Здавалка
Главная | Обратная связь

Формирование и вывод лазерного пучка



 

Этот процесс определяется рядом независимых и взаимозависимых подсистем лазера, таких как резонатор, аэродинамическое окно, телескоп, система управления лазерным излучением.

Резонатор. Оптический резонатор непрерывного химического лазера предназначен для преобразования энергии активной среды в лазерное излучение и для стабильной генерации лазерного пучка хорошего оптического качества.

При высокой энергетической эффективности коэффициенты усиления активных сред непрерывного химического лазера сравнительно невелики. И если для сверхмощных систем с активными средами большой протяженности это не создает технических ограничений на выбор оптимальных оптических схем и конструкций резонаторов, то для менее мощных лазеров с ограниченной протяженностью активных сред целесообразно использовать многопроходные схемы резонаторов.

Неохлаждаемые силовые зеркала с минимальным рассеянием изготовлены из кремния, обработанного по специальной технологии «глубокого полирования», на оптическую поверхность которого нанесены многослойные диэлектрические покрытия. Однако использование таких зеркал в двухпроходных схемах может привести к технологическим проблемам и в конце концов – к снижению мощности выходного излучения.

Оптическое качество выходного излучения во многом определяется уровнем оптических неоднородностей в активной среде непрерывного химического лазера. Относительно низкие рабочие давления во фтористо-дейтериевых лазерах обеспечивают достаточно высокое оптическое качество активной среды даже при использовании сопловых решеток с турбулизующими соплами. Уровень оптических неоднородностей в таких лазерах (на рабочей длине волны) не превышает l/50 на длине активной среды, равной 20 см.

Для предохранения зеркал от взаимодействия с агрессивными компонентами активной среды (F, F2, HF, DF) используют специальные газовые завесы.

Энергосъем в кислородно-иодном лазере выше у фтористо-дейтериевого лазера, а типичные коэффициенты усиления активной среды – ниже. К тому же из-за более короткой длины волны одинаковая со фтористо-дейтериевым лазером яркость излучения на цели достигается при значительно меньшей мощности кислородно-иодные лазера. Поэтому излучающий объем активной среды на единицу яркости оказывается для кислородно-иодного лазера меньше, чем для фтористо-дейтериевого лазера.

С одной стороны, формирование лазерного пучка с малой расходимостью требует большой выходной апертуры резонатора. В результате активная среда может оказаться слишком короткой для достижения высокого энергосъема, и именно она становится критически важным параметром при выборе оптической схемы резонатора. Практически это означает использование многопроходных схем в большинстве перспективных конструкций.

С другой стороны, такие схемы существенно более сложны для юстировки и более чувствительны к вибрациям и другим силовым нагрузкам. Эти проблемы решаются введением в схему двугранных отражателей, что способствует решению еще одной, характерной для всех непрерывных химических лазеров - проблемы – неравномерного распределения усилительных свойств активной среды в пределах апертуры.

В оптической схеме неустойчивого резонатора, специально разработанного в «Лазерных системах» для мобильного кислородно-иодного лазера (рис.9.1), учитывается большинство из характерных особенностей непрерывного химического лазера:

 

Рисунок 9.1 Оптическая схема многопроходного резонатора мощного КИЛа

 

- в резонаторе осуществляется выравнивание интенсивности в выходной апертуре за счет использования «переворачивающих» распределение электромагнитного поля двугранных отражателей, число и положение которых согласовано с распределением коэффициента усиления в резонаторной полости;

- резонатор имеет высокую энергетическую эффективность, т.к. его мода оптимально согласована с распределением усиления в активной среде: излучение за счет переворотов на двугранных отражателях последовательно проходит зоны с высоким и низким коэффициентами усиления, обеспечивая тем самым равномерное распределение интенсивности по апертуре;

- присутствие двугранных отражателей снижает чувствительность резонатора к разъюстировке и вибрациям;

- все проходы по активной среде в данном резонаторе параллельны, что позволяет использовать в нем поляризационные элементы, в частности окна Брюстера для отделения активной среды.

Аэродинамическое окно (АДО). Основное назначение окна – вывод лазерного излучения из зоны генерации. Строго говоря, задач две: обеспечение герметичности резонаторной полости и минимальных искажений волнового фронта излучения лазера на выходной апертуре. Для химических кислородно-иодных лазеров это сравнительно просто решается с помощью высококачественных прозрачных кварцевых стекол даже для лазеров мегаваттной мощности. В то же время применяемые в длинноволновых фтористо-дейтериевых лазерах оптически прозрачные материалы имеют неоднородную кристаллическую структуру и более высокие коэффициенты поглощения. Поэтому во фтористо-дейтериевых лазерах уже при мощностях свыше 100 кВт плотность излучения может превысить критические пороги оптической стойкости используемых материалов.

Аэродинамическое окно, в принципе, способно заменить прозрачные материалы и обеспечить надежный вывод излучения практически при любой его плотности в выходной апертуре. Однако ранее считалось, что при степени сжатия более 40 требуются двухступенчатые окна с вакуумной откачкой из второй ступени.

Одноступенчатые аэродинамические окна нового поколения, разработанные в «Лазерных системах» на основе концепции дифференциальных эжекторов, уверенно работают при степени сжатия, достигающей 100.

Фокусирующий телескоп. Концентрация излучения обеспечивается фокусирующим телескопом, состоящим из зеркального объектива с перемещаемым вторичным зеркалом. Главное зеркало телескопа в форме мениска диаметром 502 мм, закрепленное в оправе и являющееся одновременно основанием всего телескопа, устанавливается на оптическом столе. Зеркальный объектив с бесконечно большим фокусным расстоянием (афокальный объектив), выполнен по схеме Мерсена. Узел вторичного зеркала крепится к корпусу при помощи подвеса, который обеспечивает смещение этого узла вдоль оптической оси относительно корпуса при

воздействии температурных полей, отличающихся от температур при сборке.

Перестройка фокусного расстояния осуществляется путем перемещения вторичного зеркала. Стабильность положения зеркал в стационарном состоянии обеспечивается термостабилизаторами из инваровых стержней. Диапазон перефокусировки простирается от 500 м до бесконечности при перемещении зеркала в диапазоне 0 – 5 мм с точностью ±0.5 мм.

Системы наблюдения за целью включают в себя телевизионную систему широкого поля зрения, тепловизор и телекамеру точного позиционирования. Телевизионная система широкого поля зрения предназначена для наблюдения за целями и передачи информации в систему позиционирования. Изображение регистрируется матрицей с разрешением 1024 х 1024 точек. Угол поля зрения камеры составляет 7°, поэтому ее расположение почти полностью определяется конструктивными соображениями. Обычно телевизионная система широкого поля зрения крепится на корпус сканера или телескопа. Ось системы совмещается с осью телескопа с точностью 1 мрад с помощью специального юстровочно-несущего узла.

Телевизор позволяет визуализировать область наблюдения в условиях слабой освещенности. Телекамера точного позиционирования устанавливается на оптической оси телескопа в зоне, свободной от основного излучения. В качестве объектива телекамеры может использоваться сам фокусирующий телескоп. Это решает задачу совмещения осей камеры и телескопа и уменьшает влияние ветра, однако при использовании внешнего сканера могут возникнуть проблемы, связанные с вращением изображения.

Изображение пятна лазерного излучения на поверхности цели регистрируется матрицей с разрешением 512 х 512 точек. Поле зрения системы точного позиционирования составляет 7 мрад, что как минимум в 2 раза превышает требуемый угловой размер в зоне использования.

Направлением пучка можно управлять двумя способами (рис. 9.2) – поворотом зеркал, устанавливаемых за неподвижным телескопом (целостат, гелиостат), и поворотом телескопа, закрепленного в специальном подвесе.

 

а) б)

 

Рисунок 9.2 Варианты исполнения сканирующего модуля и системы наблюдения за целью. Схема гелиостата (а) и целостата (б) с диаметрами 5 м

 

Каждый способ имеет достоинства и недостатки, а критическими параме-

трами оказываются размер апертуры лазера и диаметр главного зеркала телескопа

Поскольку развитие мощных лазеров начиналось с длинноволновых систем, требующих телескопов больших диаметров, то применение в системах управления поворачивающихся телескопов казалось разумным. Однако у кислородно-иодных лазеров дифракционный предел существенно ниже, чем у фтористо-дейтериевых лазеров, поэтому для мобильных систем достаточно полуметровой и даже меньшей по диаметру выводной оптики. А в таком случае неподвижный телескоп со сканером становится весьма привлекательным.

При движении, ударах и вибрациях в процессе эксплуатации бортовая оптика испытывает серьезные нагрузки. Например, ускорения для наземных систем могут достигать 6g, а для воздушных и космических лазеров они могут быть еще больше. Особенно важным в этом случае оказывается сохранение точности в подвижных узлах телескопа или сканера – самых массивных элементах конструкции.

Системы точного позиционирования используются в управлении характеристиками лазерного луча для обеспечения требуемой точности направленности лазерного излучения и интенсивности излучения на цели. Элементы системы приведены на оптической схеме системы формирования и управления излучением лазера (рис.9.3). Основой системы являются зеркало углового корректора линии визирования и адаптивное зеркало корректировки волнового фронта (исправления аберраций).

Зеркало углового корректора линии визирования предназначено для точного позиционирования лазерного пучка на цели. В общем случае лазер с резонатором и фокусирующий телескоп могут располагаться на разнесенных в пространстве платформах. Здесь возможны динамические отклонения в положении платформ и, следовательно, неприемлемые отклонения оси входящего в систему точного позиционирования пучка. Угловой корректор обеспечивает динамическую стабилизацию направленности лазерного пучка, компенсируя возможные отклонения при его передаче из резонатора и совмещая лазерный пучок с линией визирования телескопа.

Управление зеркалом углового корректора осуществляется с помощью узла крепления на пьезокерамических держателях по сигналам системы управления, анализирующей данные телекамеры точного позиционирования линии визирования телескопа. Применение зеркала углового корректора стабилизирует направленность пучка с точностью до нескольких микрорадиан.

 

 

Рисунок 9.3 Схема системы формирования и управления излучением лазера с корректором волнового фронта

1 – зеркало ввода пучка в систему формирования; 2 – блок предварительной юстировки; 3 – решетка-ответвитель пучка; 4 – решетка-ослабитель; 5 – датчик волнового фронта; 6 – измеритель мощности; 7 – поворотное зеркало оптического шарнира; 8 – телевизионная система точного позиционирования; 9 – зеркало с центральным отверстием; 10 – главное зеркало телескопа; 11 – автоколлимационное зеркало; 12 - вторичное зеркало телескопа; 13 – телевизионная система широкого поля зрения; 14 – зеркало углового корректора; 15 – дальномер; 16 – адаптивное зеркало; 17 – датчик волнового фронта излучения, вернувшегося из зоны использования.

Управляемое (адаптивное) зеркало корректировки волнового фронта. Исправление аберраций осуществляется адаптивным зеркалом. Реальная картина искажений регистрируется двумя датчиками волнового фронта, один из которых предназначен для анализа волнового фронта излучения лазера (датчик Гартмана), другой – волнового фронта, возвратившегося из зоны использования. Вся информация об искажениях волнового фронта совместно обрабатывается системой управления. На адаптивном зеркале происходит коррекция волнового фронта за счет микроперемещений его поверхности, компенсирующая суммарные искажения, измеренные обоими датчиками.

 

 

ЛЕКЦИЯ 10







©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.