coherent electromagnetic radiation of the optical range generated by the emitter of each of the n laser fiber module 2 propagates through the fiber optic output 3 due to the phenomenon of total internal reflection. The refractive index n _{1 of} the core 13, corresponding to the radiation wavelength λ of the laser fiber modules 2, usually has a value always slightly larger than the refractive index n _{2 of} the optical cladding 37 of the fiber optic lead 3. Therefore, light waves propagating in the core 13 at an angle not exceeding the critical value, undergo total internal reflection from the optical shell 37. By multiple re-reflections from the shell 37, these waves propagate along the fiber optic output 3, exiting through its emitting end 4 into the medium (air or outer space) with a refractive index n ₀ <n ₁ [Special fiber light guides: textbook. allowance / D.B. Shumkova, A.E. Levchenko. - Perm: Publishing House of Perm. nat. research polytechnic un-ta, 2011. - 178 p. S. 9]. At the same time, a collimating unit 8 is introduced into the optical system, having a housing 9 with an outer diameter d _B and consisting of fiber-optic collimating devices 10, structurally combining them, identical in design and composition for each of n laser fiber modules 2 with a radiation wavelength λ , including a piece of optical fiber 11 with an axis 12 of the core 13 with a diameter δ with a refractive index n ₁ and with a numerical aperture NA of the fiber optic output 3 terminated by an optical connector 14, and a lens 15 made aspherical with a focus F _L , a focal length f _L , installed at a distance f from the radiating end 4, with the diameter of the aspherical lens 15 d _L , and the aspherical lens 15 is installed on the border of the cut plane 17 of the housings 16 of the mentioned collimating devices 10, equipped with a thermal control system 18, as shown in FIG. 2 and a mechanism for moving 19 aspherical lenses 15 along the central axis of the optical system 6, as shown in FIG. 1-2. In this case, the main optical axis 20 of the aspherical lens 15 coincides with the axis 12 of the core 13 of the fiber segment 11, and the central axis 21 of the collimating unit 8 coincides with the central axis of the optical system 6, and the axis 12 of the core 13 of the fiber segment 11 is parallel to the central axis of the optical system 6. Moreover, radiating ends 4 of fiber optic leads 3 are evenly placed in the same cut plane 5 along a circle of radius r and are perpendicular to the central axis of the optical system 6 passing through the center of said circle, as shown in FIG. 3. Powerful electromagnetic radiation emanating from the core 13 of the fiber optic segment 11, as from a point source S ^* (Fig. 4) of laser radiation on the axis 12 of the core 13 of the fiber optic segment 11, falls on the plane of the radiating end 4 of the fiber optic output 3. Electromagnetic waves at the boundary two media (the plane of the radiating end 4), falling from a denser medium (core material 13, with a refractive index n ₁ ) into a less dense one (air or outer space with a refractive index n ₀ ), i.e. n ₁ >n ₀ experience refraction due to the fact that the speeds of wave propagation in these media are different. The continuation of the rays (determining the position of the spherical front of the refracted wave) of the diverging beam intersect at the point S, which is an imaginary image of the point S ^* and located from the radiating end 4 at a distance Δ _S . A divergent beam of laser radiation 22 coming out of a point light source S (Fig. 4), located on the main optical axis 20 of the aspherical lens 15 at its focus F _L , exits through the radiating end 4 of the fiber optic output 3 in the form of a conical light beam with extreme beams 33 , 34, which are limiting aperture rays with an angle of 2α, and falls on the lens 15 of the collimating device 10 (Fig. 4). In this case, the aspherical lens 15 as part of the collimating device 10 is installed so that its main optical axis 20 is perpendicular to the radiating end 4 of the fiber optic output 3. The aspherical surface of the 2nd order with symmetry about the main optical axis 20 of the aspherical lens 15 changes the path of the extreme rays 33, 34 divergent laser beam without affecting the course of paraxial rays, which allows you to create additional opportunities for building an optical system and correct aberrations [Physical Encyclopedic Dictionary. Moscow, "Soviet Encyclopedia", 1983, p. 35]. When the wave front passes in the direction from the proximal to the distal surface of the aspherical lens 15, the radiation is converted with a divergent spherical wave front emanating from both a point source S located at the focus of the aspherical lens 15 (f _L =F _L ) on the main optical axis 20, into plane refracted wave [https://ru.wikipedia.org/wiki/Aspherical_lens]. As a result, the radiation exits the fiber optic collimating device 10 in the form of a laser beam 22 with parallel beams. After that, the laser radiation beams 22 with a diameter d _LP coming out of the fiber-optic collimating devices 10 fall on the secondary optical mirror 23, which is structurally connected with the scanning device 24 (Fig. 1), on its convex surface 25, made in the form of a paraboloid of revolution with focus F ₂ , axis 26 of which coincides with the central axis of the optical system 6. For each beam of laser radiation 22, as a result of light reflection, the secondary optical mirror 23 converts a flat wave front into a divergent spherical front propagating as from an imaginary point source - focus F ₂ ( Fig. 1). The beam of laser radiation 22 from each laser fiber module 2, reflected from the convex surface 25 of the secondary optical mirror 23 by a divergent spherical front with extreme beams 35, 36, falls on the optical mirror 7, which is the main optical mirror 7, on its concave surface 27, made in the form paraboloid of revolution. The concave surface 27, with focus F ₁ coinciding with F ₂ , reflects, in turn, low-divergent beams of laser radiation 29 onto the image plane 28. Moreover, the axis 30 of the main optical mirror 7 coincides with the central axis of the optical system 6. The main optical mirror 7, in As a result of the reflection of a divergent spherical wave front propagating as from a point source, the focus F ₂ coinciding with the focus F ₁ transforms the spherical wave into a plane reflected wave, i.e. the beams, for each laser fiber module 2, after reflection from the parabolic main optical mirror 7 run parallel to each other, do not intersect, or are said to intersect at infinity. Moreover, the collimating unit 8 with fiber-optic collimating devices 10, the thermal control system 18 and the mechanism for moving 19 lenses 15 is installed in the optical system through a central round hole with a diameter d in the main optical mirror 7 so that the condition d≥d _B is met, and the cut plane 31 body 9 of the collimating unit 8, coinciding with the cut plane 17 of the bodies 16 of the said collimating devices 10, is separated from the secondary optical mirror 23 at a distance L, while the distance f of the aspherical lens 15 from the radiating end face 4 of the fiber optic output 3 and its diameter d _L , radius r the circumference of placement of the emitting ends 4 and the outer diameter _dB of the body 9 of the collimating unit 8, as well as the diameter of the output aperture of the emitter of the optical system D and the distance L correspond to the relations (1-6):

где d_К - внутренний диаметр корпуса 16 волоконно-оптических коллимирующих устройств 10;where d _K is the inner diameter of the body 16 of the fiber-optic collimating devices 10;

где h_К и h_Б - толщины стенки корпуса 16 коллимирующего устройства 10 и стенки корпуса 9 коллимирующего блока 8, соответственно.where h _K and h _B - wall thickness of the housing 16 of the collimating device 10 and the wall of the housing 9 of the collimating unit 8, respectively.

где h₂ - параметр, определяемый из соотношения:where h ₂ is a parameter determined from the relation:

a P₁ и Р₂ - фокальные параметры парабол, образованных пересечением плоскости YOX с параболоидами вращения с координатной осью ОХ и образующими отражающие вогнутую поверхность 27 главного оптического зеркала 7 и выпуклую поверхность 25 вторичного оптического зеркала 23, соответственно.a P ₁ and P ₂ - focal parameters of the parabolas formed by the intersection of the YOX plane with paraboloids of revolution with the coordinate axis OX and forming the reflective concave surface 27 of the main optical mirror 7 and the convex surface 25 of the secondary optical mirror 23, respectively.

Параболическое главное оптическое зеркало 7, ось 30 которого совпадает с центральной осью оптической системы 6, конструктивно связано с устройством "грубого" наведения (на фиг. 1-5 не показано) суммарного излучения на приемник лазерного излучения 38. Причем, суммарное излучение состоит из пучков лазерного излучения 29 от n лазерных волоконных модулей 2. Обнаружение приемника лазерного излучения 38 и наведение на него суммарного излучения малорасходящихся пучков лазерного излучения 29 осуществляют механическим устройством "грубого" наведения с помощью специальной системы поиска, слежения и наведения (ПСН) (на фиг. 1-5 не показано). Механическое устройство "грубого" наведения ПСН может быть выполнено, например, в виде опорно-поворотной платформы, на которой установлена конструкция оптической системы с главным оптическим зеркалом 7. Причем наводят суммарное излучение малорасходящихся пучков лазерного излучения 29 с диаметром выходной апертуры излучателя D так, чтобы центральная ось оптической системы 6, совпадающая с осью 30 главного оптического зеркала 7, была направлена нормально в геометрический центр, например, панелей фотоэлектрического приемника-преобразователя (ФПП) (на фиг. 1-5 не показано), причем для характерного размера приемника лазерного излучения 38 D_ПР должно быть верно соотношение D_ПР≥D. Для облегчения обнаружения приемника лазерного излучения 38 по командам и сигналам системы питания и управления (СПУ) при наведении могут быть использованы, например, уголковые отражатели (на фиг. 1-5 не показано), установленные на приемнике лазерного излучения 38. После "грубого" наведения выполняют точное наведение суммарного излучения малорасходящихся пучков лазерного излучения 29, с диаметром выходной апертуры излучателя D, совмещая плоскость изображения 28 с плоскостью приемника лазерного излучения 38, например панелей ФПП, внутренним перемещением m пучков лазерного излучения 29 в рассматриваемой оптической системе. Управляя отклонением суммарного излучения на выходе из оптической системы от начального (нулевого) положения, осуществляют точное наведение суммарного пучка излучения, т.е. фокусировку и сканирование изображения на плоскости приемника лазерного излучения 38 по командам и управляющим сигналам от системы СПУ, поступающим соответственно механизму перемещения 19 асферических линз 15 и устройству сканирования 24. С помощью механизма перемещения 19 линз 15 вдоль центральной оси оптической системы 6 (по координате X) осуществляется фокусировка изображения. СПУ обеспечивает работу механизма перемещения 19 и контролирует положение линз 15 относительно плоскости среза 5 излучающих торцов 4 оптоволоконных выводов 3 с помощью встроенных в механизм перемещения 19 датчиков перемещения (на фиг. 1-5 не показано). С помощью устройства сканирования 24, включающего подвижную платформу (на фиг. 1-5 не показано) с вторичным оптическим зеркалом 23, осуществляются наклоны платформы по углам ϕz и ϕу, как показано на фиг. 1. Таким образом, однокоординатное перемещение (X) линз 15 и перемещение подвижного вторичного оптического зеркала 23 в двух поперечных направлениях (Z, Y) позволяют осуществлять соответственно точную фокусировку и сканирование изображения на приемнике лазерного излучения 38.The parabolic main optical mirror 7, the axis 30 of which coincides with the central axis of the optical system 6, is structurally connected with the "rough" pointing device (not shown in Figs. 1-5) of the total radiation to the laser radiation receiver 38. Moreover, the total radiation consists of beams laser radiation 29 from n laser fiber modules 2. Detection of the receiver of laser radiation 38 and aiming at it the total radiation of low-divergent beams of laser radiation 29 is carried out by a mechanical device for "coarse" guidance using a special search, tracking and guidance system (PSN) (in Fig. 1 -5 not shown). The mechanical device for "rough" guidance of the PSN can be made, for example, in the form of a turntable, on which the design of the optical system with the main optical mirror 7 is installed. Moreover, the total radiation of low-divergent laser radiation beams 29 with a diameter of the output aperture of the emitter D is induced so that the central axis of the optical system 6, coinciding with the axis 30 of the main optical mirror 7, was directed normally to the geometric center, for example, of the panels of the photoelectric receiver-converter (FPP) (not shown in Figs. 1-5), and for the characteristic size of the laser radiation receiver 38 D _PR must be true ratio D _PR ≥D. To facilitate the detection of the laser radiation receiver 38 by the commands and signals of the power and control system (SPU) when pointing, for example, corner reflectors (not shown in Fig. 1-5) mounted on the laser radiation receiver 38 can be used. guidance perform accurate guidance of the total radiation of low-divergent laser beams 29, with a diameter of the output aperture of the emitter D, combining the image plane 28 with the plane of the laser radiation receiver 38, for example, FPP panels, by internal displacement m of laser beams 29 in the considered optical system. By controlling the deviation of the total radiation at the output of the optical system from the initial (zero) position, the exact guidance of the total radiation beam is carried out, i.e. focusing and scanning of the image on the plane of the laser radiation receiver 38 according to commands and control signals from the STC system, received respectively by the movement mechanism 19 of the aspherical lenses 15 and the scanning device 24. Using the movement mechanism 19 of the lenses 15 along the central axis of the optical system 6 (along the X coordinate) the image is focused. The SPU ensures the operation of the movement mechanism 19 and controls the position of the lenses 15 relative to the cut plane 5 of the radiating ends 4 of the fiber optic leads 3 using the displacement sensors built into the movement mechanism 19 (not shown in Figs. 1-5). Using the scanning device 24, which includes a movable platform (not shown in Figs. 1-5) with a secondary optical mirror 23, the platform is tilted along the angles ϕz and ϕy, as shown in Figs. 1. Thus, the one-coordinate movement (X) of the lenses 15 and the movement of the movable secondary optical mirror 23 in two transverse directions (Z, Y) allow, respectively, accurate focusing and scanning of the image on the laser radiation receiver 38.

Приведем расчетный пример проектирования оптической системы дистанционной передачи энергии на базе мощных волоконных лазеров, сочетающих в себе свойства собственно генераторов излучения (лазерных диодов), усилителей излучения и высокоэффективных световодов.Let us give a calculation example of designing an optical system for remote energy transmission based on high-power fiber lasers that combine the properties of radiation generators themselves (laser diodes), radiation amplifiers, and high-performance optical fibers.

Нужно отметить, что в данном техническом решении рассматривается двухзеркальная оптическая система с несферическими отражающими поверхностями, а именно используются зеркала в виде параболоидов вращения - главное оптическое зеркало 7 и вторичное оптическое зеркало 23. 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]. В предлагаемом техническом решении рассмотрено осевое размещение зеркал - оптическая схема Максутова-Кассегрена [https://ru.wikipedia.org/wiki/ Зеркально-линзовые оптические системы], [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].It should be noted that in this technical solution, a two-mirror optical system with non-spherical reflecting surfaces is considered, namely, mirrors in the form of paraboloids of revolution are used - the main optical mirror 7 and the secondary optical mirror 23. The advantage of mirrors in comparison with prisms and lenses is: less weight, simplicity constructions, a lower value of introduced aberrations (including the absence of chromatism in mirrors with external reflection), the exclusion of requirements for a number of quality indicators of the material of mirrors with external reflection, as well as the possibility of creating large-sized mirrors [S.M. Latiev. Designing precise (optical) instruments. Chapter 8, paragraph 8.4. MIRRORS with. 354-364, https://ozlib.com/813864/tehnika/zerkala]. The use of non-spherical surfaces in optical systems makes it possible to more effectively 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 near-ideal image of an infinitely distant axial point [N.P. Zakaznov, S.I. Kiryushin, V.N. Kuzichev. Theory of optical systems. 3rd ed. M.: Mashinostroenie, 1992. p. 357]. The proposed technical solution considers the axial placement of mirrors - the Maksutov-Cassegrain optical scheme [https://ru.wikipedia.org/wiki/ Mirror-lens optical systems], [Chapter Four. complex telescopes. http://www.old.astronomer.ru/data/library/books/sikoruk/glava4/4_1.htm], [G.S. Landsberg. Optics. Fifth edition. From "Nauka", Moscow 1976, p. 335].

Нужно отметить, что в данном техническом решении рассматривается оптическая система дистанционной передачи энергии на базе мощных волоконных лазеров непрерывного действия, которые разрабатываются как зарубежными международными компаниями типа группы «IPG Photonics Corporation», так и в России. ООО НТО «ИРЭ-Полюс» является основателем и одной из базовых компаний научно-технической Группы «IPG Photonics Corporation», выполняющих серийный выпуск мощных промышленных волоконных лазеров [https://www.prostanki.com/board/item/302296 Иттербиевые одномодовые лазеры непрерывного действия]. Разрабатываются в настоящее время в России отечественные волоконные высокомощные лазеры с предельно высоким качеством излучения на собственной элементной базе, как, например, опубликовано в [Д.В. Кулаков, А.В. Галеев, А.А. Колегов, А.В. Исаев, А.В. Загидулин. / Одномодовый волоконный лазер мощностью 2 кВт. // Российский Федеральный Ядерный Центр Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Технической Физики имени академика Е.И. Забабахина «РФЯЦ-ВНИИТФ» https://rfl18.iae.nsk.su>articles>015.Кулаков.pdf], [А.А. Колегов, Е.Г. Акулинин, Е.А. Белов, А.В. Загидулин, Д.В. Кулаков, А.В. Галеев, ФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ им. академика Е.И. Забабахина»; Н.В. Буров, В.Б. Ромашова, И.А. Цибизов, А.А. Акимов, Д.С. Свяжина, АО «ЛЛС» / ОДНОМОДОВЫЙ ВОЛОКОННЫЙ ЛАЗЕР С ВЫСОКИМ КАЧЕСТВОМ ПУЧКА И МОЩНОСТЬЮ 1 КВТ - СОВМЕСТНАЯ РАЗРАБОТКА АО «ЛЛС» И ФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ ИМ. АКАДЕМИКА Е.И. ЗАБАБАХИНА» // Источник: журнал "РИТМ машиностроения" №1-2020, https://lenlasers.ru/news/stati/odnomodovyy-volokonnyy-lazer/].It should be noted that this technical solution considers an optical system for remote power transmission based on high-power continuous-wave fiber lasers, which are being developed both by foreign international companies such as the IPG Photonics Corporation group, and in Russia. NTO IRE-Polus LLC is the founder and one of the base companies of the scientific and technical Group "IPG Photonics Corporation", which performs serial production of high-power industrial fiber lasers [https://www.prostanki.com/board/item/302296 Ytterbium single-mode lasers continuous action]. At present, domestic high-power fiber lasers with an extremely high quality of radiation on their own element base are being developed in Russia, as, for example, published in [D.V. Kulakov, A.V. Galeev, A.A. Kolegov, A.V. Isaev, A.V. Zagidulin. / Single-mode fiber laser with a power of 2 kW. // Russian Federal Nuclear Center All-Russian Research Institute of Technical Physics named after Academician E.I. Zababakhin "RFNC-VNIITF" https://rfl18.iae.nsk.su>articles>015.Kulakov.pdf], [A.A. Kolegov, E.G. Akulinin, E.A. Belov, A.V. Zagidulin, D.V. Kulakov, A.V. Galeev, Federal State Unitary Enterprise RFNC-VNIITF im. Academician E.I. Zababakhin"; N.V. Burov, V.B. Romashova, I.A. Tsibizov, A.A. Akimov, D.S. Svyazina, JSC "LLS" / SINGLE-MODE FIBER LASER WITH HIGH BEAM QUALITY AND POWER OF 1 KW - JOINT DEVELOPMENT OF JSC "LLS" AND FSUE "RFNC-VNIITF IM. ACADEMIC E.I. ZABABAKHINA // Source: RHYTHM Machine Building magazine No. 1-2020, https://lenlasers.ru/news/stati/odnomodovyy-volokonnyy-lazer/].

Для рассматриваемого примера проектируем оптическую систему, включающую передающий лазерный комплекс 1, состоящий из мощных лазерных волоконных модулей 2 в количестве n=4, типа иттербиевого волоконного лазера, производитель, например, IPG Photonics (Россия) [https://www.stankoff.ru/product/11234/itterbievyiy-volokonnyiy-lazer-lk-1000], с характерными параметрами: диапазон рабочих температур от 0 до 45°С; максимальная выходная мощность W=1000 Вт; потребляемая мощность 3200 Вт [http://промкаталог.рф/PublicDocuments/1304289.pdf, с. 31]. Положим, что каждый из четырех лазерных волоконных модулей 2, типа иттербиевого волоконного лазера, генерируют инфракрасное излучение с длиной волны λ=1070 нм и каждый выполнен с оптоволоконным выводом 3, как, например, приведенные в [YLR-Series User Guide - Halk.ru Руководство Пользователя (серия ЛК) 130514 (1)], [QBH-кабель для волоконных лазеров высокой мощности от Lightel, https://sphotonics.ru/news/2018/41086/] одномодовые световоды с выходным оптическим коннектором типа QBH. Причем мощные лазерные волоконные модули 2 и оптические разъемы 14 оптоволоконных выводов 3 к ним снабжены системой терморегулирования 18 в силу оганичения рабочих температур, как приведено, например, в [YLR-Series User Guide - Halk.ru Руководство Пользователя (серия ЛК) 130514], [https://sphotonics.ru/news/2018/41086/, QBH-кабель для волоконных лазеров высокой мощности от Lightel]. Нужно отметить, что система терморегулирования 18 рассматриваемых составных частей (лазерный волоконный модуль 2, волоконно-оптическое коллимирующее устройство 10) может быть как активной (с прокачкой теплоносителя в контуре системы терморегулирования 18), так и пассивной, как рассмотрено, например, в технических решениях [Патент RU 2716591 С1, МПК B64G 1/50 (2006.01), опубликован 13.03.2020], [Патент RU 2725116 С1, МПК B64G 1/50 (2006.01), опубликован 29.06.2020] с использованием тепловых труб.For the example under consideration, we design an optical system that includes a transmitting laser complex 1, consisting of powerful laser fiber modules 2 in the amount of n=4, such as an ytterbium fiber laser, manufacturer, for example, IPG Photonics (Russia) [https://www.stankoff.ru /product/11234/itterbievyiy-volokonnyiy-lazer-lk-1000], with characteristic parameters: operating temperature range from 0 to 45°С; maximum output power W=1000 W; power consumption 3200 W [http://promcatalogue.rf/PublicDocuments/1304289.pdf, p. 31]. Assume that each of the four laser fiber modules 2, such as ytterbium fiber laser, generate infrared radiation with a wavelength of λ=1070 nm and each is made with a fiber optic output 3, such as those given in [YLR-Series User Guide - Halk.ru User Manual (LK series) 130514 (1)], [QBH cable for high power fiber lasers from Lightel, https://sphotonics.ru/news/2018/41086/] single-mode optical fibers with a QBH type optical output connector. Moreover, high-power laser fiber modules 2 and optical connectors 14 of fiber-optic outputs 3 to them are equipped with a thermal control system 18 due to the limitation of operating temperatures, as given, for example, in [YLR-Series User Guide - Halk.ru User Guide (LK series) 130514], [https://sphotonics.ru/news/2018/41086/, QBH cable for high power fiber lasers from Lightel]. It should be noted that the thermal control system 18 of the components under consideration (laser fiber module 2, fiber-optic collimating device 10) can be either active (with coolant pumping in the thermal control system loop 18) or passive, as considered, for example, in technical solutions [Patent RU 2716591 C1, IPC B64G 1/50 (2006.01), published 03/13/2020], [Patent RU 2725116 C1, IPC B64G 1/50 (2006.01), published 06/29/2020] using heat pipes.

Мощное когерентное электромагнитное излучение оптического диапазона генерируемое каждым лазерным волоконным модулем 2 распространяется по оптоволоконному выводу 3 благодаря явлению полного внутреннего отражения. Показатель преломления n₁ сердцевины 13 оптоволоконного вывода 3, обычно имеющий величину от 1,4 до 1,5 всегда немного больше, чем показатель преломления n₂ оптической оболочки 37 (разница порядка 1%) [Компоненты оптоволоконных систем в промышленности / http://infiber.ru/biblioteka/stati/optical_fiber.html]. Положим, что для выбранного волоконного лазерного модуля 2, генерирующего инфракрасное излучение с длиной волны λ=1070 нм, выбран материал сердцевины 13 оптоволоконного вывода 3 соответствующий показателю преломления n₁=1,4. Поэтому световые волны, распространяющиеся в сердцевине 13 под углом, не превышающим некоторое критическое значение, претерпевают полное внутреннее отражение от оптической оболочки 37. Путем многократных переотражений от оболочки 37 эти волны распространяются по оптоволоконному выводу 3, выходя через излучающий торец 4. Причем излучающие торцы 4 оптоволоконных выводов 3 равномерно размещены в одной плоскости среза 5 по окружности радиуса r и перпендикулярны центральной оси оптической системы 6, проходящей через центр упомянутой окружности, как приведено на фиг. 1 и 3. В проектируемую оптическую систему введен коллимирующий блок 8, имеющий корпус 9 с внешним диаметром d_Б и состоящий из волоконно-оптических коллимирующих устройств 10, конструктивно их объединяющий, идентичных по конструкции и составу для каждого из четырех лазерных волоконных модулей 2 с длиной волны излучения λ=1070 нм. Положим, что каждое волоконно-оптическое коллимирующее устройство 10 включает отрезок оптоволокна 11 оптоволоконного вывода 3 с осью 12 сердцевины 13 диаметром δ (положим δ=0,02 мм) с показателем преломления n₁=1,4 и с числовой апертурой NA (положим NA=0,06), оконцованного оптическим разъемом 14. Как, например, рассмотренные в публикациях наиболее известные и доступные стандартные разъемы типа оптического коннектора QBH [Способ и узел крепления оптического коннектора в коллимирующем устройстве волоконного лазера. / Патент RU 2480797 С1, МПК G02B 6/36, опубликован 27.04.2013], [YLR-Series User Guide - Halk.ru Руководство Пользователя (серия ЛК) 130514], предусматривающие систему охлаждения. Кроме того, каждое волоконно-оптическое коллимирующее устройство 10 включает асферическую линзу 15, главная оптическая ось 20 которой совпадает с осью 12 сердцевины 13 отрезка оптоволокна 11. В качестве линзы 15 выбираем плоско-выпуклую асферическую линзу 15, типа линз, приведенных в [ASL10142-1064-AutoCADPDF], [Патент RU 2663121 С1, МПК: G01S 17/88 (2006.01), F41G 3/22 (2006.01), опубликован 07.08.2018]. Предположим выбираем асферическую линзу 15 с фокусным расстоянием f_Л=100 мм и диаметром d_Л=25 мм. Устанавливаем линзу 15 в коллимирующем устройстве 10 от излучающего торца 4 на расстоянии f, которое определим из соотношения (1):Powerful coherent electromagnetic radiation of the optical range generated by each laser fiber module 2 propagates through the fiber optic output 3 due to the phenomenon of total internal reflection. The refractive index n _{1 of} the core 13 of the optical fiber terminal 3, usually having a value of 1.4 to 1.5, is always slightly larger than the refractive index n _{2 of} the optical cladding 37 (a difference of the order of 1%) [Components of optical fiber systems in industry / http: // infiber.ru/biblioteka/stati/optical_fiber.html]. Let us assume that for the selected fiber laser module 2, which generates infrared radiation with a wavelength of λ=1070 nm, the material of the core 13 of the fiber optic output 3 corresponding to the refractive index n ₁ =1.4 is selected. Therefore, light waves propagating in the core 13 at an angle not exceeding a certain critical value undergo total internal reflection from the optical cladding 37. Through multiple re-reflections from the cladding 37, these waves propagate along the fiber optic output 3, exiting through the radiating end 4. Moreover, the radiating ends 4 fiber optic leads 3 are evenly placed in the same cut plane 5 along a circle of radius r and are perpendicular to the central axis of the optical system 6 passing through the center of said circle, as shown in FIG. 1 and 3. A collimating unit 8 is introduced into the designed optical system, having a housing 9 with an outer diameter d _B and consisting of fiber-optic collimating devices 10, structurally combining them, identical in design and composition for each of the four laser fiber modules 2 with a length radiation waves λ=1070 nm. Let us assume that each fiber-optic collimating device 10 includes a piece of fiber 11 of the fiber-optic output 3 with the axis 12 of the core 13 with a diameter δ (let δ=0.02 mm) with a refractive index n ₁ =1.4 and with a numerical aperture NA (let NA =0.06) terminated with an optical connector 14. As, for example, the most well-known and available standard connectors of the QBH optical connector type discussed in publications [Method and attachment of an optical connector in a fiber laser collimating device. / Patent RU 2480797 C1, IPC G02B 6/36, published 04/27/2013], [YLR-Series User Guide - Halk.ru User Guide (LK series) 130514], providing for a cooling system. In addition, each fiber optic collimating device 10 includes an aspherical lens 15, the main optical axis 20 of which coincides with the axis 12 of the core 13 of the fiber segment 11. As the lens 15, we select a plano-convex aspherical lens 15, such as the lenses shown in [ASL10142- 1064-AutoCADPDF], [Patent RU 2663121 C1, IPC: G01S 17/88 (2006.01), F41G 3/22 (2006.01), published 08/07/2018]. Suppose we choose an aspherical lens 15 with a focal length f _L =100 mm and a diameter d _L =25 mm. We install the lens 15 in the collimating device 10 from the emitting end 4 at a distance f, which is determined from relation (1):

Причем асферическая линза 15 установлена на границе плоскости среза 17 корпусов 16 с внутренним диаметром d_К упомянутых коллимирующих устройств 10, снабженных системой терморегулирования 18 и механизмом перемещения 19 асферических линз 15 вдоль центральной оси оптической системы 6, при этом главная оптическая ось 20 асферической линзы 15 совпадает с осью 12 сердцевины 13 отрезка оптоволокна 11, а центральная ось 21 коллимирующего блока 8 совпадает с центральной осью оптической системы 6.Moreover, the aspherical lens 15 is installed on the border of the cut plane 17 of the housings 16 with an inner diameter d _K of the mentioned collimating devices 10, equipped with a thermal control system 18 and a mechanism for moving 19 aspherical lenses 15 along the central axis of the optical system 6, while the main optical axis 20 of the aspherical lens 15 coincides with the axis 12 of the core 13 of the fiber segment 11, and the central axis 21 of the collimating block 8 coincides with the central axis of the optical system 6.

Положим, выбрали внутренний диаметр корпуса 16 коллимирующего устройства 10 d_К=28 мм, исходя из геометрических размеров выбранной асферической линзы 15, а именно диаметра d_Л, с учетом, в частности, ее оправы, что отвечает соотношению (2):Let us assume that we have chosen the inner diameter of the housing 16 of the collimating device 10 d _K =28 mm, based on the geometric dimensions of the selected aspherical lens 15, namely the diameter d _L , taking into account, in particular, its frame, which corresponds to relation (2):

или

or

Как видно из фиг. 2 и фиг. 3, для проектируемой оптической системы, с принятыми четырьмя лазерными волоконными модулями 2 (n=4), радиус окружности r размещения излучающих торцов 4 и внешний диаметр d_Б корпуса 9 коллимирующего блока 8 должны удовлетворять соотношению (3):As can be seen from FIG. 2 and FIG. 3, for the designed optical system with four laser fiber modules 2 (n=4) adopted, the radius of the circle r for the placement of emitting ends 4 and the outer diameter _dB of the body 9 of the collimating unit 8 must satisfy the relation (3):

где h_К и h_Б - толщины стенки корпуса 16 коллимирующего устройства 10 и стенки корпуса 9 коллимирующего блока 8, соответственно.where h _K and h _B - wall thickness of the housing 16 of the collimating device 10 and the wall of the housing 9 of the collimating unit 8, respectively.

Примем толщину стенки корпуса 16 коллимирующего устройства 10 h_К=0,5 мм, а толщину стенки корпуса 9 коллимирующего блока 8 h_Б=0,5 мм.Let us take the wall thickness of the housing 16 of the collimating device 10 h _K =0.5 mm, and the wall thickness of the housing 9 of the collimating unit 8 h _B =0.5 mm.

В соответствии с соотношением (3), определим минимальные размеры r и d_Б, т.е. r^min и d_Б ^min, соответственно.In accordance with relation (3), we determine the minimum dimensions r and d _B , i.e. r ^min and d _B ^min , respectively.

В соответствии с соотношением (3) и полученными минимальными размерами r и d_Б, примем r=25 мм и d_Б=85 мм.In accordance with relation (3) and the obtained minimum dimensions r and d _B , we take r=25 mm and d _B =85 mm.

Причем ось 12 сердцевины 13 отрезка оптоволокна 11 параллельна центральной оси оптической системы 6, при этом пучки лазерного излучения 22 диаметром d_ЛП, выходящие из волоконно-оптических коллимирующих устройств 10, падают на вторичное оптическое зеркало 23. Диаметр пучка лазерного излучения 22 d_ЛП определим, как очевидно из фиг. 4, из соотношения:Moreover, the axis 12 of the core 13 of the fiber segment 11 is parallel to the central axis of the optical system 6, while the laser radiation beams 22 with a diameter d _LP coming out of the fiber-optic collimating devices 10 fall on the secondary optical mirror 23. The diameter of the laser beam 22 d _LP is determined, as is evident from FIG. 4, from the ratio:

а диаметр D₂ вторичного оптического зеркала 23 определим, как очевидно из фиг. 1, из соотношения:and the diameter D _{2 of} the secondary optical mirror 23 is determined, as is evident from FIG. 1, from the ratio:

Вторичное оптическое зеркало 23 конструктивно связано с устройством сканирования 24, а его выпуклая поверхность 25, на которую падают пучки лазерного излучения 22, выполнена в виде параболоида вращения с фокусом F₂, ось 26 которого совпадает с центральной осью оптической системы 6. Вторичное оптическое зеркало 23, на которое направлены пучки лазерного излучения 22, выходящие из коллимирующего блока 8, выполняем, например, из материала представляющего композит АКК «Скелетон» (алмаз/карбид кремния (АКК), получаемый в вакуумной печи из промышленных марок алмазных порошков, пропитанных жидким кремнием) [С.М. Латыев. Конструирование точных (оптических) приборов. Глава 8, п. 8.4. ЗЕРКАЛА с. 354-364 https://ozlib.com/813864/tehnika/zerkala]. Следует отметить, что в отличие от традиционных материалов как оптическое стекло, например, марки ЛК-7 [Физические величины. Справочник под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. С. 770], АКК «Скелетон» по удельной жесткости уступает лишь монокристаллам алмаза, а высокие теплопроводность (650 Вт/(мК), которая 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. Пучки лазерного излучения 22 с параллельными лучами отражаются от вторичного оптического зеркала 23, преобразуются в сферический волновой фронт с крайними лучами 35 и 36 и падают на оптическое зеркало 7, являющееся главным оптическим зеркалом 7, на его вогнутую поверхность 27, выполненную в виде параболоида вращения, с фокусом F₁, совпадающим с F₂, ось 30 которого совпадает с центральной осью оптической системы 6. Причем, выполняем главное оптическое зеркало 7 из материала, представляющего композит АКК «Скелетон», аналогичного рассмотренному выше для вторичного оптического зеркала 23 со специальным конструкционным покрытием на рабочей поверхности главного оптического зеркала 7, аналогично как и у вторичного оптического зеркала 23. В результате отражения происходит преобразование сферического волнового фронта с крайними лучами 35 и 36 в плоскую волну, где характерные лучи в виде малорасходящихся пучков лазерного излучения 29 идут параллельно друг другу на плоскость изображения 28. Причем ось 30 главного оптического зеркала 7 совпадает с центральной осью оптической системы 6. Главное оптическое зеркало 7 в результате отражения расходящегося сферического волнового фронта, распространяющегося из точки - фокуса F₂, совпадающего с фокусом F₁, как из мнимого изображения точечного источника лазерного излучения S, для каждого лазерного волоконного модуля 2 преобразует сферическую волну в плоскую отраженную волну, т.е. лучи после отражения от параболического главного оптического зеркала 7 идут параллельно друг другу, не пересекаются т.е. пересекаются на бесконечности. Причем коллимирующий блок 8 с волоконно-оптическими коллимирующими устройствами 10, системой терморегулирования 18 и механизмом перемещения 19 линз 15 устанавливаем в оптической системе через центральное круглое отверстие диаметром d, которое примем d=85 мм, в главном оптическим зеркале 7 так, чтобы выполнялось условие d≥d_Б, где d_Б=80 мм.The secondary optical mirror 23 is structurally connected with the scanning device 24, and its convex surface 25, on which laser beams 22 fall, is made in the form of a paraboloid of revolution with focus F ₂ , the axis 26 of which coincides with the central axis of the optical system 6. Secondary optical mirror 23 , to which the laser radiation beams 22 are directed, coming out of the collimating unit 8, we perform, for example, from a material representing the composite ACC "Skeleton" (diamond / silicon carbide (ACC), obtained in a vacuum furnace from industrial grades of diamond powders impregnated with liquid silicon) [CM. Latiev. Designing precise (optical) instruments. Chapter 8, paragraph 8.4. MIRRORS with. 354-364 https://ozlib.com/813864/tehnika/zerkala]. It should be noted that, unlike traditional materials such as optical glass, for example, brand LK-7 [Physical quantities. Handbook, ed. I.S. Grigorieva, E.Z. Meilikhov. M .: Energoatomizdat, 1991. S. 770], ACC "Skeleton" in terms of specific rigidity is inferior only to diamond single crystals, and high thermal conductivity (650 W / (mK), which is higher than that of copper), and thermal diffusivity (320 m ² / c) ensure the uniformity of temperature fields in mirrors and its rapid thermal relaxation, which allows it to have the temperature stability of the best ultra-low expanding materials. These characteristics make it possible to create mirrors with qualitatively new service properties from this material. Special structural coatings (glass, copper, nickel, chromium, etc.) are applied to the working surface of the mirror, which are then brought and polished to optical quality. Beams of laser radiation 22 with parallel beams are reflected from the secondary optical mirror 23, converted into a spherical wave front with extreme beams 35 and 36 and fall on the optical mirror 7, which is the main optical mirror 7, on its concave surface 27, made in the form of a paraboloid of revolution, with focus F ₁ coinciding with F ₂ , the axis 30 of which coincides with the central axis of the optical system 6. Moreover, the main optical mirror 7 is made of a material representing the ACC "Skeleton" composite, similar to that discussed above for the secondary optical mirror 23 with a special structural coating on the working surface of the main optical mirror 7, similarly to that of the secondary optical mirror 23. As a result of reflection, the spherical wave front with the extreme rays 35 and 36 is transformed into a plane wave, where the characteristic rays in the form of low-divergent beams of laser radiation 29 go parallel to each other on image plane 28. P Moreover, the axis 30 of the main optical mirror 7 coincides with the central axis of the optical system 6. The main optical mirror 7 as a result of the reflection of a divergent spherical wave front propagating from the focus point F ₂ coinciding with the focus F ₁ as from a virtual image of a point source of laser radiation S , for each laser fiber module 2 converts the spherical wave into a plane reflected wave, i.e. the rays after reflection from the parabolic main optical mirror 7 run parallel to each other, do not intersect, i.e. intersect at infinity. Moreover, the collimating unit 8 with fiber-optic collimating devices 10, the thermal control system 18 and the mechanism for moving 19 lenses 15 is installed in the optical system through a central round hole with a diameter d, which we will take d = 85 mm, in the main optical mirror 7 so that the condition d ≥d _B , where d _B =80 mm.

Проектируемая двухзеркальная оптическая система выполнена с фокальными параметрами парабол Р₁ и Р₂ (положим P₁=1000 мм и Р₂=200 мм), образованных пересечением плоскости YOX с параболоидами вращения с координатной осью ОХ и образующими отражающие вогнутую поверхность 27 главного оптического зеркала 7 и выпуклую поверхность 25 вторичного оптического зеркала 23.The projected two-mirror optical system is made with focal parameters of parabolas Р ₁ and Р ₂ (we put P ₁ =1000 mm and Р ₂ =200 mm), formed by the intersection of the YOX plane with paraboloids of revolution with the coordinate axis OX and forming the reflecting concave surface 27 of the main optical mirror 7 and convex surface 25 of the secondary optical mirror 23.

Причем в проектируемой оптической системе коллимирующий блок 8, установленный с плоскостью среза 31 корпуса 9, совпадающей с плоскостью среза 17 корпусов 16 упомянутых коллимирующих устройств 10, отстоит от вторичного оптического зеркала 23 на расстоянии L, удовлетворяющем соотношению (5):Moreover, in the designed optical system, the collimating unit 8, installed with the cut plane 31 of the housing 9, coinciding with the cut plane 17 of the housings 16 of the said collimating devices 10, is separated from the secondary optical mirror 23 at a distance L that satisfies relation (5):

где h₂ - параметр, определяемый из соотношения (6):where h ₂ is a parameter determined from relation (6):

Откуда выбираем L=120 мм, что удовлетворяет условию (5).From where we choose L=120 mm, which satisfies condition (5).

Диаметр выходной апертуры излучателя D проектируемой оптической системы дистанционной передачи энергии на базе мощных волоконных лазеров определим из соотношения (4):The diameter of the emitter output aperture D of the projected optical system for remote energy transfer based on high-power fiber lasers is determined from relation (4):

А диаметр D₁ главного оптического зеркала 7 определим, как очевидно из фиг. 1, из соотношения: D₁>D=310 мм.And the diameter D _{1 of} the main optical mirror 7 is determined, as is obvious from FIG. 1, from the ratio: D ₁ >D=310 mm.

Необходимо отметить, что при проектировании конструкции двухзеркальной оптической системы, при известных размерах диаметров зеркал D₁ и D₂, нужно учитывать конструкцию их оправ.It should be noted that when designing the design of a two-mirror optical system, with known mirror diameters D ₁ and D ₂ , the design of their frames must be taken into account.

Зная полученные при проектировании оптической системы геометрические параметры: f=99,8 мм, f_Л=100 мм, d_Л=25 мм, L=120 мм, d_Б=80 мм, d=85 мм, P₁=1000 мм и Р₂=200 мм, можно в первом приближении, как это видно из фиг. 1, оценить габаритные размеры корпуса 9 коллимирующего блока 8, а именно его длину L_Б≈(250-300) мм.Knowing the geometric parameters obtained during the design of the optical system: f = 99.8 mm, f _L = 100 mm, d _L = 25 mm, L = 120 mm, d _B = 80 mm, d = 85 mm, P ₁ = 1000 mm and P ₂ =200 mm, as a first approximation, as can be seen from Fig. 1, to estimate the overall dimensions of the body 9 of the collimating unit 8, namely its length L _B ≈ (250-300) mm.

Параболическое главное оптическое зеркало 7, ось 30 которого совпадает с центральной осью оптической системы 6, конструктивно связано с устройством "грубого" наведения (на фиг. 1-5 не показано) суммарного излучения на приемник лазерного излучения 38. Причем, суммарное излучение состоит из пучков лазерного излучения 29 от четырех (n=4) лазерных волоконных модулей 2. Обнаружение приемника лазерного излучения 38, наведение на него суммарного излучения малорасходящихся пучков лазерного излучения 29, а также захват и удержание приемника лазерного излучения 38 осуществляют с помощью специальной системы поиска, слежения и наведения (ПСН) (на фиг. 1-5 не показано). Определяются координаты центра приемника лазерного излучения 38, которые выдаются в систему питания и управления (СПУ). СПУ формирует команды для обеспечения двухэтапного наведения: "грубого" (с помощью поворотной платформы с определенной точностью) и точного (с помощью точного наведения пучков лазерного излучения 29 в предлагаемой оптической системе). Механическое устройство "грубого" наведения ПСН может быть выполнено, например, в виде опорно-поворотной платформы, на которой установлена конструкция оптической системы с главным оптическим зеркалом 7. Причем, наводят суммарное излучение малорасходящихся пучков лазерного излучения 29 с диаметром выходной апертуры излучателя D=310 мм так, чтобы центральная ось оптической системы 6, совпадающая с осью 30 главного оптического зеркала 7, была направлена нормально в геометрический центр приемника лазерного излучения 38, например, панелей фотоэлектрического приемника-преобразователя (ФПП) (на фиг. 1-5 не показано). Причем для характерного размера приемника лазерного излучения 38 D_ПР должно быть верно соотношение D_ПР≥D=310 мм. После захвата и удержания приемника лазерного излучения 38 выполняется подтверждение захвата, которое обеспечивается фиксацией отраженного, например, от уголковых отражателей (на фиг. 1-5 не показано), установленных на приемнике лазерного излучения 38, пилотного лазерного луча малой мощности (на фиг. 1-5 не показано) от передающего лазерного комплекса 1. После чего по сигналам и командам СПУ, поступающим в передающий лазерный комплекс 1, включаются основные источники лазерного излучения - четыре лазерных волоконных модуля 2 с максимальной суммарной выходной оптической мощностью ∑W=4000 Вт и выполняется сеанс дистанционной передачи энергии определенной длительности. Суммарный пучок лазерного излучения 29, сформированный предлагаемой оптической системой (диаметр выходной апертуры излучателя оптической системы D=310 мм), удерживается на приемнике лазерного излучения 38 благодаря совместной работе рассматриваемой оптической системы, ПСН, СПУ и поворотной платформы, при обеспечении необходимого температурного режима всех систем, в частности лазерных волоконных модулей 2 и волоконно-оптических коллимирующих устройств 10 коллимирующего блока 8. Как отмечено выше, после "грубого" наведения выполняют точное наведение суммарного излучения малорасходящихся пучков лазерного излучения 29, с диаметром выходной апертуры излучателя D=310 мм, совмещая плоскость изображения 28 с плоскостью приемника лазерного излучения 38, например панелей ФПП, внутренним перемещением четырех (m=4) пучков лазерного излучения 29 в рассматриваемой оптической системе. Управляя отклонением суммарного излучения на выходе из оптической системы от начального (нулевого) положения, осуществляют точное наведение излучения, т.е. фокусировку и сканирование изображения на плоскости приемника лазерного излучения 38 по командам и управляющим сигналам от системы СПУ, поступающим соответственно механизму перемещения 19 асферических линз 15 и устройству сканирования 24. Для каждого лазерного волоконного модуля 2, с помощью механизма перемещения 19 асферических линз 15 вдоль центральной оси оптической системы 6 (по координате X, фиг. 1) осуществляется фокусировка изображения предмета, которым является точечный источник излучения (точка S, фиг. 4), исходящий из сердцевины 13 оптоволоконного вывода 3 и размещенный на оси 12 сердцевины 13 отрезка оптоволокна 11, которая совмещена с главной оптической осью 20 асферической линзы 15. СПУ обеспечивает работу механизма перемещения 19 и контролирует положение линз 15 относительно плоскости среза 5 излучающих торцов 4 оптоволоконных выводов 3 с помощью встроенных в механизм перемещения 19 датчиков перемещения (на фиг. 1-5 не показано). Причем механизм перемещения 19 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/]. Вторичное зеркало 23 конструктивно связано с устройством сканирования 24 и может быть выполнено, например, на основе моторизированного двухосевого кинематического пьезоэлектрического нанопозиционера [Моторизированный двух осевой (XY) кинематический пьезоэлектрический нанопозиционер QNP2-100-XYA, http://www.phcloud.ru, производитель: Aerotech, Inc.]. С помощью устройства сканирования 24, включающего подвижную платформу (на фиг. 1-5 не показано) с вторичным оптическим зеркалом 23, осуществляются наклоны платформы по углам ϕz и ϕу, как показано на фиг. 1. Таким образом, однокоординатное перемещение (X) линз 15 и перемещение подвижного вторичного оптического зеркала 23 в двух поперечных направлениях (Z, Y) позволяют осуществлять соответственно точную фокусировку и сканирование изображения на приемнике лазерного излучения 38.The parabolic main optical mirror 7, the axis 30 of which coincides with the central axis of the optical system 6, is structurally connected with the "rough" pointing device (not shown in Figs. 1-5) of the total radiation to the laser radiation receiver 38. Moreover, the total radiation consists of beams laser radiation 29 from four (n=4) laser fiber modules 2. Detection of the laser radiation receiver 38, aiming at it the total radiation of low-divergent beams of laser radiation 29, as well as capturing and holding the laser radiation receiver 38 is carried out using a special search, tracking and guidance (PSN) (not shown in Fig. 1-5). Determined by the coordinates of the center of the receiver of laser radiation 38, which are issued to the power supply and control system (SPU). SPU generates commands to provide two-stage guidance: "coarse" (using a turntable with a certain accuracy) and accurate (using precise guidance of laser beams 29 in the proposed optical system). The mechanical device for "rough" guidance of the PSN can be made, for example, in the form of a turntable, on which the design of the optical system with the main optical mirror 7 is installed. mm so that the central axis of the optical system 6, coinciding with the axis 30 of the main optical mirror 7, was directed normally to the geometric center of the laser radiation receiver 38, for example, panels of a photoelectric receiver-converter (FPP) (not shown in Fig. 1-5) . Moreover, for the characteristic size of the laser radiation receiver 38 D _PR , the ratio D _PR ≥D=310 mm must be true. After capturing and holding the laser radiation receiver 38, the capture confirmation is performed, which is ensured by fixing the low-power pilot laser beam reflected, for example, from corner reflectors (not shown in Fig. 1-5) mounted on the laser radiation receiver 38 (in Fig. 1 -5 not shown) from the transmitting laser complex 1. After that, according to the signals and commands of the STC arriving at the transmitting laser complex 1, the main sources of laser radiation are switched on - four laser fiber modules 2 with a maximum total output optical power ∑W=4000 W and performed a session of remote energy transfer of a certain duration. The total beam of laser radiation 29, formed by the proposed optical system (diameter of the output aperture of the emitter of the optical system D=310 mm), is held at the receiver of laser radiation 38 due to the joint work of the considered optical system, PSN, SPU and turntable, while providing the necessary temperature conditions for all systems , in particular, laser fiber modules 2 and fiber-optic collimating devices 10 of the collimating unit 8. As noted above, after "rough" pointing, fine pointing of the total radiation of low-divergent laser beams 29 is performed, with a diameter of the output aperture of the emitter D=310 mm, aligning the plane images 28 with the plane of the receiver of laser radiation 38, such as panels FPP, internal movement of four (m=4) beams of laser radiation 29 in the considered optical system. By controlling the deviation of the total radiation at the output of the optical system from the initial (zero) position, the radiation is precisely guided, i.e. focusing and scanning of the image on the plane of the laser radiation receiver 38 according to commands and control signals from the SPU system, received respectively by the mechanism for moving 19 aspherical lenses 15 and the scanning device 24. For each laser fiber module 2, using the mechanism for moving 19 aspherical lenses 15 along the central axis optical system 6 (along the X coordinate, Fig. 1) focuses the image of the object, which is a point source of radiation (point S, Fig. 4), coming from the core 13 of the fiber optic output 3 and placed on the axis 12 of the core 13 of the fiber 11, which is aligned with the main optical axis 20 of the aspherical lens 15. The SPU ensures the operation of the movement mechanism 19 and controls the position of the lenses 15 relative to the cut plane 5 of the radiating ends 4 of the fiber optic leads 3 using the movement sensors 19 built into the movement mechanism (not shown in Figs. 1-5) . Moreover, the movement mechanism 19 can be made on the basis of a precision stepping single-coordinate piezo positioner, including software that allows you to manage and control the main parameters of the movement of the piezo positioner [Piezo positioner for nanofocusing. http://www.eurotek-general.com], [Linear piezo platforms. http://www.innfocus.ru/ru/catalog/photonics_c/pozicionery/physik-instrumente-pi/linejnye-pezoplatformy/]. The secondary mirror 23 is structurally connected with the scanning device 24 and can be performed, for example, on the basis of a motorized two-axis (XY) kinematic piezoelectric nanopositioner QNP2-100-XYA, http://www.phcloud.ru, manufacturer : Aerotech, Inc.]. Using the scanning device 24, which includes a movable platform (not shown in Figs. 1-5) with a secondary optical mirror 23, the platform is tilted along the angles ϕz and ϕy, as shown in Figs. 1. Thus, the one-coordinate movement (X) of the lenses 15 and the movement of the movable secondary optical mirror 23 in two transverse directions (Z, Y) allow, respectively, accurate focusing and scanning of the image on the laser radiation receiver 38.

Приведем вывод выражений (1-6), определяющих основные геометрические соотношения и технические характеристики, необходимые при конструкторской проработке проектируемой оптической системы дистанционной передачи энергии на базе мощных волоконных лазеров.We present the derivation of expressions (1-6), which determine the basic geometric relationships and technical characteristics necessary for the design study of the projected optical system for remote energy transmission based on high-power fiber lasers.

Мощное электромагнитное излучение, исходящее из сердцевины 13 отрезка оптоволокна 11, как из точечного источника S^* (фиг. 4), падает на плоскость излучающего торца 4 оптоволоконного вывода 3 с предельным углом γ из более плотной среды (материал сердцевины 13, с показателем преломления n₁) в менее плотную (воздух или космическое пространство с показателем преломления n₀), т.е. n₁>n₀, испытывают преломление (фиг. 4). В результате расходящийся пучок лазерного излучения 22, выходящий как из точечного источника света S, являющегося мнимым изображением точечного источника S^* и находящегося на главной оптической оси 20 асферической линзы 15 в ее фокусе F_Л, выходит через излучающий торец 4 оптоволоконного вывода 3 в виде конического светового пучка, с крайними лучами 33, 34, являющимися предельными апертурными лучами с углом 2α (фиг. 4), и падает на линзу 15 коллимирующего устройства 10. При этом известно, что числовая апертура оптоволокна по определению отвечает соотношению NA=n₀⋅sinα, где n₀=1 - показатель преломления воздуха или космического пространства, α - максимальный угол между оптической осью 12 сердцевины 13 отрезка оптоволокна 11 оптоволоконного вывода 3 и лучом, под которым он выходит из излучающего торца 4, перпендикулярного к его оптической оси 12 [В.А. Дьяков, Л.В. Тарасов. Оптическое когерентное излучение. М.: Советское радио, 1974, с. 117]. Причем, чем больше NA, тем выше степень расходимости лазерного пучка, выходящего через излучающий торец 4 сердцевины 13 оптоволоконного вывода 3. В соответствии с законом Снеллиуса [Специальные волоконные световоды: учеб. пособие / Д.Б. Шумкова, А.Е. Левченко. - Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2011. - 178 с. С. 13]:Powerful electromagnetic radiation emanating from the core 13 of the fiber 11, as from a point source S ^* (Fig. 4), falls on the plane of the radiating end 4 of the fiber optic output 3 with a limiting angle γ from a denser medium (the material of the core 13, with a refractive index n ₁ ) to a less dense one (air or outer space with a refractive index n ₀ ), i.e. n ₁ >n ₀ experience refraction (Fig. 4). As a result, the divergent beam of laser radiation 22, coming out as from a point source of light S, which is a virtual image of a point source S ^* and located on the main optical axis 20 of the aspherical lens 15 at its focus F _L , exits through the emitting end 4 of the fiber optic output 3 in the form of a conical of the light beam, with extreme rays 33, 34, which are the limiting aperture rays with an angle of 2α (Fig. 4), and falls on the lens 15 of the collimating device 10. It is known that the numerical aperture of the optical fiber, by definition, corresponds to the relation NA=n ₀ ⋅sinα , where n ₀ =1 is the refractive index of air or outer space, α is the maximum angle between the optical axis 12 of the core 13 of the fiber segment 11 of the fiber optic output 3 and the beam under which it emerges from the radiating end 4, perpendicular to its optical axis 12 [B .AND. Dyakov, L.V. Tarasov. Optical coherent radiation. M.: Soviet radio, 1974, p. 117]. Moreover, the more NA, the higher the degree of divergence of the laser beam emerging through the radiating end 4 of the core 13 of the fiber optic output 3. In accordance with Snell's law [Special fiber optics: textbook. allowance / D.B. Shumkova, A.E. Levchenko. - Perm: Publishing House of Perm. nat. research polytechnic un-ta, 2011. - 178 p. P. 13]:

Как следует из фиг. 4, верно соотношение:As follows from FIG. 4, the ratio is correct:

Учитывая (7) и (8), определяем Δ_S, т.е. расстояние излучающего торца 4 оптоволоконного вывода 3 от переднего фокуса асферической линзы 15 F_Л:Taking into account (7) and (8), we determine Δ _S , i.e. distance of the emitting end 4 of the fiber optic output 3 from the front focus of the aspherical lens 15 F _L :

Пользуясь соотношением (9) для определения Δ_S и известным фокусным расстоянием f_Л асферической линзы 15, определяем f=f_Л-Δ_S, откуда получаем соотношение (1) для определения расстояния f излучающего торца 4 оптоволоконного вывода 3 от асферической линзы 15.Using relation (9) to determine Δ _S and the known focal length f _L of the aspherical lens 15, we determine f=f _L -Δ _S , from which we obtain relation (1) to determine the distance f of the radiating end 4 of the fiber optic output 3 from the aspherical lens 15.

Как видно из фиг. 1 и фиг. 4, расходящийся пучок лазерного излучения 22 выходит через излучающий торец 4 оптоволоконного вывода 3 в виде конического светового пучка с крайними лучами 33, 34, являющимися предельными апертурными лучами с углом 2α, и падает на линзу 15 коллимирующего устройства 10 (фиг. 4). Диаметр пучка лазерного излучения 22 d_ЛП (фиг. 4) определим, используя соотношение (1) для определения f при известных характеристиках оптоволоконного вывода 3 (диаметр δ сердцевины 3 и числовая апертура NA), из соотношения:As can be seen from FIG. 1 and FIG. 4, the divergent beam of laser radiation 22 emerges through the emitting end 4 of the fiber optic lead 3 in the form of a conical light beam with extreme beams 33, 34, which are limiting aperture beams with an angle of 2α, and falls on the lens 15 of the collimating device 10 (Fig. 4). The diameter of the laser beam 22 d _LP (Fig. 4) is determined using relation (1) to determine f with known characteristics of the fiber optic output 3 (diameter δ of the core 3 and numerical aperture NA), from the relation:

Исходя из геометрических размеров выбранной асферической линзы 15 с диаметром d_Л и соответствующему ей внутреннему диаметру d_К корпуса 16 коллимирующего устройства 10, как видно из фиг. 2 диаметр d_Л, с учетом в частности ее оправы, должен отвечать соотношению:Based on the geometric dimensions of the selected aspherical lens 15 with a diameter _dL and the corresponding inner diameter dK of _the body 16 of the collimating device 10, as can be seen from FIG. 2 diameter d _L , taking into account in particular its frame, must meet the ratio:

или из (11), с учетом (10), получаем соотношение (2):or from (11), taking into account (10), we obtain relation (2):

Как видно из фиг. 2 и 3, для проектируемой оптической системы с четырьмя лазерными волоконными модулями 2 (n=4), радиус окружности r размещения излучающих торцов 4 и внешний диаметр d_Б корпуса 9 коллимирующего блока 8 очевидно должны удовлетворять соотношению (3):As can be seen from FIG. 2 and 3, for the designed optical system with four laser fiber modules 2 (n=4), the radius of the circle r for the placement of emitting ends 4 and the outer diameter _dB of the body 9 of the collimating unit 8 must obviously satisfy the relation (3):

где h_К и h_Б - толщины стенки корпуса 16 коллимирующего устройства 10 и стенки корпуса 9 коллимирующего блока 8, соответственно.where h _K and h _B - wall thickness of the housing 16 of the collimating device 10 and the wall of the housing 9 of the collimating unit 8, respectively.

Вывод соотношений (4-5) вытекает из определения и основных свойств парабол, образованных пересечением плоскости XOY (фиг. 1) с параболоидами вращения с координатной осью ОХ и образующими отражающие вогнутую поверхность 27 главного оптического зеркала 7 и выпуклую поверхность 25 вторичного оптического зеркала 23 [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]. Для одного из лазерных волоконных модулей 2 с оптоволоконным выводом 3, определим координаты точек пересечения M₁(x₁, y₁) и М₂(х₂, у₂) парабол главного оптического зеркала 7 и вторичного оптического зеркала 23 с фокальным радиусом-вектором, совпадающем с центральным лучом 32 (фиг. 1), исходящим из точки S (фиг. 4) лежащей на оси 12 сердцевины 13 отрезка оптоволокна 11 и совпадающей с главной оптической осью 20 асферической линзы 15, точек M₁ и М₂ упомянутых парабол. Полагая известным радиус r окружности размещения излучающих торцов 4 оптоволоконных выводов 3, как видно из фиг. 1, центральный луч 32, который совпадает с главной оптической осью 20 асферической линзы 15, падает на параболу вторичного оптического зеркала 23 в точку М₂(х₂, у₂), с координатой у₂=r, отражаясь от него под углом β к центральной оси оптической системы 6.The derivation of relations (4-5) follows from the definition and basic properties of parabolas formed by the intersection of the XOY plane (Fig. 1) with paraboloids of revolution with the coordinate axis OX and forming the reflecting concave surface 27 of the main optical mirror 7 and the convex surface 25 of the secondary optical mirror 23 [ Bronstein I.N., Semendyaev K.A. Handbook of mathematics for engineers and students of higher educational institutions. Ed. recycled. Edited by G. Grosche and W. Ziegler. Joint publication. Teubner Publishing House Leipzig, Moscow Nauka, Ch. ed. Phys.-Math. lit., 1981. p. 244]. For one of the laser fiber modules 2 with fiber optic output 3, we determine the coordinates of the intersection points M ₁ (x ₁ , y ₁ ) and M ₂ (x ₂ , y ₂ ) of the parabolas of the main optical mirror 7 and the secondary optical mirror 23 with a focal radius vector , coinciding with the central beam 32 (Fig. 1), emanating from the point S (Fig. 4) lying on the axis 12 of the core 13 of the fiber segment 11 and coinciding with the main optical axis 20 of the aspherical lens 15, points M ₁ and M ₂ mentioned parabolas. Assuming known the radius r of the circumference of the placement of the radiating ends 4 of the fiber optic leads 3, as can be seen from Fig. 1, the central beam 32, which coincides with the main optical axis 20 of the aspherical lens 15, falls on the parabola of the secondary optical mirror 23 at the point M ₂ (x ₂ , y ₂ ), with the coordinate y ₂ =r, reflected from it at an angle β to central axis of the optical system 6.

Запишем каноническое уравнение параболы, образующей отражающую выпуклую поверхность 25 вторичного оптического зеркала 23 в виде:Let us write the canonical equation of the parabola forming the reflective convex surface 25 of the secondary optical mirror 23 as:

Координату х₂ точки М₂, используя (12) и зная координату у₂=r, как видно из фиг. 1, определим из выражения:The x ₂ coordinate of the point M ₂ using (12) and knowing the y ₂ =r coordinate, as can be seen from FIG. 1, we determine from the expression:

Определим координаты х₁, y₁ точки M₁. Пользуясь каноническим уравнением параболы (12), угол β определим из треугольника ΔM₂C₂F₂ (фиг. 1):Let's determine the coordinates x ₁ , y _{1 of} the point M ₁ . Using the canonical parabola equation (12), we determine the angle β from the triangle ΔM ₂ C ₂ F ₂ (Fig. 1):

Зная из (14) угол β и координаты фокуса F₁(P₁/2, 0), можно записать уравнение прямой, совпадающей с центральным лучом 32, являющимся фокальным радиусом-вектором точки M₁ параболы главного оптического зеркала 7, в виде:Knowing from (14) the angle β and the coordinates of the focus F ₁ (P ₁ /2, 0), we can write the equation of a straight line coinciding with the central beam 32, which is the focal radius vector of the point M _{1 of} the parabola of the main optical mirror 7, in the form:

Воспользуемся каноническим уравнением параболы, образующей отражающую вогнутую поверхность 27 главного оптического зеркала 7:Let us use the canonical equation of the parabola forming the reflecting concave surface 27 of the main optical mirror 7:

Совместно решая уравнения (15) и (16), подставив х из (16) в (15), получим квадратное уравнение относительно у, решив которое можно определить координаты х₁, y₁ точки M₁ на упомянутой параболе:Solving equations (15) and (16) together, substituting x from (16) into (15), we obtain a quadratic equation for y, solving which you can determine the coordinates x ₁ , y _{1 of} the point M ₁ on the mentioned parabola:

Для определения диаметра выходной апертуры излучателя оптической системы D находим ординату точки пересечения параболы главного оптического зеркала 7 с крайним лучом 36 (фиг. 1), являющимся фокальным радиусом-вектором этой точки упомянутой параболы, аналогично выводу приведенному выше для нахождения ординаты y₁ точки M₁(x₁, y₁) для центрального луча 32. Откуда, пользуясь соотношением (18), находим:To determine the diameter of the output aperture of the emitter of the optical system D, we find the ordinate of the point of intersection of the parabola of the main optical mirror 7 with the extreme beam 36 (Fig. 1), which is the focal radius vector of this point of the mentioned parabola, similarly to the conclusion given above for finding the ordinate y _{1 of} the point M ₁ (x ₁ , y ₁ ) for the central beam 32. Whence, using relation (18), we find:

где, как очевидно из фиг. 1, параметр h₁ определяем из соотношенияwhere, as is clear from Fig. 1, the parameter h ₁ is determined from the relation

Подставляя в (20) выражение для d_ЛП из (10), находим h₁:Substituting into (20) the expression for d _LP from (10), we find h ₁ :

Подставляя (21) в (19), получаем соотношение (4) для определения диаметра выходной апертуры излучателя оптической системы DSubstituting (21) into (19), we obtain relation (4) for determining the diameter of the output aperture of the emitter of the optical system D

Определим, при проектном конструировании оптической системы, допустимое расстояние L плоскости среза 31 корпуса 9 коллимирующего блока 8 от вторичного оптического зеркала 23 (фиг. 1 и фиг. 2).Let us determine, when designing the optical system, the allowable distance L of the cut plane 31 of the housing 9 of the collimating unit 8 from the secondary optical mirror 23 (Fig. 1 and Fig. 2).

Определим в плоскости XOY координаты (х_Б,у_Б) точки пересечения М_Б прямой:We define in the XOY plane the coordinates (x _B , y _B ) of the intersection point M _B of the line:

совпадающей с образующей цилиндрического корпуса 9 коллимирующего блока 8, с фокальным радиусом-вектором точки параболы главного оптического зеркала 7, а именно пересечения с крайним лучом 35 (фиг. 1), уравнение которого, аналогичное уравнению (15), запишем в виде:coinciding with the generatrix of the cylindrical body 9 of the collimating unit 8, with the focal radius vector of the point of the parabola of the main optical mirror 7, namely, the intersection with the extreme beam 35 (Fig. 1), the equation of which, similar to equation (15), can be written as:

где, как очевидно из фиг. 1, параметр h₂ определяем из соотношения:where, as is clear from Fig. 1, the parameter h ₂ is determined from the relation:

Подставляя в (24) выражение для d_ЛП из (10), находим h₂, т.е. получаем соотношение (6).Substituting into (24) the expression for d _LP from (10), we find h ₂ , i.e. we obtain relation (6).

Из совместного решения уравнений (22) и (23), для точки пересечения М_Б (фиг. 1), находим координату х_Б:From the joint solution of equations (22) and (23), for the intersection point M _B (Fig. 1), we find the coordinate x _B :

Определяем минимальное расстояние L_min плоскости среза 31 корпуса 9 коллимирующего блока 8 от вторичного оптического зеркала 23:We determine the minimum distance L _min of the cut plane 31 of the body 9 of the collimating unit 8 from the secondary optical mirror 23:

Откуда из выражений (26) и (25) получаем соотношение (5) для допустимого расстояния L≥L_min от плоскости среза 31 корпуса 9 коллимирующего блока 8, совпадающая с плоскостью среза 17 корпусов 16 упомянутых коллимирующих устройств 10, до вторичного оптического зеркала 23.Whence from expressions (26) and (25) we obtain relation (5) for the allowable distance L≥L _min from the cut plane 31 of the housing 9 of the collimating block 8, coinciding with the cut plane 17 of the housings 16 of the mentioned collimating devices 10, to the secondary optical mirror 23.

Claims (11)

Оптическая система дистанционной передачи энергии на базе мощных волоконных лазеров, включающая передающий лазерный комплекс, состоящий из n лазерных волоконных модулей, каждый с оптоволоконным выводом, причем излучающие торцы оптоволоконных выводов равномерно размещены в одной плоскости среза по окружности радиуса r и перпендикулярны центральной оси оптической системы, проходящей через центр упомянутой окружности, оптическое зеркало, конструктивно связанное с системой наведения излучения, на которое падает излучение, отражаясь от него в виде суммарного излучения, отличающаяся тем, что в нее введен коллимирующий блок, имеющий корпус с внешним диаметром d_Б и состоящий из волоконно-оптических коллимирующих устройств, конструктивно их объединяющий, идентичных по конструкции и составу для каждого из n лазерных волоконных модулей с длиной волны излучения λ, включающих отрезок оптоволокна с осью сердцевины диаметром δ с показателем преломления n₁ и с числовой апертурой NA оптоволоконного вывода, оконцованного оптическим разъемом, и линзу, выполненную асферической с фокусом F_Л, фокусным расстоянием f_Л, установленную на расстоянии f от излучающего торца, с диаметром асферической линзы d_Л, причем асферическая линза установлена на границе плоскости среза корпусов упомянутых коллимирующих устройств, снабженных системой терморегулирования и механизмом перемещения асферических линз вдоль центральной оси оптической системы, при этом главная оптическая ось асферической линзы совпадает с осью сердцевины отрезка оптоволокна, а центральная ось коллимирующего блока совпадает с центральной осью оптической системы, причем ось сердцевины отрезка оптоволокна параллельна центральной оси оптической системы, при этом пучки лазерного излучения диаметром d_ЛП, выходящие из волоконно-оптических коллимирующих устройств, падают на вторичное оптическое зеркало, конструктивно связанное с устройством сканирования, на его выпуклую поверхность, выполненную в виде параболоида вращения с фокусом F₂, ось которого совпадает с центральной осью оптической системы, отражаясь от вторичного оптического зеркала, пучки лазерного излучения падают на оптическое зеркало, являющееся главным оптическим зеркалом, на его вогнутую поверхность, выполненную в виде параболоида вращения, отражающую в свою очередь на плоскость изображения малорасходящиеся пучки лазерного излучения, с фокусом F₁, совпадающим с F₂, ось которого совпадает с центральной осью оптической системы, причем коллимирующий блок с волоконно-оптическими коллимирующими устройствами, системой терморегулирования и механизмом перемещения линз установлен в оптической системе через центральное круглое отверстие диаметром d в главном оптическом зеркале так, что выполняется условие d≥d_Б, а плоскость среза корпуса коллимирующего блока, совпадающая с плоскостью среза корпусов упомянутых коллимирующих устройств, отстоит от вторичного оптического зеркала на расстоянии L, при этом расстояние f асферической линзы от излучающего торца и ее диаметр d_Л, радиус r окружности размещения излучающих торцов и внешний диаметр d_Б корпуса коллимирующего блока, а также диаметр выходной апертуры излучателя оптической системы D и расстояние L отвечают соотношениямAn optical system for remote energy transmission based on high-power fiber lasers, including a transmitting laser complex consisting of n laser fiber modules, each with a fiber optic lead, and the radiating ends of the fiber optic leads are evenly placed in the same cut plane along a circle of radius r and are perpendicular to the central axis of the optical system, passing through the center of the mentioned circle, an optical mirror structurally connected with the radiation guidance system, on which the radiation falls, being reflected from it in the form of total radiation, characterized in that a collimating unit is introduced into it, having a body with an outer diameter d _B and consisting of fiber -optical collimating devices, structurally combining them, identical in design and composition for each of n laser fiber modules with a radiation wavelength λ, including a fiber segment with a core axis of diameter δ with a refractive index n ₁ and with a numerical aperture NA of the fiber optic in output, terminated by an optical connector, and a lens made aspherical with focus F _L , focal length f _L , installed at a distance f from the radiating end, with an aspherical lens diameter d _L , and the aspherical lens is installed on the border of the cut plane of the bodies of the mentioned collimating devices, equipped with a thermal control system and a mechanism for moving aspherical lenses along the central axis of the optical system, while the main optical axis of the aspherical lens coincides with the axis of the core of the fiber segment, and the central axis of the collimating unit coincides with the central axis of the optical system, and the axis of the core of the fiber segment is parallel to the central axis of the optical system, in this case, laser radiation beams with a diameter d _LP , coming out of fiber-optic collimating devices, fall on the secondary optical mirror, structurally connected with the scanning device, on its convex surface, made in the form of a paraboloid of revolution with a focus m F ₂ , the axis of which coincides with the central axis of the optical system, reflected from the secondary optical mirror, laser beams fall on the optical mirror, which is the main optical mirror, on its concave surface, made in the form of a paraboloid of revolution, reflecting in turn on the image plane low-divergent beams of laser radiation, with focus F ₁ coinciding with F ₂ , the axis of which coincides with the central axis of the optical system, and the collimating unit with fiber-optic collimating devices, a thermal control system and a lens movement mechanism is installed in the optical system through a central round hole with a diameter d in the main optical mirror so that the condition d≥d _B is met, and the cut plane of the collimating unit body, coinciding with the cut plane of the bodies of the mentioned collimating devices, is separated from the secondary optical mirror at a distance L, while the distance f of the aspherical lens from the emitting end a and its diameter d _L , the radius r of the circumference of the radiating ends and the outer diameter d _B of the body of the collimating unit, as well as the diameter of the output aperture of the emitter of the optical system D and the distance L correspond to the relations

где d_К - внутренний диаметр корпуса волоконно-оптических коллимирующих устройств;where d _K is the inner diameter of the housing of the fiber-optic collimating devices;

где h_К и h_Б - толщины стенки корпуса коллимирующего устройства и стенки корпуса коллимирующего блока соответственно,where h _K and h _B are the wall thicknesses of the collimating device housing and the collimating block housing wall, respectively,

где h₂ - параметр, определяемый из соотношенияwhere h ₂ is a parameter determined from the relation

a P₁ и Р₂ - фокальные параметры парабол, образованных пересечением плоскости YOX с параболоидами вращения с координатной осью ОХ и образующих отражающие вогнутую поверхность главного оптического зеркала и выпуклую поверхность вторичного оптического зеркала соответственно.a P ₁ and P ₂ - focal parameters of the parabolas formed by the intersection of the YOX plane with paraboloids of revolution with the coordinate axis OX and forming the reflecting concave surface of the primary optical mirror and the convex surface of the secondary optical mirror, respectively.

Images