Прибор для стабилизации и визуализации оси излучения импульсно-периодического лазера

Прибор для стабилизации и визуализации излучения оси импульсно-периодического лазера (ИПЛ) может быть использован в целях автоматической стабилизации направления излучения ИПЛ и визуализации оси ИПЛ в оптическом тракте. В условиях базирования ИПЛ на подвижных носителях возможны пространственные и угловые отклонениями оси излучения ИПЛ относительно оптических элементов системы транспортирования и формирования лазерного излучения. Поэтому при практическом применении ИПЛ в таких системах необходимо иметь средства контроля углового положения луча и его коррекции. Прибор для стабилизации и визуализации оси излучения ИПЛ позволяет отслеживать динамику ухода зеркал резонатора, а следовательно и оси излучения ИПЛ от штатного положения, визуализировать ось ИПЛ в оптическом тракте. А также позволяет прогнозировать последующие отклонения и корректировать их до начала следующего импульса, в результате чего оси направленного излучения ИПЛ и котировочного лазера (ЮЛ) оказываются совмещенными. Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения заключается в отработке угловых смещений зеркал резонатора ИПЛ между импульсами, в повышении быстродействия системы стабилизации оси излучения ИПЛ и визуализации оси ИПЛ в оптическом тракте. Указанный технический результат достигается тем, что в приборе для стабилизации и визуализации оси ИПЛ установлен ЮЛ, который посылает в канал совмещения осей ИПЛ и ЮЛ импульсы с частотой следования, на порядок превышающую частоту следования импульсов ИПЛ. Таким образом, появляется возможность компенсировать угловые смещения зеркал резонатора и оси излучения до начала следующего импульса ИПЛ.

Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано в целях создания устройств для автоматической стабилизации направления излучения импульсно-периодических лазеров (ИПЛ) с неустойчивым резонатором.

Известно устройство совмещения осей (УСО) с системой автоюстировки (САЮ) для лазерной локационной системы.

Для стабилизации оси излучения ИПЛ необходим постоянный контроль качества юстировки зеркал резонатора ИПЛ и возможность управлять ими.

Для решения этой задачи ранее была предложена схема представленная на фиг.1. Согласно этой схеме, в тени выходного зеркала неустойчивого резонатора ИПЛ поз.1 устанавливается призма полного внутреннего отражения поз.3. На призму падает когерентный свет маркерного лазера (МЛ) поз.2 видимого диапазона, так, чтобы отразившись от призмы, он распространялся соосно с излучением ИПЛ. Далее на пути излучения лазеров устанавливается плоскопараллельная пластинка поз.8, отклоняющая часть падающего света на 90°. Отклоненный свет проходит через объектив поз.7 и фокусируется на фотоприемниках (ФП). Один служит для регистрации излучения видимого спектра поз.6, другой - инфракрасного поз.4. Для разделения сигналов от двух лазеров используется плоскопараллельная пластина с напылением поз.5, не пропускающая видимый свет.

Система осуществляет контроль за угловыми отклонениями оси излучения ИПЛ от первоначального положения.

В электронном блоке определяется их угловое рассогласование, которое отрабатывается дефлектором [1].

Недостатком устройства сопряжения осей является отсутствие возможности совместить оси излучения лазеров к моменту следования следующего импульса ИПЛ и отработать угловые уходы по последнему импульсу.

Причиной, приведенного выше обстоятельства, является частота реагирования САЮ УСО на блок регистрации импульсов. Система регистрирует импульсы с частотой 20 Гц, а отрабатывает с частотой 2 Гц, таким образом, происходит постоянное запаздывание отработки угловых уходов.

Наиболее близким к изобретению является прибор для визуализации оптической оси импульсно-периодического лазера. Схема прибора приведена на фиг.2 [2]. В приборе для визуализации оптической оси излучения ИПЛ, установлен котировочный лазер (ЮЛ), расположенный в точке «полюса» (для неустойчивого конфокального резонатора на оси излучения существует некая точка «полюса»; направляя луч из этой точки так, чтобы он имел возможность дважды пройти сквозь резонатор, отражаясь попеременно от обоих зеркал, можно наблюдать, как луч будет возвращаться в точку «полюса»; это условие всегда будет выполняться для источника, расположенного на оси), посылает в канал совмещения осей ИПЛ и маркерного луча импульсы с частотой следования, на порядок превышающую частоту следования импульсов ИПЛ. Тем самым, появляется возможность отрабатывать угловые уходы до начала следующего импульса ИПЛ.

Ось излучения маркерного лазера поз.2 должна строго совпадать с осью ИПЛ. Для этого в систему введен ФП поз.12, при помощи которого можно осуществить контроль за осями излучения юстировочного лазера поз.29 и маркерного лазера поз.2. При точных положениях зеркал поз.18, поз.19, 20 сигналы поступающие с поз.6, 25 и поз.12 от поз.29 будут иметь нулевые положения. При совпадении осей излучения поз.2 и поз.29, и соответственно ИПЛ, сигналы, поступающие с поз.12 от поз.29 и поз.2 будут совмещены, либо находиться на площадке поз.12 каждый в своем нулевом положении.

Для дифференциации сигналов, поступающих на поз.12, один из них, в нашем случае сигнал с поз.29, будет промодулирован при помощи акусто-оптического модулятора поз.28. Поз.2 и поз.29 располагаются друг напротив друга. Для совмещения двух сигналов на одном ФП излучение лазеров отклоняется призмой-кубом поз.15 в противоположные стороны. В одной стороне располагается приемник поз.12, в другой - уголковый отражатель - триппель-призма (ТП) поз.16, возвращающая лучи обратно. Таким образом, лучи поз.2, отклоненные в сторону ТП, попадают на площадку поз.12 также, как если бы были отклонены ортогональным светоделителем. Для этого требуется, чтобы пучок лучей, падающий на ТП, был параллельный.

Для согласования двух сигналов, поступающих на поз.12 пучок лучей, идущих от поз.29 должен приходить параллельным на поз.15. С этой целью, на пути лучей, идущих к поз.15 от поз.29 и поз.2 устанавливаются линзы поз.17 и поз.10, выступающие в роли коллиматоров.

Для того, чтобы маркерный луч, расширенный линзой поз.9 - к диаметру маркерного луча предъявляют требование не менее 8-10 мм - не фокусировался поз.9, а сохранял свои размеры, указывая направление распространения излучения ИПЛ, в центре поз.17 имеется апертурное отверстие, пропускающее излучение поз.2, не ограничивая его размеров.

Расширение и коллимация маркерного луча достигнуто посредством телескопического преобразования линзами поз.9 и поз.10.

Клиновой дефлектор поз.11 предназначен для отработки угловых рассогласований (уводов) маркерного луча по двум координатам [2].

Прибор для визуализации оптической оси ИПЛ осуществляет контроль за угловыми уводами зеркал резонатора ИПЛ и производит корректировку направления оси излучения МЛ, под направление оси излучения ИПЛ.

Причиной, препятствующей получению указанного ниже технического результата при использовании известного прибора для визуализации оптической оси ИПЛ, является отсутствие возможности отрабатывать угловые уводы зеркал резонатора ИПЛ между импульсами, то есть поддерживать положение зеркал резонатора в штатном положении.

Сущность изобретения основана в совмещении осей излучения ИПЛ и юстировочного лазера. Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения заключается в отработке угловых смещений зеркал резонатора ИПЛ между импульсами, в повышении быстродействия системы стабилизации оси излучения ИПЛ и визуализации оси ИПЛ в оптическом тракте.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном приборе для визуализации оптической оси излучения ИПЛ, содержащем оптические элементы, два фотоприемника оценки положения зеркал резонатора ИПЛ, котировочный лазер, дооснащена призма-куб, на одну из граней которой напылено зеркальное покрытие, а другая грань соединена с плосковыпуклой линзой, что вместе позволяет излучению ЮЛ визуализировать ось излучения ИПЛ и направить его в оптический тракт в виде параллельного пучка; зеркала резонатора ИПЛ оснащены корректирующими двигателями КД1 и КД2, позволяющие стабилизировать ось резонатора между импульсами ИПЛ за счет информации от ЮЛ, зафиксированной фотоприемниками с частотой следования в разы превышающей частоту следования импульсов ИПЛ.

Изобретение поясняется чертежами, на которых представлены: Фиг.3 - функциональная (оптическая) схема прибора для стабилизации и визуализации оси излучения ИПЛ; Фиг.4 - временные характеристики поясняющие работу прибора.

На функциональной схеме прибора для стабилизации и визуализации оси излучения ИПЛ (фиг.3) показаны:

29 - котировочный лазер,

27 - линза,

8, 26 - плоскопараллельные пластины,

22 и 23 - отрицательная и положительная линзы, образующие телескопическую систему,

15 - призма-куб,

20 - зеркало (напыление на тыльной стороне контррефлектора),

19 - контррефлектор,

32, 33 - окна вывода газоразрядной камеры ИПЛ,

18 - рефлектор,

24 - диафрагма,

6, 25 - фотоприемники,

30 - зеркальное напыление на гране призмы-куб,

31 - плосковыпуклая линза,

КД1, КД2 - корректирующие двигатели.

Оптическая схема резонатора ИПЛ представлена парой зеркал - рефлектор поз.18, контррефлектор поз.19, и двумя пластинами поз.32, 33 - окна вывода излучения газоразрядной камеры ИПЛ. Контррефлектор и рефлектор резонатора ИПЛ оснащены корректирующими двигателями КД1 и КД2 соответственно.

Излучение ЮЛ поз.29 распушается линзой поз.27, проходит плоскопараллельные пластины поз.21, 8, положительную линзу поз.23, отрицательную линзу поз.22, поворачивается призмой-куб поз.15, а после часть пучка падает на зеркало (напыление на тыльной стороне контррефлектора) поз.20, а часть через окна вывода газоразрядной камеры ИПЛ поз.32, 33 падает на рефлектор поз.18. Отраженный от зеркала поз.20 пучок, проходя призму-куб, телескопическую систему отклоняется плоскопараллельной пластиной поз.8, ограничивается диафрагмой поз.24 и фокусируются на приемную площадку ФП поз.6. Телескопическая система, образованная отрицательной и положительной линзами поз.22 и 23, собирает отраженный пучок излучения на более близком расстоянии (положение ФП поз.6), эквивалентном расстоянию до точки «полюса». Пучок отраженный от рефлектора поз.18, в обратном пути по тракту, отклоняется плоскопараллельной пластиной поз.26 и собирается на приемной площадке ФП поз.25. Положения поз.25 соответствует положению точки «полюса».

Точность совпадения осей излучения ЮЛ и ИПЛ обеспечивается с помощью фотоприемников поз.6 и поз.25. При точных положениях зеркал резонатора ИПЛ поз.18 и поз.19 сигналы, поступающие с фотоприемников поз.6, 25 будут иметь нулевые значения.

Корректирующие двигатели КД1 и КД2 используется для отработки угловых смещений зеркал резонатора ИПЛ, а следовательно и оси излучения по двум координатам. Эти смещения обусловлены нестабильностью положения оси излучения от импульса к импульсу, а также температурными перепадами элементов ИПЛ.

Призма-куб поз.15 применяется для визуализации оси излучения ИПЛ в оптическом тракте. Призма-куб имеет две особенности. На одну из граней призмы-куб напылено зеркальное покрытие поз.30, т.о. излучение МЛ отражается от зеркальной грани и направляется в оптический тракт. Благодаря плосковыпуклой линзе поз.31, соединенной с гранью призмы-куб, излучение МЛ, в направлении оптического тракта, выходит параллельным пучком.

На рис.4 изображены 3 импульса ИПЛ и несколько контрольных импульсов ЮЛ, идущих от зеркал резонатора и, дающих информацию о положении зеркал. Штрихи показанные пунктирной линией говорят о возмущенной среде после импульса, по ним нежелательно делать анализ. Далее среда успокаивается и перед началом следующего импульса можно производить анализ отклонения оси излучения ИПЛ и компенсировать его.

Реализация прибора позволит отрабатывать угловые смещения зеркал резонатора ИПЛ между импульсами, повысить быстродействие системы стабилизации оси излучения ИПЛ и визуализировать ось ИПЛ в оптическом тракте. Система управления в канале совмещения осей ЮЛ и ИПЛ отрабатывает сигналы минимум в два раза быстрее частоты следования импульсов ИПЛ. Следовательно, до начала следующего импульса ось излучения и ось ЮЛ оказываются совмещенными.

Список используемых источников:

1. Н.В.Барышников и др. Тезисы докладов, III научная конференция, «Радиооптические технологии в приборостроении», г.Сочи, 2005 г.

2. О.Н.Муравлева, В.А.Феофилактов, Заявка на изобретение «Прибор для визуализации оптической оси импульсно-периодического лазера» 2011148009 от 25.11.2011.

Прибор для стабилизации и визуализации оси излучения импульсно-периодического лазера (ИПЛ) включает оптические элементы, два фотоприемника оценки положения зеркал резонатора ИПЛ, юстировочный лазер (ЮЛ), отличающийся тем, что на одну из граней призмы-куба напылено зеркальное покрытие, а другая грань соединена с плосковыпуклой линзой, что вместе позволяет излучению ЮЛ визуализировать ось излучения ИПЛ и направить его в оптический тракт в виде параллельного пучка; зеркала резонатора ИПЛ оснащены корректирующими двигателями КД1 и КД2, позволяющими стабилизировать ось резонатора между импульсами ИПЛ за счет информации от ЮЛ, зафиксированной фотоприемниками с частотой следования, на порядок превышающей частоту следования импульсов ИПЛ.