УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ЗЕРКАЛ Российский патент 1997 года по МПК H01S3/86 

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при исследовании оптических зеркал лазеров.

Известна установка для исследования термодеформаций отражающей поверхности охлаждаемых зеркал, предложенная в работе В.В.Аполлонова, А.И.Барчукова и др. (см. "Письма в ЖТФ", т.4, в.19, 12.10.1978 г.). Установка позволяет определять термодеформации отражающей поверхности зеркал при воздействии на нее сфокусированного излучения мощного лазера.

Существенными недостатками установки (как и других установок с лазерным нагревом) являются малое время работы лазера, малая мощность, поглощаемая зеркалом, низкие значения КПД, сложность определения распределения плотности мощности поглощенного излучения на зеркале, малая площадь интенсивного светового воздействия, невозможность имитировать различные распределения плотности мощности на зеркале и т.д.

В работе В.В.Аполлонова, А.И.Прохорова и др. (см. "Письма в ЖТФ", том 4, вып. 8, 26.04.1978 г.) для нагревания отражающей поверхности зеркал с целью выяснения возможности использования вапотронного охлаждения в силовой металлооптике использовалась установка электронного нагрева. Аналогичная установка использовалась P.E.Octtinger, R.P.Mc.Clellan (см. "Appl. Opt," 1976, 15, N1, p. 16) при определении порогов оптического разрушения зеркал из тугоплавких материалов (вольфрама с добавкой тория, молибдена).

Основным недостатком как той, так и другой установки является отсутствие аппаратуры для исследования температурных полей и термодеформаций отражающей поверхности зеркал, что не позволяет контролировать поведение отражающей поверхности зеркал под тепловой нагрузкой.

Известна установка для испытаний зеркал при воздействии на отражающую поверхность растрового пучка электронов, имитирующего лазерный нагрев, выбранная авторами за прототип (см. A.Callender Итоговый отчет, пер. N СТ-11.702.895, 1978 г. Air Force Weapons Laboratory), позволяющая определять деформацию отражающей поверхности под тепловой нагрузкой. Установка включает вакуумную камеру с юстировочным устройством, внутри которой размещается испытываемое зеркало, электронно-лучевую пушку, систему сканирования, замкнутый контур водяного охлаждения, систему измерения деформаций с записью на видеомагнитофон, систему измерения плотности мощности на зеркале. Электронно-лучевая пушка обеспечивает тепловую мощность до 30 кВт при пятне нагрева на зеркале 1-2 см. Система сканирования непрерывно разворачивает пучок электронов по поверхности зеркала с высокой частотой, обеспечивая равномерный нагрев всей поверхности. Для измерения деформаций поверхности используется голографический интерферометр, а определение распределения тепловой нагрузки проводится по измерениям рентгеновского излучения.

Основным недостатком известной установки является отсутствие возможности получения полной комплексной информации об испытываемом зеркале. Установка позволяет получать данные лишь о деформации отражающей поверхности зеркала под нагрузкой электронным пучком, отсутствует информация о температурных распределениях корпуса и отражающей поверхности, о динамических характеристиках зеркал, о дефектах их изготовления и т.п. Кроме того, существенными недостатками установки являются относительно малая общая мощность пушки, не позволяющая создавать большие плотности мощности при значительных размерах нагреваемой зоны, невозможность имитировать различные распределения плотности мощности на зеркале, кроме равномерного, малая площадь пятна нагрева, требующая непрерывного сканирования по нагреваемой зоне.

Целью предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей установки, что позволяет комплексно определять характеристики зеркал под тепловой нагрузкой, такие как термодеформация отражающей поверхности, температурные поля корпуса и отражателя, динамические характеристики зеркал, дефекты материала и изготовления зеркал (отсутствие пропая, неоднородность материала, разнотолщинность отражателя) и т.п.

Указанная цель достигается тем, что в установку, содержащую вакуумную камеру с окнами, юстировочное устройство с закрепленным на нем испытываемым зеркалом, электронную пушку с блоком управления, установленную в стенке вакуумной камеры, интерферометрическую систему, установленную перед окном вакуумной камеры, оптически сопряженную с испытываемым зеркалом и соединенную с видеомагнитофоном, замкнутый контур охлаждения, соединенный с испытываемым зеркалом, введены цифровая вычислительная машина, термовизионная система, термодатчики, соединенные с милливольтметрами, и измерительные датчики, при этом выходы милливольтметров, измерительных датчиков и интерферометрической системы соединены с входом цифровой вычислительной машины, а ее выход соединен с блоком управления, выход термовизионной системы соединен с входом видеомагнитофона, причем юстировочное устройство с испытываемым зеркалом установлено в стенке вакуумной камеры противоположно электронной пушке, термовизионная система установлена перед окном вакуумной камеры и оптически сопряжена с испытываемым зеркалом, термодатчики установлены на боковой и задней поверхностях испытываемого зеркала, а измерительные датчики установлены по периферии испытываемого зеркала.

На чертеже схематически изображена предложенная установка, включающая 1
вакуумную камеру, 2 испытываемое зеркало, 3 электронную пушку с блоком управления электронным пучком, 4 замкнутый контур охлаждения зеркала, 5 - интерферометрическую систему измерения деформаций отражающей поверхности, 6 - видеомагнитофон, 7 термовизионную систему измерения температуры поверхности, 8 термодатчики, 9 цифровые милливольтметры, 10 цифровую вычислительную машину обработки информации и управления экспериментом, 11 датчиковую систему измерения параметров электронного пучка (11') с вторичными приборами (11"), 12 защитный экран, 13 юстировочное устройство.

В вакуумной камере 1 размещается испытываемое зеркало 2, на которое электронной пушкой 3 направляется ускоренный пучок электронов. Выделяющееся в результате торможения электронов в приповерхностном слое отражателя тепло отводится хладагентом, прокачиваемым по системе охлаждения зеркала. Для этой цели используется замкнутый контур охлаждения зеркала 4. Деформации поверхности зеркала измеряются интерферометрической системой измерения деформаций отражающей поверхности 5, при этом интерферометрическая картина фотографируется на фотопленку, записывается на видеомагнитофон 6, регистрируется на телеэкране монитора. Температура отражающей поверхности зеркала определяется с помощью термовизионной системы измерения температуры поверхности 7, при этом термограммы поверхности зеркала записываются на видеомагнитофон 6 и экран запоминающего осциллографа, с которого производится фотографирование. С целью непосредственного измерения температуры в отдельных точках зеркала используются термодатчики 8, сигналы от которых подаются на цифровые милливольтметры 9. Для обработки получаемой информации используется цифровая вычислительная машина обработки информации и управления экспериментом со специальным процессором и телемонитором 10. Параметры электронного пучка, его положение на отражающей поверхности зеркала определяются с помощью датчиковой системы измерения параметров электронного пучка (11') с вторичными приборами (11"), а нагреваемая зона на зеркале ограничивается с помощью экрана 12, охлаждаемого водой.

Используемая в установке электронная пушка 3 позволяет получать широкий осесимметричный пучок электронов с приближенным распределением плотности энергии по радиусу, при этом большая часть энергии выделяется в пятне нагрева диаметром 100-150 мм. Подобное распределение плотности энергии наиболее соответствует имеющему место в реальных системах. Наличие сканирующей системы в сочетании с возможной перестройкой формы пучка и защитными водоохлаждаемыми экранами 12 между зеркалом и пушкой дает возможность получать различные распределения плотности энергии на испытываемом зеркале. Кроме того, используемая в установке пушка имеет мощность до 150 кВт (в прототипе до 30 кВт), что является ее существенным преимуществом.

Замкнутый контур охлаждения зеркала 4 предназначен для создания циркуляции жидкости через систему охлаждения зеркала. Все соприкасающиеся с хладагентом элементы контура, включая насос, выполнены из коррозионностойкой нержавеющей стали, допускающей применение в качестве хладагента агрессивных жидкостей. Допустимые рабочие температуры насоса от +100^oC до -40^oC, что позволяет использовать в качестве охлаждающих жидкости при температуре насыщения (например, фреоны, воду и т.п.) и получать температурную зависимость гдросопротивления зеркал от расхода в широком диапазоне.

Термограммы поверхности зеркала, получаемые с помощью термовизионной системы измерения температуры поверхности 7, позволяют по наличию местных максимумов температуры определять механические неоднородности на отражающей поверхности (т.е. дефекты обработки металла, дефекты материала и т.п.), дефекты изготовления зеркала (затекание припоя в каналы, отсутствие припоя и т. п. ), эффективность системы охлаждения в тепловом отношении, положение электронного пучка на зеркале. Термодатчики 8 позволяют определить температуру любой точки корпуса зеркала или отражателя, используя, например, просверленные для размещения термодатчиков отверстия малого диаметра или прикрепляя их снаружи. Полученная информация по температурным полям является весьма важной, характеризующей зеркало как с точки зрения изготовления, так и с точки зрения эффективности системы охлаждения, и позволяет паспортизировать и отбраковывать зеркала перед использованием их в лазерах.

Цифровая вычислительная машина обработки информации и управления экспериментом со специальным процессором и телемонитором позволяет сократить время обработки получаемых данных, время проведения экспериментов, повысить их точность и надежность. В вычислительную машину вводится информация с интерферометрической системы измерения деформаций 5, с датчиковой системы измерения параметров электронного пучка 11, с термодатчиков 8. Выход машины связан с системой управления электронным пучком пушки 3, что позволяет проводить корректировку режима работы пушки, управлять положением пучка на зеркале, определять оптимальные условия работы зеркала и т.д.

В отличие от прототипа юстировочное устройство 13, на котором размещается испытываемое зеркало 2, находится не внутри камеры, а на ее задней стенке. Поворот зеркала в двух взаимно перпендикулярных плоскостях осуществляется винтами точной регулировки с использованием для уплотнения шаровой и конических поверхностей на сопрягаемых деталях. Размещение юстировочного устройства на задней стенке камеры имеет определенные преимущества по сравнению с использованным в прототипе размещением внутри камеры: повышается точность юстировки, упрощается конструкция механизмов юстирования и повышается их надежность, облегчаются монтаж зеркала и подвод хладагента к нему, обеспечиваются минимальные габариты камеры при заданном расстоянии от пушки до зеркала.

Таким образом, основным преимуществом предлагаемой установки по сравнению с прототипом является расширение функциональных возможностей установки, в частности возможности комплексного определения следующих характеристик зеркал под нагрузкой: термодеформаций отражающей поверхности, гидросопротивления системы охлаждения, температурных распределений корпуса и отражающей поверхности, динамических характеристик и т.п. С помощью установки под нагрузкой проводятся паспортизация и неразрушающая отбраковка зеркал по дефектам материала и изготовления их (отсутствие припоя, затекание припоя в каналы охлаждения, разнотолщинность отражателя и т.п.), что крайне важно и необходимо в практике и исключено в прототипе. Значительными преимуществами установки по сравнению с прототипом являются использование электронной пушки с широким пучком электронов, имеющей большую мощность и возможность получения различных распределений плотности энергии на зеркале; применение вычислительной машины, значительно сокращающей время обработки данных, повышающей точность и надежность экспериментальных данных; использование юстировочного устройства, размещенного в стенке вакуумной камеры, что повышает точность юстировки, упрощает конструкцию механизмов и камеры.

В настоящее время на предприятии по материалам заявки на предполагаемое изобретение изготовлена установка для испытаний зеркал. Идет отладка основных элементов и систем установки, проводятся ее испытания. Проведенные испытания показали, что установка обеспечивает комплексное определение характеристик зеркал под нагрузкой электронным пучком (термодеформаций поверхности, гидросопротивления системы охлаждения, температурных полей, дефектов материала и изготовления зеркал и т.п.).

Изобретение относится к лазерной технике. Сущность: в устройство для испытания зеркал введены цифровая вычислительная машина, термовизионная система, термодатчики и измерительные датчики. 1 ил.

Устройство для испытания зеркал, содержащее вакуумную камеру с окнами, юстировочный узел с закрепленным на нем испытываемым зеркалом с охлаждением, электронную пушку с блоком управления, закрепленную на вакуумной камере, интерферометр, установленный перед окном, оптически сопряженный с испытываемым зеркалом и соединенный с видеомагнитофоном, отличающееся тем, что, с целью сокращения времени обработки получаемых данных и повышения их точности и надежности, в него введены цифровая вычислительная машина, термовизионная система, термодатчики, соединенные с милливольтметрами, и измерительные датчики, при этом выходы милливольтметров, измерительных датчиков и интерферометров соединены с входом цифровой вычислительной машины, а ее выход с блоком управления, выход термовизионной системы соединен с входом видеомагнитофона, причем юстировочный узел с испытываемым зеркалом установлен вне вакуумной камеры на стенке, противоположной электронной пушке, термовизионная система установлена перед окном вакуумной камеры и оптически сопряжена с испытываемым зеркалом, термодатчики установлены на боковой и задней поверхностях испытываемого зеркала, а измерительные датчики установлены по периметру испытываемого зеркала.