Устройство для суммирования световой энергии

Предполагаемое техническое решение относится к области лазерной техники, оптической локации и может быть использовано при создании силовых технологических лазерных установок. Устройство для суммирования световой энергии, содержащее n источников узконаправленных световых пучков, каждый из которых оптически сопряжен через оптику переноса с областью сведения световых пучков, дополнительно содержит n оптических ключей с фокусирующей системой, оптика переноса каждого из n источников узконаправленных световых пучков оптически сопряжена с областью сведения световых пучков через последовательно установленные соответствующие оптические ключи и фокусирующие системы, а каждый из n источников узконаправленных световых пучков подключен к входу соответствующего оптического ключа. Кроме того, каждый оптический ключ выполнен в виде пары прямоугольных призм полного внутреннего отражения, гипотенузные грани которых смонтированы с зазором и параллельно друг другу. Кроме того, по крайней мере одна из прямоугольных призм выполнена из материала, обладающего пьезоэффектом и прозрачного в оптическом диапазоне длин волн. Устройство для суммирования световой энергии при использовании дает технический результат, заключающийся в повышении плотности мощности излучения на объекте с улучшением пространственных характеристик излучения и ослаблением лучевой нагрузки на оптических элементах.

Предлагаемое техническое решение относится к области лазерной техники, оптической локации и может быть использовано при создании силовых технологических лазерных установок.

Известны системы волноводных лазеров, в которых оптический путь внутри резонатора разделен на множество прямолинейных участков, оптически связанных между собой поворотными зеркалами, причем расположение этих участков может быть разнообразным, в том числе взаимно параллельное, в виде сложных фигур с пересекающимися участками оптического пути, расположенных в параллельных плоскостях, оптически связанных между собой зеркальными «мостиками», в виде пространственных спиральных структур (Европейские патенты: №0427229 А2, МПК H 01 S 3/07, 1990 г.; №0292277 А1, МПК H 01 S 3/03, 1988 г.; №0305893 В1, МПК H 01 S 3/03, 1994 г.).

Основной недостаток указанных систем - недостаточно высокая энергия суммарного излучения вследствие чрезмерных лучевых нагрузок на зеркалах.

Известна лазерная система, содержащая, по крайней мере, два одинаковых неустойчивых резонатора, каждый из которых включает вогнутое и выпуклое конфокальные зеркала, и равное числу резонаторов число активных сред, каждая из которых расположена между вогнутым и выпуклым зеркалами соответствующего резонатора, при этом между выходами резонаторов установлена оптическая связь для обеспечения ввода части выходного пучка одного резонатора в другой параллельно оптической оси этого другого резонатора и наоборот, результатом чего должна быть синхронизация основных мод резонаторов (патент США №4682339, МПК H 01 S 3/08, 1987 г.).

Недостатком данной лазерной системы является практическая трудность строгого согласования направления вводимого в резонатор синхронизирующего пучка излучения с направлением оптической оси этого резонатора, которое заранее неизвестно.

В случае, если направление пучка, вводимого со стороны выхода резонатора, лежит в одной плоскости с оптической осью резонатора и составляет с ней угол , то после n двойных проходов в резонаторе направление пучка составит с осью резонатора угол *Мⁿ, в связи с чем в зависимости от знака угла пучок может не достигнуть приосевой области резонатора и вернуться назад, либо он может пересечь приосевую область и выйти с другой стороны резонатора, не трансформировавшись в основную моду. Поэтому коллективная мода генерации системы может оказаться целиком внутри замкнутой оптической системы из резонаторных и поворотных зеркал, а генерация резонаторов на основной моде будет происходить независимо, то есть, без фазовой синхронизации. Если направления введенного во второй резонатор пучка и оптической оси резонатора не будут лежать в одной плоскости, путь распространения пучка внутри резонатора получит азимутальную составляющую, что также препятствует совмещению введенного пучка с приосевой областью

резонатора в процессе многократных проходов в резонаторе. Таким образом, практическая невозможность точного совмещения направления вводимого со стороны выхода второго резонатора пучка части излучения первого резонатора с направлением оптической оси второго резонатора ставит под сомнение реализуемость работоспособной системы на предложенном принципе.

Наиболее близким по технической сущности к предполагаемой полезной модели (прототипом) является устройство для суммирования световой энергии, содержащее лазерный модуль в виде установленных по замкнутому контуру пластинчатых электродов с разрядными каналами щелевой формы и резонатора, включающего оптически сопряженные через разрядные каналы вогнутое и выпуклое зеркала, установленные напротив соседних торцов пластинчатых электродов со смещением относительно последних для прохода выходного пучка лазерного излучения модуля (патент США №5373528, МПК Н 01 S 3/097, 1994 г).

Недостатком прототипа является ограниченная мощность выходного лазерного излучения, обусловленная предельными лучевыми нагрузками на зеркалах при недостаточно высокой точности попадания излучения на объект.

Технический результат от использования предлагаемого технического решения заключается в повышении средней плотности мощности светового излучения на объекте при ослаблении лучевой нагрузки на оптические элементы.

В соответствии с предлагаемой полезной моделью указанный технический результат достигается тем, что устройство для суммирования световой энергии, содержащее n источников узконаправленных световых пучков, каждый из которых оптически сопряжен через оптику переноса с областью сведения световых пучков, дополнительно содержит n оптических ключей с фокусирующей системой, оптика переноса каждого

из n источников узконаправленных световых пучков оптически сопряжена с областью сведения световых пучков через последовательно установленные соответствующие оптические ключи и фокусирующие системы, а каждый из n источников узконаправленных световых пучков подключен к входу соответствующего оптического ключа.

Кроме того, что каждый оптический ключ выполнен в виде пары прямоугольных призм полного внутреннего отражения, гипотенузные грани которых смонтированы с зазором и параллельно друг другу.

Кроме того, по крайней мере одна из прямоугольных призм выполнена из материала, обладающего пьезоэффектом и прозрачного в оптическом диапазоне длин волн.

На фиг.1 представлено предлагаемое устройство для суммирования световой энергии, а на фиг.2 предложен один из вариантов выполнения оптического ключа.

Устройство для суммирования световой энергии содержит n параллельно установленных источников узконаправленных световых пучков 1_i (i=1,2,3...n), при этом каждый из них последовательно оптически сопряжен с соответствующей оптикой переноса в виде отклоняющей пластины 2 _i, оптическим ключом 3_i и фокусирующей системой 4_i. Излучение каждого источника узконаправленного светового пучка 1 с помощью оптики переноса 2 и фокусирующих систем 4 направлены и сфокусированы в заданной точке объекта. Каждый источник узконаправленного светового пучка 1_i электрически связан с соответствующим оптическим ключом 3_i. Оптический ключ 3 содержит две призмы 5 и 6 полного внутреннего отражения, установленные в оправе 7 с уплотняющей прокладкой 8, гипотенузные грани которых установлены параллельно друг другу с зазором и с возможностью перемещения. Оправа 7 закреплена в корпусе 9.

Устройство для суммирования световой энергии работает следующим образом. По командам извне U_i в соответствии с заданным режимом работы (мощность излучения на объекте, длительность воздействия излучением, установленный порядок работы источников и т.д.) подается сигнал на включение требуемого источника узконаправленного светового пучка 1 (например, лазера) и сигнал на соответствующий оптический ключ 3. В зависимости от решаемой задачи, источники излучения могут использоваться, как импульсные, так и непрерывного действия, а также лазеры различной длины волны. В оптическом ключе 3 по крайней мере одна из призм выполнена из материала, прозрачного в оптическом диапазоне длин волн и обладающего пьезоэффектом. Оптическая ось источника излучения составляет с гипотенузной гранью призмы угол полного внутреннего отражения. В исходном положении при отсутствии управляющего сигнала призмы полного внутреннего отражения 5 и 6 разведены. Под воздействием управляющего напряжения пьезоэлектрический материал меняет свои линейные размеры, сводя призмы 5 и 6. Излучение от источника узконаправленного светового пучка 1 направляется на отражательную призму (например, призму АР-90°). При отсутствии управляющего сигнала на оптический ключ световой луч полностью отражается от гипотенузной грани призмы, поворачивается на 90° и не попадает на технологический объект. При наличии управляющего сигнала осуществляется сведение призм полного внутреннего отражения 5 и 6 и световой луч через фокусирующую систему 4 попадает на технологический объект в заданную точку. Возможен вывод излучения одновременно нескольких источников на технологический объект с целью суммирования на нем плотности выходной мощности излучения устройства. Таким образом, предлагаемая схема устройства для суммирования световой энергии, манипулируя включением и выключением оптических ключей, при работе соответствующих источников светового излучения позволяет

формировать излучение на объекте с требуемой энергией, плотностью, интенсивностью, длительностью и т.п.

На основании вышеизложенного следует, что предлагаемое устройство для суммирования световой энергии имеет преимущества по сравнению с известными, а именно, за счет поочередного или одновременного вывода излучения каждого источника узконаправленного светового пучка на общую оптическую ось позволяет осуществлять непрерывное воздействие светового излучения на объект, осуществляя удержание светового пучка на объекте в течении заданного времени с требуемой точностью, повышая этим среднюю плотность мощности излучения на объекте. Осуществляя вывод излучения на объект предложенным выше образом, получаем ослабление лучевой нагрузки на элементы оптического тракта.

Следовательно, предложенное устройство для суммирования световой энергии при использовании дает технический результат, заключающийся в повышении плотности мощности излучения на объекте с улучшением пространственных характеристик излучения и ослаблением лучевой нагрузки на оптических элементах.

В настоящее время на предприятии изготовлен действующий макет предложенного устройства для суммирования световой энергии, испытания которого подтвердили достижение вышеуказанного технического результата.

1. Устройство для суммирования световой энергии, содержащее n источников узконаправленных световых пучков, каждый из которых оптически сопряжен через оптику переноса с областью сведения световых пучков, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит n оптических ключей с фокусирующей системой, оптика переноса каждого из n источников узконаправленных световых пучков оптически сопряжена с областью сведения световых пучков через последовательно установленные соответствующие оптические ключи и фокусирующие системы, а каждый из n источников узконаправленных световых пучков подключен к входу соответствующего оптического ключа.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый оптический ключ выполнен в виде пары прямоугольных призм полного внутреннего отражения, гипотенузные грани которых смонтированы с зазором и параллельно друг другу.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что по крайней мере одна из прямоугольных призм выполнена из материала, обладающего пьезоэффектом и прозрачного в оптическом диапазоне длин волн.