ОПТИЧЕСКИЙ АДАПТИВНЫЙ МОДУЛЬ Российский патент 1997 года по МПК G02B26/06 

Изобретение относится к управляемой оптике и может быть использовано для уменьшения расходимости излучения лазеров при их эксплуатации, а также для управления волновым фронтом лазерных пучков в оптических приборах и системах.

Известна внутрирезонаторная адаптивная система компенсации искажений излучения лазера, содержащая корректирующее устройство в виде адаптивного зеркала, установленного внутри резонатора, линзу, в фокусе которой находится фотоприемник с расположенной перед ним точечной диафрагмой, усилители, синхронные детекторы, задающие генераторы и смесители. Разделение каналов управления адаптивным зеркалом достигается выбором различных модулирующих частот задающих генераторов. Недостатками данной системы являются использование внутрирезонаторной схемы коррекции, поскольку это предполагает вмешательство в конструкцию лазера, сложность системы и ее элементов, низкая точность и надежность компенсации искажений.

Известна адаптивная система компенсации теплового самовоздействия лазерного излучения, содержащая корректирующее устройство, состоящее из цилиндрических линз и поворотных зеркал, и систему управления им, состоящую из лазера, оптической системы и двух каналов управления. Один из каналов, содержащий квадратный приемник излучения, расположенный в фокусе линзы, дифференциальные и выходные усилители, формирует сигналы управления положением двух поворотных зеркал. Другой канал, содержащий линзу, в фокусе которой находится фотоприемник с расположенной перед ним точечной диафрагмой, усилители, синхронные детекторы, задающие генераторы, фазовращатели, фильтры и сумматоры, формирует сигналы управления шаговыми двигателями, которые перемещают цилиндрические линзы вдоль оптической оси, причем разделение сигналов управления положением цилиндрических линз достигается выбором различных модулирующих частот задающих генераторов.

Недостатками известного устройства являются сложность системы в целом, а также устройств, в нее входящих, низкая точность и надежность компенсации искажений.

Техническим результатом от использования изобретения является упрощение системы динамической компенсации дефокусировки и наклонов волнового фронта лазерного излучения с одновременным повышением точности и надежности компенсации.

Указанный результат достигается тем, что оптический адаптивный модуль, содержащий корректирующее устройство и два приемника излучения, расположенных в фокусах линз, один из который квадратный, а перед другим расположена точечная диафрагма, снабжен находящимися в едином корпусе последовательно расположенными входным оптическим окном, корректирующим устройством, содержащим динамическую юстировочную головку с расположенным в ней адаптивным зеркалом, и прямоугольной призмой, катетные грани которой частично прозрачны, входным оптическим окном, двумя приемниками излучения и электронным усилителем-преобразователем, входы которого соединены с выходами приемников излучения, а выходы с динамической юстировочной головкой и адаптивным зеркалом.

Упрощение системы динамической компенсации дефокусировки и наклонов волнового фронта лазерного излучения достигается за счет исключения лазера, синхронных детекторов, задающих генераторов, фазовращателей, фильтров и сумматоров и замены на прямую разделительную призму и электронный усилитель преобразователь. Повышение точности и надежности компенсации дефокусировки и наклонов волнового фронта обеспечивается за счет использования биморфного адаптивного зеркала вместо цилиндрических линз, перемещаемых шаговыми двигателями, и динамической юстировочной головки с пьезоэлектрическими приводами вместо поворотных зеркал.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема оптического адаптивного модуля; на фиг. 2 расположение фокального пятна на квадратном приемнике излучения в исходном состоянии; на фиг. 3 то же, при наличии искажений волнового фронта; на фиг. 4 принципиальная схема электронного усилителя-преобразователя; на фиг. 5 состав и принцип действия динамической юстировочной головки.

Устройство состоит из корпуса 1, в котором имеются входное 2 и выходное 3 оптические окна. За входным окном 2 последовательно расположены адаптивное зеркало 4, укрепленное в динамической юстировочной головке 5, и разделительная призма 6, после которой расположены два приемных оптических канала и выходное оптическое окно 3. Один из приемных оптических каналов содержит линзу 7 и квадратный приемник излучения 8, другой линзу 9, в фокусе которой находится приемник излучения 10 с расположенной перед ним точечной диафрагмой 11. Выходы приемников излучения 8 и 10 подключены через электронный усилитель-преобразователь 12 к динамической юстировочной головке 5 и адаптивному зеркалу 4.

Оптический адаптивный модуль работает следующим образом.

Лазерный пучок через входное окно 2 поступает на адаптивное зеркало 4 и далее на разделительную призму 6, с которой небольшая доля излучения отводится в приемные оптические каналы, а основной пучок через выходное окно 3 выводится из лазерного адаптивного модуля. В исходном состоянии форма отражающей поверхности адаптивного зеркала 4 плоская, а элементы 4 11 съюстированы так, что подающий на адаптивное зеркало 4 лазерный пучок E с плоским волновым фронтом

где амплитуда пучка;
радиус вектор;
ω_o угловая частота лазерного излучения;
t временная координата;
k волновое число;
Φ_o постоянный сдвиг фазы
создает в центре каждого приемника излучения фокальное пятно минимального диаметра. На фиг. 2 показано расположение фокального пятна на квадратном приемнике излучения 8 при входном пучке 1 в исходном состоянии, когда для выходных сигналов U₁ U₄ этого приемника, пропорциональных площадям засветки соответствующих светочувствительных площадок П1,П4, справедливо
U_1исх=U_3исх (2)
U_2исх=U_4исх (3)
Выходной сигнал U₅ второго приемника излучения 10, пропорциональный интенсивности излучения в центре фокального пятна, в исходном состоянии при входном пучке (1) имеет свое максимальное значение U_макс
U_5исх=U_макс
Электронный усилитель-преобразователь 12 (фиг. 4) имеет три канала усиления, каждый из которых содержит два последовательно расположенных дифференциальных усилителя 13, причем последние из них имеют обратную связь через резистор 14, а первые регулировку коэффициента усиления. Один из каналов усиления дополнительно содержит схему запоминания и сравнения 15, а также потенциометр 16. Выходные сигналы U₁.U₅ приемников излучения 8, 10 поступают на входы электронного усилителя-преобразователя 12, как показано на фиг. 4, который формирует управляющие сигналы адаптивного зеркала 4 V₃ и динамической юстировочной головки 5 V₁, V₂

где U₁.U₄ выходные сигналы квадратного приемника излучения;
U₅ выходной сигнал второго приемника излучения;
U_макс выходной сигнал второго приемника в исходном состоянии;
K₁.K₃ коэффициенты усиления каналов электронного усилителя-преобразователя;
' обозначение предыдущих значений сигналов U₁.U₅, V₁.V₃,
причем знак перед вторым слагаемым в (7) меняется на противоположный, если:

В исходном состоянии справедливо:
V_1исх=V_2исх=V_3исх=0 (9)
При наличии в лазерном пучке (1) искажений типа наклонов и дефокусировки волнового фронта, описываемых соответственно функциями

где C₁, C₂, C₃ постоянные коэффициенты,
фокальное пятно на квадратном приемнике излучения 8 смещается (фиг. 3) так, что на динамическую юстировочную головку 5 поступают управляющие сигналы V₁, V₂ в соответствии с (5), (6). Интенсивность излучения в центре фокального пятна на приемнике 10 в этом случае снижается так, что на адаптивное зеркало 4 поступает управляющий сигнал V₃ в соответствии с (7), (8). Динамическая юстировочная головка 5 содержит неподвижное основание 17 ( фиг. 5) с установленными на нем опорой 18 и пьезоэлектрическим приводом 19, на которых расположено подвижное основание 20, причем соединение его с опорой 18 представляет собой шаровой шарнир. На подвижном основании 20 с помощью опоры 21 и пьезоэлектрического привода 22 аналогично установлена подвижная оправка 23, в которой неподвижно закрепляется адаптивное зеркало 4, причем угол между прямыми, соединяющими элементы 18 и 19, 21 и 22, составляет 90^o. Пьезоэлектрические приводы 19 и 22 деформируются под воздействием управляющих сигналов V₂ и V₁ соответственно так, что наклоны отражающей поверхности адаптивного зеркала 4 описываются функциями S₁ и S₂
S₁=V₁•a₁•x (13)
S₂=V₂•a₂•y (14)
где f₁, a₂ постоянные коэффициенты.

Адаптивное зеркало 4-биморфное с управляющим электродом в виде круга и функцией отклика f:
f=a₃(x²+y²) (15)
где a₃ постоянный коэффициент;
деформируется под воздействием управляющего сигнала V₃ так, что его отражающая поверхность описывается функцией S₃
S₃= V₃f=V₃a₃•(x²+y²). (16) фаза Φ_отр. отраженного от адаптивного зеркала 4 лазерного пучка (1), содержащего наклоны (10), (11) и дефокусировку (12) волнового фронта, есть
Φ_отр=Φ_o+Φ₁+Φ₂+Φ₃-2K•cosθ_o•(S₁+S₂+S₃), (17)
где θ угол падения лазерного пучка на зеркало и при некоторых значениях коэффициентов усиления K₁, K₂, K₃ в (5), (7) каналов усилителя-преобразователя 12 справедливо
v_отр=Φ_o (18)
при

Значения коэффициентов усиления K₁, K₂, K₃ каналов усилителя-преобразователя 12 устанавливаются на этапе юстировки так, чтобы для некоторых пробных искажений (10),(12) выполнялись условия (19),(21), и, следовательно, (18), что соответствует плоскому волновому фронту выходного лазерного пучка и полной компенсации дефокусировки и наклонов.

При наличии в лазерном пучке (1) наклонов и дефокусировки волнового фронта, изменяющихся со временем
Φ₁(t)=C₁(t)•x, (22)

выходные сигналы U₁,U₅ приемников излучения 8, 10 и, следовательно, управляющие сигналы динамической юстировочной головки 5 - V₁, V₂ и адаптивного зеркала 4 V₃ также изменяются со временем, при этом работа лазерного адаптивного модуля представляет собой итерационный процесс достижения условий (2),(4), соответствующих компенсации дефокусировки и наклонов волнового фронта выходного излучения.

Использование: для уменьшения расходимости излучения лазеров при их эксплуатации, а также для управления волновым фронтом лазерных пучков в оптических приборах и системах. Сущность изобретения: в оптическом адаптивном модуле в едином корпусе 1 последовательно расположены входное оптическое окно 2, корректирующее устройство, содержащее динамическую юстировочную головку 5 с расположенным в ней адаптивным зеркалом 4 и прямую разделительную призму 6, установленную так, что излучение, поступившее из входного окна 2 в корпусе 1, отразилось от адаптивного зеркала и направилось на ее первую катетную грань и, отразившись от нее, направилось в выходное окно 3 в корпусе 1, а прошедшее через нее излучение и отраженное от второй катетной грани направилось через линзы 7, 9 на два приемника 8, 10 излучения, подключенные к электронному усилителю-преобразователю 1, 2, выходы которого соединены с динамической юстировочной головкой 5. 5 ил.

Оптический адаптивный модуль, содержащий корректирующее устройство, электронный усилитель-преобразователь, два приемника излучения, расположенных в фокусах линз, один из которых квадратный, а перед другим расположена точечная диафрагма, и светоделительную систему, при этом выходы приемников излучения соединены с входом электронного усилителя-преобразователя, выходы которого соединены с корректирующим устройством, отличающийся тем, что корректирующее устройство выполнено в виде динамической юстировочной головки и установленного в ней адаптивного зеркала, светоделительная система выполнена в виде прямоугольной призмы, первая катетная грань которой расположена в ходе луча, отраженного от адаптивного зеркала, линзы расположены в ходе луча, прошедшего через вторую катетную грань прямоугольной призмы в ходе луча, отраженного от нее, модуль снабжен входным оптическим окном, расположенным перед адаптивным зеркалом и выходным оптическим окном, расположенным в ходе луча, отраженного от первой катетной грани прямоугольной призмы, при этом оптические окна расположены в дополнительно введенном корпусе.