СПОСОБ НАКАЧКИ ФОТОДИССОЦИОННОГО ГЕНЕРАТОРА, ФОТОДИССОЦИОННЫЙ ГЕНЕРАТОР, СПОСОБ ЮСТИРОВКИ ФОТОДИССОЦИОННОГО ГЕНЕРАТОРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ, ЛАЗЕРНАЯ СИСТЕМА НА ОСНОВЕ ФОТОДИССОЦИОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ, СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЛАЗЕРНОЙ СИСТЕМОЙ НА ОСНОВЕ ФОТОДИССОЦИОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2006 года по МПК H01S3/03 H01S3/937 

Предлагаемая группа изобретений относится к области квантовой физики и может быть использована при изготовлении фотодиссоционных генераторов и лазерных систем для формирования импульсов электромагнитного излучения.

Известны фотодиссоционные генераторы с накачкой посредством создания ударных волн, воздействующих на рабочую среду, см. B.C.Зуев "Фотодиссоционный лазер с накачкой ударной и тепловой волнами", Академия наук СССР, ФИАН, ПРЕПРИНТ 161, 1990, стр.58, 61 и пат. РФ №(заявка №2003109980/28), решение о выдаче патента от 19.05.04 г., МПК H 01 S 3/03, 3/0937.

Недостатком приведенных технических решений является повышенная сложность исполнения, что ведет к понижению технологичности и эксплуатационных характеристик изделия.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) к предлагаемым изобретениям является способ накачки фотодиссоционного генератора, основанный на формировании ударной волны путем поджига заряда взрывчатого вещества (ВВ) в виде полого усеченного конуса со стороны его основания с последующим сжатием рабочей среды сформированной ударной волной, см. пат. РФ №(заявка №2003113792/28), решение о выдаче патента от 28.05.04 г., МПК H 01 S 3/03, 3/0937.

Устройство для реализации описанного способа содержит заряд ВВ в форме полого усеченного конуса с приемником дистанционного управления для поджига ВВ на большем торце, охватывающий капсулу цилиндрической формы, заполненную рабочей средой, и размещенный в рабочей камере с выходным окном напротив одного из торцев заряда ВВ в виде усеченного конуса.

Лазерная система на основе фотодиссоционных генераторов содержит пару лазеров, сочлененных торцами своих рабочих камер.

Способ управления лазерной системой основан на формировании коллимированного пучка электромагнитного излучения.

Устройство управления лазерной системой содержит генератор (источник) коллимированного пучка электромагнитного излучения.

Недостатками вышеописанных технических решений являются:

1. пониженная технологичность и высокая стоимость изделия за счет сложного конструктивного исполнения, обусловленного наличием очень большого количества приемников дистанционного управления у каждого фотодиссоционного генератора;

2. пониженные эксплуатационные характеристики, связанные с невозможностью точного совмещения направлений основного и переотраженного импульсов светового излучения генераторов (за счет технологических погрешностей изготовления и сборки изделия, при отсутствии юстировок для их компенсации);

3. повышенная сложность исполнения устройства управления лазерной системой на базе фотодиссоционных генераторов;

4. невозможность (или сложность) создания лазерных систем на базе множества фотодиссоционных генераторов (в количестве более двух).

Технический результат от использования предлагаемых технических решений заключается в повышении технологичности и эксплуатационных характеристик изделия, а также в обеспечении возможности проведения юстировочных работ по размещению и взаиморасположению оптических элементов конструкции.

В соответствии с предлагаемыми изобретениями указанный технический результат достигается тем, что в способе накачки фотодиссоционного генератора, основанном на формировании ударной волны, путем поджига заряда ВВ в виде полого усеченного конуса со стороны его основания с последующим сжатием рабочей среды сформированной ударной волной, поджиг заряда ВВ осуществляют в одной точке основания полого усеченного конуса, при этом рабочую среду помещают в капсулу цилиндрической формы, располагают ее параллельно оси усеченного конуса в общей плоскости последней и точки поджига ВВ на расстоянии L до оси капсулы от точки поджига ВВ, причем L выбирают исходя из условия

R - расстояние от точки поджига ВВ до оси полого конуса;

V₁ - скорость распространения ударной волны в полости усеченного конуса;

V₂ - скорость горения ВВ по торцу основания полого усеченного конуса.

Фотодиссоционный генератор, содержащий заряд ВВ в форме полого усеченного конуса с приемником дистанционного управления для поджига заряда ВВ на большем торце, охватывающий капсулу цилиндрической формы, заполненную рабочей средой, размещенный в рабочей камере с выходным окном напротив одного из торцев заряда ВВ, дополнительно снабжен плоским отражающим элементом, а ось капсулы цилиндрической формы смещена параллельно оси заряда ВВ в сторону от приемника дистанционного управления, при этом плоский отражающий элемент установлен в рабочей камере напротив дальнего от выходного окна торца цилиндрической капсулы ортогонально оси последней.

Кроме того, цилиндрическая капсула смонтирована с возможностью углового разворота и линейного смещения относительно заряда ВВ.

Кроме того, механизм углового разворота и линейного смещения цилиндрической капсулы выполнен в виде юстировочных тяг, связывающих концы капсулы со стенкой рабочей камеры.

Кроме того, каждая юстировочная тяга выполнена в виде двух полустержней с резьбовыми участками на близлежащих концах, вкрученных в резьбовую поворотную втулку.

Кроме того, резьба на концах полустержней и на участках взаимодйствующей с ними поворотной втулки выполнена одинакового направления и с разным шагом.

Кроме того, генератор дополнительно содержит два фланца с осевыми отверстиями, закрепленных на концах цилиндрической капсулы, при этом одноименные концы юстировочных тяг связаны с капсулой через упомянутые фланцы.

Кроме того, плоский отражающий элемент закреплен на дальнем от выходного окна рабочей камеры фланце.

Кроме того, тяги связаны с концами цилиндрической капсулы и/или со стенкой рабочей камеры шарнирно.

Кроме того, юстировочные тяги смонтированы наклонно к оси цилиндрической капсулы.

Кроме того, на большем торце полого усеченного конуса смонтирован кольцеобразный элемент из ВВ, скорость горения которого больше скорости горения ВВ полого усеченного конуса.

Способ юстировки фотодиссоционного генератора включает в себя формирование со стороны выходного окна рабочей камеры генератора пучка лазерного излучения, параллельного оси заряда ВВ в форме усеченного конуса, смещенного от последней в сторону от точки поджига ВВ в общей плоскости оси заряда ВВ и точки его поджига, диафрагмирование центральной части сформированного пучка, совмещение центральной области отражающего элемента с оптической осью диафрагмированного пучка лазерного излучения путем разворота резьбовых втулок близлежащих к отражающему элементу тяг, при этом диафрагмированный пучок лазерного излучения подают на рабочую поверхность отражающего элемента и разворотом резьбовых втулок, близлежащих к выходному окну генератора, осуществляют совмещение оптической оси переотраженного от оптического элемента излучения с центром диафрагмы для диафрагмирования первоначально сформированного пучка лазерного излучения.

Кроме того, совмещение центральной области отражающего элемента с оптической осью диафрагмированного пучка лазерного излучения осуществляют с помощью временно устанавливаемого имитатора отражающего элемента с предусмотренным в нем центральным сквозным каналом.

Устройство для юстировки фотодиссоционного генератора содержит источник лазерного излучения, полупрозрачную пластину, диафрагму и фотоприемное устройство, при этом полупрозрачная пластина и диафрагма последовательно установлены на выходе источника лазерного излучения, а последний оптически сопряжен через отражающий элемент фотодиссоционного генератора, диафрагму и полупрозрачную пластину с входом фотоприемного устройства.

Кроме того, на входе фотоприемного устройства предусмотрен нейтральный фильтр.

Лазерная система на основе фотодиссоционных генераторов включает N пар фотодиссоционных генераторов, последовательно сочлененных торцами своих рабочих камер под заряды ВВ в форме усеченных конусов с приемниками дистанционного управления на их основаниях, при этом рабочие камеры генераторов сочленены со сторон одноименных торцев зарядов ВВ в виде усеченных конусов, а приемники дистанционного управления смонтированы с возможностью детонационного воздействия на основания зарядов ВВ соседних рабочих камер каждой из N пар фотодиссоционных генераторов.

Способ управления лазерной системой включает формирование коллимированного пучка электромагнитного излучения, разделение коллимированного пучка на N субпучков, при этом каждый из N субпучков подают на приемники дистанционного управления для поджига зарядов ВВ соседних рабочих камер пар фотодиссоционных генераторов.

В устройство управления лазерной системой, содержащее источник пучка электромагнитного излучения, введены N полупрозрачных пластин, при этом последние последовательно смонтированы вдоль оптической оси источника электромагнитного излучения, размещены напротив приемников дистанционного управления, а источник пучка электромагнитного излучения оптически сопряжен с последними через вышеуказанные пластины.

Кроме того, устройство дополнительно содержит N фокусирующих элементов, установленных между приемниками дистанционного управления и оптически сопряженными с ними полупрозрачными пластинами.

Кроме того, полупрозрачные пластины выполнены с различными коэффициентами отражения и размещены в порядке его возрастания от первой к источнику электромагнитного излучения пластины к последней.

На Фиг.1-Фиг.4 изображены фотодиссоционный генератор и схема распространения ударных волн при его накачке; на Фиг.5-Фиг.7 - устройство для осуществления юстировки фотодиссоционного генератора; на Фиг.8 - лазерная система на основе фотодиссоционных генераторов, способ ее управления и устройство для его осуществления. Фотодиссоционный генератор содержит размещенный в рабочей камере 1 заряд ВВ в форме полого усеченного конуса 2 с приемником дистанционного управления 3 для поджига заряда ВВ на своем большем торце (на основании конуса 2). Угол конусности α полости усеченного конуса 2 выбран из условия

V₁ - скорость распространения ударной волны в рабочей камере;

V₂ - скорость горения ВВ полого усеченного конуса.

В камере 1 размещена капсула 4 (например, из кварцевого стекла) цилиндрической формы, охватываемая полым усеченным конусом 2 и заполненная рабочей газовой средой. Напротив торцев капсулы 4 в камере 1 предусмотрены выходное окно 5 и технологическая крышка 6. Ось капсулы 4 смещена параллельно оси заряда ВВ (конуса 2) в сторону от приемника дистанционного управления 3 и находится от точки поджига на расстоянии

R - расстояние от точки поджига ВВ до оси полого конуса;

V₁ - скорость распространения ударной волны в полости усеченного конуса;

V₂ - скорость горения ВВ по торцу основания полого усеченного конуса.

(Вывод формулы (2) приводиться ниже)

На концах капсулы 4 установлены фланцы 7 и 8 с осевыми отверстиями (для прохода светового излучения). На фланце 8 смонтирован плоский отражающий элемент 9. Капсула 4 смонтирована с возможностью углового смещения и разворота относительно конуса 2 (для компенсации технологических погрешностей) посредством тяг в виде полустержней 10 и 11, на близлежащих концах которых предусмотрены резьбовые участки, ввинченные в резьбовые юстировочные поворотные втулки 12 (см. Фиг.2). Для повышения чувствительности при юстировочных работах резьбы на концах полустержней 10 и 11 и на участках 13 и 14 взаимодействующих с ними втулок 12 выполнены одинакового направления, но с разными шагами (t₁ и t₂). Для исключения деформаций элементов конструкции генератора при юстировочных работах фланцы 7 и 8 связаны тягами со стенкой камеры 1 посредством шарниров 15, а для обеспечения юстировочных работ выходное окно 5 закреплено в съемной оправе 16.

Следует отметить, что для ускорения процесса горения ВВ по торцу конуса 2 (после поджига) на последнем может быть смонтирован кольцеобразный элемент из ВВ со скоростью горения большей, чем скорость горения ВВ конуса 2, а для осевого перемещения капсулы 4 ее тяги могут располагаться наклонно к оси конуса 2 (в графических материалах условно не показано).

Рассмотрим процесс накачки генератора с помощью графических материалов (см. Фиг.3 и фиг.4), где схематично изображен заряд ВВ в виде усеченного тонкостенного конуса 2, охватывающего капсулу 4 с рабочей средой, и отражающий элемент 9, располагаемые в рабочей камере генератора.

С помощью импульса электромагнитного излучения I₀, подаваемого на приемник дистанционного управления, осуществляют поджиг заряда ВВ в точке С основания (большего торца) конуса 2. В результате чего во время горения ВВ в виде конуса 2 формируется ударная волна с передним фронтом (в продольном сечении конуса 2), параллельным оси (O₁O₁) капсулы 4, т.к. угол конусности α конуса 2 выбран согласно формуле (1). (Формирование идентичной ударной волны описано, например, в патентах РФ №№ (по заявкам №№2003111841, 2003113792)). Очевидно, что горение ВВ в виде конуса 2 по замкнутому контуру последнего начнется в момент, когда возгорание ВВ достигнет точки В (см. сечение Фиг.4), находящейся на образующей конуса, проходящей через точку поджига С, и точки B₁, расположенной диаметрально противоположно точки С на основании конуса. При этом отрезок ВС=πR, где R - радиус основания конуса 2 (расстояние от оси конуса до точки поджига). Для обеспечения одновременного достижения ударной волны по всей длине капсулы 4 и равномерного сжатия ее рабочей среды капсулу 4 (с осью O₁O₁) располагают параллельно оси (ОО) конуса 2 в общей плоскости последней и точки С на расстоянии L, выбираемом из условия

R - расстояние от точки поджига ВВ до оси полого конуса;

V₁ - скорость распространения ударной волны в полости усеченного конуса;

V₂ - скорость горения ВВ по торцу основания полого усеченного конуса.

После сжатия рабочей среды капсулы 4 ударной волной замкнутого кольцевого сечения формируются импульсы световой энергии I₁ и I₂, которые суммируют с помощью отражающего элемента 9 и выводят через выходное окно 5 (см. Фиг.1) генератора.

Приведем вывод формулы (2).

Определим величину l смещения оси капсулы 4 (O₁O₁) относительно оси конуса 2 (ОО) в их общей плоскости (СОО). Процесс горения ВВ конуса 2 достигнет одновременно точек В и B₁ через промежуток времени

R - радиус основания конуса 2, a V₂ - скорость горения ВВ материала конуса 2. За время Т ударная волна пройдет в радиальном направлении полости конуса 2 расстояние

V₁ - скорость распространения ударной волны в полости усеченного конуса.

Подставляя (4) в (3), получаем

Расстояние L от точки С поджига ВВ до оси капсулы 4 равно

Поставляя (5) в (6), получаем значение L в окончательном виде:

Рассмотрим способ юстировки фотодиссоционного генератора (ФДГ) с помощью графических материалов (Фиг.5-Фиг.7), где изображена схема его реализации.

Устройство для юстировки ФДГ (с рабочей камерой 1) содержит источник (генератор) лазерного излучения 17, полупрозрачные пластины 18, диафрагму 19, нейтральный фильтр 20 и фотоприемное устройство 21. Процесс юстировки осуществляется следующим образом. ФДГ устанавливают своим посадочным местом А в отверстие технологической оправки 22. Затем со стороны выходного окна 5 рабочей камеры 1 формируют с помощью генератора 17 пучок I₃ лазерного излучения, параллельный оси (ОО) заряда ВВ в форме усеченного конуса 2, смещенный от последней в сторону от точки поджига ВВ (в общей плоскости оси конуса и точки поджига заряда) на величину L согласно формуле (2). Сформированный пучок I₃ пропускают через полупрозрачную пластину 18, вырезают из него центральную часть с помощью диафрагмы 19, которую подают на отражающий элемент 9 ФДГ. За счет технологических погрешностей изготовления и сборки (капсула 4 располагается не строго параллельно оси ОО и со смещением в радиальном направлении) диафрагмированный пучок I₃ будет подаваться не в центр отражающего элемента 9 и переотражаться от последнего под углом к оптической оси диафрагмированного пучка (см. Фиг.7). Далее осуществляют совмещение центральной области отражающего элемента 9 с диафрагмированным пучком I₃ с помощью временно устанавливаемого имитатора 23 с центральным сквозным каналом 24 (при установке имитатора 2 съемная крышка 6 временно удаляется).

После фиксации имитатора 23 резьбовым кольцом 25 производят с помощью поворота резьбовых втулок 10₂ (близлежащих к элементу 9 тяг) микроперемещения имитатора 23 в двух ортогонально расположенных плоскостях до момента получения максимальной интенсивности прошедшего через канал 24 светового излучения (пучка 14). Этот момент будет свидетельствовать о совмещении оптической оси диафрагмированного пучка I₃ с центральной областью (устанавливаемого затем) элемента 9 (а следовательно, и с центральной областью близлежащего торца капсулы 4).

Фиксацию максимальной интенсивности пучка 14 производят, например, с помощью фотоприемного устройства или визуально с использованием нейтрального фильтра (в графических материалах условно не показано). Затем на место имитатора 23 устанавливают элемент 9 и монтируют крышку 6.

После совмещения центральной области элемента 9 с оптической осью диафрагмированного пучка I₃ и установки крышки 6 пучок I₃ подают на отражающую поверхность элемента 9 и путем разворота (близлежащих к окну 5 тяг) осуществляют совмещение переотраженного от элемента 9 пучка I₃ излучения с центром диафрагмы 19 (данные операции производят при снятой оправе 16 с окном 5).

Момент вышеуказанного совмещения определяют по максимуму интенсивности отраженного от пластины 18 излучения с помощью фотоприемного устройства 21. Для уменьшения интенсивности излучения, подаваемого на фоточувствительные площадки устройства 21, на входе последнего может быть установлен нейтральный фильтр 20.

После проделанных операций ось капсулы 4 будет располагаться строго параллельно оси ОО конуса 2, находится на расстоянии L от точки поджига ВВ и в общей плоскости последней и оси ОО (чем достигается точное совмещение пучков I₁ и I₂ для получения максимальной плотности выходного излучения, см. Фиг.1 и Фиг.2).

Лазерная система (см. Фиг.8) содержит N пар 26 ФДГ, последовательно сочлененных большими торцами своих рабочих камер со стороны одноименных концов (торцов) их зарядов ВВ в виде усеченных конусов 2. Между основаниями (большими торцами) конусов 2 каждой из N пар ФДГ установлены приемники дистанционного управления 3 для обеспечения одновременного поджига (за счет детонационного воздействия) оснований конусов 2 и создания ударной волны, воздействующей на рабочую среду капсулы 4, осуществляющей создание световых импульсов (необходимо отметить, что система может быть использована и без капсулы 4, а рабочая среда закачена в полный объем рабочих камер всех ФДГ).

Устройство управления лазерной системой на основе ФДГ содержит источник коллимированного пучка электромагнитного излучения 27, N последовательно смонтированных вдоль оптической оси источника 27 полупрозрачных наклонных пластин 28, размещенных напротив приемников дистанционного управления 3 и оптически сопряженных с ними. Между пластинами 28 и приемниками 3 установлены фокусирующие элементы (линзы) 29, повышающие плотность подаваемого электромагнитного излучения. Для обеспечения одинаковой плотности энергии, подаваемой на приемники 3, пластины 28 выполнены с различными коэффициентами отражения и размещены в порядке его возрастания от первой пластины к последней.

Управление лазерной системой на основе ФДГ осуществляется следующим образом. С помощью источника 27 формируют импульс электромагнитного излучения I₅. Пластинами 28 последний разделяют на N субпучков I₆, которые фокусируют с помощью линз 29 и подают на приемники дистанционного управления 3 для поджига зарядов ВВ ФДГ. После поджига зарядов ВВ в форме усеченных конусов 2 со стороны их оснований формируется ударная волна (показано радиальными стрелками на Фиг.8), которая воздействует на рабочую среду капсулы 4 и формирует противоположно направленные импульсы световой энергии (для суммирования импульсов может быть использован отражающий элемент 9, см. Фиг.1 и фиг.4).

Из вышеприведенного следует, что предложенные технические решения имеют преимущества по сравнению с известными, а именно:

1. повышается технологичность и уменьшается стоимость изделия;

2. повышаются эксплуатационные характеристики (за счет компенсации погрешностей изготовления и сборки посредством юстировки ФДГ);

3. упрощается конструктивное исполнение устройства управления системой на базе ФДГ;

4. обеспечивается создание лазерных систем на базе множества ФДГ.

Следовательно, предложенные технические решения при использовании дают технический результат, заключающийся в повышении технологичности, уменьшении стоимости и повышении эксплуатационных характеристик изделия.

В настоящее время по материалам заявки проведены теоретические исследования, подтверждающие достижение вышеуказанного технического результата.

Группа изобретений относится к области квантовой физики и может быть использована при изготовлении фотодиссоционных генераторов и лазерных систем для формирования импульсов электромагнитного излучения. Поджиг заряда ВВ осуществляют в точке основания полого усеченного конуса. Рабочую среду помещают в капсулу цилиндрической формы, располагают ее параллельно оси усеченного конуса в общей плоскости последней и точки поджига ВВ на расстоянии L от точки поджига ВВ до оси. Фотодиссоционный генератор содержит заряд ВВ в форме полого усеченного конуса с приемником дистанционного управления. Заряд охватывает капсулу цилиндрической формы. Способ юстировки фотодиссоционного генератора включает формирование пучка лазерного излучения, параллельного оси заряда ВВ в форме усеченного конуса, диафрагмирование центральной части сформированного пучка, совмещение центральной области отражающего элемента с оптической осью диафрагмированного пучка лазерного излучения. Устройство для юстировки содержит источник лазерного излучения, полупрозрачную пластину, диафрагму, фотоприемное устройство. Лазерная система включает N пар фотодиссоционных генераторов, сочлененных торцами своих рабочих камер под заряды ВВ в форме усеченных конусов с приемниками дистанционного управления на их основаниях. Способ управления лазерной системой включает формирование коллимированного пучка электромагнитного излучения, разделение коллимированного пучка на N субпучков. Технический результат - повышение технологичности, уменьшение стоимости, повышение эксплуатационных характеристик, возможность проведения юстировочных работ по размещению и взаиморасположению оптических элементов конструкции. 7 н. и 13 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ накачки фотодиссоционного генератора, основанный на формировании ударной волны, путем поджига заряда ВВ в виде полого усеченного конуса на большем его торце с последующим сжатием рабочей среды, сформированной ударной волной, отличающийся тем, что поджиг заряда ВВ осуществляют в одной точке основания полого усеченного конуса, при этом рабочую среду помещают в капсулу цилиндрической формы, располагают ее параллельно оси усеченного конуса в общей плоскости последней и точкой поджига ВВ на расстоянии "L" от точки поджига ВВ до оси капсулы, причем "L" выбирают исходя из условия

где R - расстояние от точки поджига ВВ до оси полого конуса;

V₁ - скорость распространения ударной волны в полости усеченного конуса;

V₂ - скорость горения ВВ по торцу основания полого усеченного конуса.