СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2011 года по МПК H01S3/10 G02F1/11 

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано для точного управления лазерным излучением.

При управлении лазерного излучения необходимо точно управлять направлением излучения независимо от окружающей температуры, температуры элементов устройства и вибраций. Общеизвестно, что направлением лазерного излучения можно управлять с помощью акустооптических дефлекторов (патент РФ №2355007). При этом так же известно, что скорость звуковой волны в акустооптическом кристалле зависит от температуры. Данную погрешность можно компенсировать введением поправки частоты акустической волны в зависимости от температуры среды (патент РФ №2243626), но в процессе работы происходит разный разогрев дефлекторов, и процесс имеет динамический характер. Поэтому необходимо непрерывно контролировать изменение положения лазерного излучения относительно конструктивных осей изделия и корректировать его соответствующим образом, для чего можно использовать измерительный канал (патент РФ №2381625).

К недостаткам акустооптических дефлекторов можно отнести малый угол отклонения лазерного луча в двух ортогональных плоскостях, зависимость расходимости отклоненного лазерного пучка от спектральной ширины лазерного излучения и низкая эффективность отклонения неполяризованного излучения. Так, например, мощные волоконные лазеры излучают неполяризованное излучение и имеют полуширину спектра 2 нм, что приводит к увеличению расходимости лазерного пучка, отклоненного акустооптическим дефлектором, до 10 мрад, что неприемлемо для систем управления лазерным излучением.

Целью изобретения является создание системы управления лазерным излучением, способной быстро и точно управлять лазерным лучом, при этом не ухудшать его расходимость.

Технический результат направлен на создание системы управления лазерным неполяризованным излучением за счет деления лазерного излучения на два канала с ортогональными поляризациями, управления лазерным излучением в каждом канале с помощью акустооптических ячеек, измерения отклонения лазерного излучения в каждом канале относительно друг друга и относительно посадочных плоскостей всей системы с помощью измерительного канала.

В предлагаемом устройстве технический результат достигается использованием поляризационного светоделительного блока, делящего систему на два канала, при этом в каждом канале используются две анизотропные акустооптические ячейки, развернутые друг относительно друга на 90°, призм, корректирующих хроматическую аберрацию, призму-сумматор, светоделительную призму, делящую систему на два канала - основной и измерительный, при этом в измерительном канале используется телескопическая система, светоделительный блок и два позиционно-чувствительных фотоприемника.

Система управления лазерным излучением объясняется фигурами 1-3.

На фигуре 1 представлена система управления лазерным излучением (вариант 1).

На фигуре 2 представлена система управления лазерным излучением (вариант 2).

На фигуре 3 представлен позиционно-чувствительный фотоприемник.

Авторами предлагается система управления неполяризованным лазерным излучением, представленная на фигуре 1, которая содержит лазер 1, поляризационный светоделительный блок 2, разделяющий лазерное излучение на два канала с разной поляризацией излучения, при этом в каждом канале последовательно установлены две анизотропные акустооптические ячейки 3, 5 и 8, 10, развернутые друг относительно друга на 90°, призмы 4, 6 и 9, 11, корректирующие хроматическую аберрацию после акустооптических ячеек, и пары оптических клиньев 7 и 12, далее последовательно установлены призма-сумматор 13, объединяющая лазерное излучение двух каналов в один лазерный пучок, и светоделительная призма 14, делящая систему на два - канала основной и измерительный, при этом в основном канале распространения лазерного излучения установлена телескопическая система 15, а в измерительном канале последовательно установлены пара оптических клиньев 16, телескопическая система 17 и поляризационный светоделительный блок 18, разделяющий лазерное излучение на два канала с разной поляризацией излучения, при этом в каждом канале установлены два позиционно-чувствительных фотоприемника 20 и 21, которые электрически связаны с блоками управления акустооптическими ячейками 22 и 23, которые в свою очередь управляются компьютером 24, в котором занесены координаты цели.

Принцип работы системы управления лазерным излучением осуществляется следующим образом. Неполяризованное излучение лазера 1, проходя через поляризационный светоделительный блок 2, делится на два канала I и II, в которых излучение распространяется с разными линейными поляризациями. Поляризационный светоделительный блок 2 представляет собой призму ВР-0 с приклеенной к поляризационно-избирательной светоделительной грани призмой АР-90, при этом отражающая грань призмы ВР-0 выполнена в виде крыши. В каждом канале лазерный пучок проходит две анизотропные акустооптические ячейки 3, 5 или 8, 10, развернутые друг относительно друга на 90°, с помощью которых осуществляется управление направлением распространения лазерных пучков, при этом в каждом канале установлены призмы 4, 6 или 9, 11, корректирующие хроматическую аберрацию, угол в вершине которых выбирается исходя из условия компенсации хроматической аберрации, вызываемой размытием лазерного пучка при прохождении акустооптической ячейки лазерного излучения с большой полушириной спектра (более 0,5 нм). Также в каждом канале установлена пара оптических клиньев 7 и 12, вращая которые осуществляется сведение оси диаграммы направленности выходящего лазерного излучения с посадочными плоскостями системы. Далее последовательно установлены поляризационная призма сумматор 13, объединяющая лазерное излучение двух каналов в один лазерный пучок и светоделительная призма 14, делящую систему на два канала основной и измерительный. Призма сумматор 13 выполнена как поляризационный светоделительный блок 2 с той лишь разницей, что поляризационно-избирательная светоделительная грань отражает другую (ортогональную) линейную поляризацию, а светоделительная призма 14 представляют собой призму ВР-0 с приклеенной к светоделительной грани призмой АР-90, при этом отражающая грань призмы ВР-0 выполнена в виде крыши. Далее в основном канале распространения лазерного излучения установлена телескопическая система 15, у которой с помощью взаимного продольного перемещения линз осуществляется уменьшение расходимости лазерного излучения. В измерительном канале последовательно установлены пара оптических клиньев 16, вращая которые осуществляется сведение оси диаграммы направленности лазерного излучения с центром позиционно-чувствительного фотоприемника 21, телескопическая система 17, уменьшающая изображение, за счет чего моделируется большее расстояние до фотоприемников 20 и 21, при этом с помощью взаимного продольного перемещения линз добиваются условия нахождения перетяжки лазерного излучения на поверхности позиционно-чувствительных фотоприемников 20 и 21, поляризационный светоделительный блок 18, идентичный призменному блоку 2, разделяющий лазерное излучение на два канала, при этом в каждом канале установлены два позиционно-чувствительных фотоприемника 20 и 21, которые электрически связаны с блоками управления акустооптическими ячейками 23 и 24. При этом оптическое расстояние от телескопической системы 17 до поверхности фотоприемников 20 и 21 должно быть одинаковым. С помощью взаимного вращения пары оптических клиньев 19 осуществляется сведение оси диаграммы направленности лазерного излучения с центром позиционно-чувствительного фотоприемника 21. Если необходимо вывести лазерное излучение в точку пространства, координаты которой установлены, компьютер 24, управляя блоками управления акустооптических ячеек 23 и 24, изменяет частоту акустической волны на акустооптические ячейки 3 5 или 8, 10 до тех пор, пока излучение в измерительном канале не совпадет с заданным, соответствующим координатам точки пространства положением пучка лазерного излучения на позиционно-чувствительных фотоприемниках 20 и 21 измерительного канала.

Выбранная конструкция поляризационных светоделительных блоков 2 и 18 призмы сумматора 13, светоделительной призмы 14 позволяет компенсировать любые угловые отклонения лазерного излучения независимо от положения призм, так как они при отклонении лазерного излучения работают как триппель-призмы (уголковые отражатели).

Как сообщалось раньше, акустооптические дефлекторы не могут отклонять излучение на значительные углы, что ограничивает применение данной системы. Для увеличения угла сканирования системы управления лазерным излучением авторами предлагается для развертки излучения по одной координате использовать механическое зеркальное сканирующее устройство - гальванометр с закрепленным на нем плоским зеркалом.

Авторами предлагается система управления неполяризованным лазерным излучением, представленная на фигуре 2, которая содержит лазер 1, поляризационный светоделительный блок 2, разделяющий лазерное излучение на два канала с разной поляризацией излучения, при этом в каждом канале последовательно установлена анизотропная акустооптическая ячейка 3 и 8, призмы 4 и 11, корректирующие хроматическую аберрацию после акустооптических ячеек, и пары оптических клиньев 7 и 12, при этом в одном из каналов до и после акустооптической ячейки установлены фазовые полуволновые пластинки (λ/2) 25 и 26, далее последовательно установлены призма-сумматор 13, объединяющая лазерное излучение двух каналов в один лазерный пучок, телескопическая система 15, гальванометр с закрепленным на нем плоским зеркалом 27 и светоделительная призма 14, делящая систему на два канала - основной и измерительный, при этом в основном канале распространения лазерного излучения установлена, а в измерительном канале последовательно установлены пара оптических клиньев 16, телескопическая система 17 и поляризационный светоделительный блок 18, разделяющий лазерное излучение на два канала с разной поляризацией излучения, при этом в каждом канале установлены два позиционно-чувствительных фотоприемника 20 и 21, которые электрически связаны с блоками управления акустооптическими ячейками 22 и 23, которые в свою очередь управляются компьютером 24, в котором занесены координаты цели.

Принцип работы системы управления лазерным излучением осуществляется следующим образом. Неполяризованное излучение лазера 1, проходя через поляризационный светоделительный блок 2, делится на два канала I и II, в которых излучение распространяется с разными линейными поляризациями. Поляризационный светоделительный блок 2 представляет собой призму ВР-0 с приклеенной к поляризационно-избирательной светоделительной грани призмой АР-90, при этом отражающая грань призмы ВР-0 выполнена в виде крыши. В канале II перед акустооптической ячейкой 8 установлена фазовая полуволновая пластинка (λ/2) 25, которая сориентирована таким образом, чтобы развернуть линейную поляризацию лазерного излучения на 90°, что обеспечивает отклонение лазерного излучения акустооптическими ячейками 3 и 8 в одной плоскости. Далее в каждом из каналов последовательно установлены акустооптические ячейки 3 или 8, с помощью которых осуществляется управление направлением распространения лазерных пучков в одной плоскости, при этом в каждом канале установлены призмы 4 или 11, корректирующие хроматическую аберрацию, угол в вершине которых выбирается исходя из условия компенсации хроматической аберрации, вызываемой размытием лазерного пучка при прохождении акустооптической ячейки лазерного излучения с большой полушириной спектра (более 0,5 нм). Также в каждом канале установлена пара оптических клиньев 7 и 12, вращая которые осуществляется сведение оси диаграммы направленности выходящего лазерного излучения с посадочными плоскостями системы. В канале II после акустооптической ячейки 8 установлена фазовая полуволновая пластинка (λ/2) 26, которая сориентирована таким образом, чтобы развернуть линейную поляризацию лазерного излучения на 90°, что необходимо для последующего точного сведения лучей обоих каналов в один луч с помощью измерительного канала. Далее последовательно установлены поляризационная призма-сумматор 13, объединяющая лазерное излучение двух каналов в один лазерный пучок, которая выполнена как поляризационный светоделительный блок 2 с той лишь разницей, что поляризационно-избирательная светоделительная грань отражает другую (ортогональную) линейную поляризацию, телескопическая система 15, у которой с помощью взаимного продольного перемещения линз осуществляется уменьшение расходимости лазерного излучения, гальванометр с закрепленным на нем плоским зеркалом 27 и светоделительная призма 14, делящая систему на два канала - основной и измерительный. Светоделительная призма 14 представляют собой призму ВР-0 с приклеенной к светоделительной грани призмой АР-90, при этом отражающая грань призмы ВР-0 выполнена в виде крыши. В измерительном канале последовательно установлены пара оптических клиньев 16, вращая которые осуществляется сведение оси диаграммы направленности лазерного излучения с центром позиционно-чувствительного фотоприемника 21, телескопическая система 17, уменьшающая изображение, за счет чего моделируется большее расстояние до фотоприемников 20 и 21, при этом с помощью взаимного продольного перемещения линз добиваются условия нахождения перетяжки лазерного излучения на поверхности позиционно-чувствительных фотоприемников 20 и 21, поляризационный светоделительный блок 18, идентичный призменному блоку 2, разделяющий лазерное излучение на два канала, при этом в каждом канале установлены два позиционно-чувствительных фотоприемника 20 и 21, которые электрически связаны с блоками управления акустооптическими ячейками 23 и 24. При этом оптическое расстояние от телескопической системы 17 до поверхности фотоприемников 20 и 21 должно быть одинаковым. С помощью взаимного вращения пары оптических клиньев 19 осуществляется сведение оси диаграммы направленности лазерного излучения с центром позиционно-чувствительного фотоприемника 21. Если необходимо вывести лазерное излучение в точку пространства, координаты которой установлены, компьютер 24, управляя блоками управления акустооптических ячеек 23 и 24, изменяет частоту акустической волны на акустооптические ячейки 3, 5 или 8, 10 до тех пор, пока излучение в измерительном канале не совпадет с заданным, соответствующим координатам точки пространства, положением пучка лазерного излучения на позиционно-чувствительных фотоприемниках 20 и 21 измерительного канала. Если необходимо вывести лазерное излучение в точку пространства, координаты которой установлены, компьютер 24, управляя блоками управления акустооптических ячеек 23 и 24, изменяет частоту акустической волны на акустооптических ячейках 3, 8 и напряжение на гальванометре 27 до тех пор, пока излучение в измерительном канале не совпадет с заданным, соответствующим координатам точки пространства, положением пучка лазерного излучения на позиционно-чувствительных фотоприемниках 20 и 21 измерительного канала.

В качестве позиционно-чувствительных фотоприемников 20 и 21 могут использоваться четырехквадрантные фотодиоды, ПЗС матрицы и ПЗС или фотодиодные линейки. Четырехквадрантные фотодиоды имеют малый диапазон измерения перемещения лазерного пучка по поверхности, особенно если пучок имеет малую расходимость. ПЗС матрицы имеют большой диапазон измерения перемещения лазерного пучка по поверхности, но при этом частота опроса координаты лазерного пучка не превышает 100 Гц, что может сказаться на скорости управления лазерным излучением. Авторами предлагается позиционно-чувствительный фотоприемник, представленный на фигуре 3, выполненный в виде светоделительного блока 29, делящего лазерное излучение на два канала, при этом в каждом канале последовательно располагаются по цилиндрической линзе 30 или 31 и по ПЗС линейке 32 и 33, при этом цилиндрические линзы 30 или 31 ортогонально сориентированы, а элементы ПЗС линейки располагаются на фокальном расстоянии от цилиндрических линз.

Система содержит последовательно установленные лазер, поляризационный светоделительный блок, после которого в каждом канале последовательно установлены две анизотропные акустооптические ячейки, развернутые относительно друг друга на 90°, две призмы и пара оптических клиньев. Далее последовательно установлены призма-сумматор и светоделительная призма. Также система содержит телескоп, измерительный канал, включающий поляризационный светоделительный блок, две пары оптических клиньев, телескопическую систему и позиционно-чувствительный фотоприемник. При этом в измерительном канале используется второй позиционно-чувствительный фотоприемник, кроме этого позиционно-чувствительные фотоприемники электрически связаны компьютером, который связан с блоками управления акустооптическими ячейками. Во втором варианте реализации система содержит последовательно установленные в каждом канале анизотропные акустооптические ячейки, призму и пару оптических клиньев, при этом в одном канале до и после анизотропной акустооптической ячейки установлены фазовые полуволновые пластинки (λ/2). Технический результат заключается в обеспечении способности быстрого и точного управления лазерным лучом без ухудшения его расходимости. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система управления лазерным излучением, содержащая последовательно установленные лазер, две анизотропные акустооптические ячейки, развернутые относительно друг друга на 90°, телескоп, измерительный канал, включающий поляризационный светоделительный блок, две пары оптических клиньев, телескопическую систему и позиционно-чувствительный фотоприемник, отличающаяся тем, что дополнительно используется поляризационный светоделительный блок, после которого в каждом канале последовательно установлены две анизотропные акустооптические ячейки, две призмы и пара оптических клиньев, далее последовательно установлены призма-сумматор, светоделительная призма, при этом в измерительном канале используется второй позиционно-чувствительный фотоприемник, кроме этого, позиционно-чувствительные фотоприемники электрически связаны компьютером, который связан с блоками управления акустооптическими ячейками.

2. Система управления лазерным излучением, содержащая последовательно установленные лазер, анизотропную акустооптическую ячейку, телескоп, измерительный канал, включающий поляризационный светоделительный блок, две пары оптических клиньев, телескопическую систему и позиционно-чувствительный фотоприемник, отличающаяся тем, что дополнительно используется поляризационный светоделительный блок, после которого в каждом канале последовательно установлены анизотропная акустооптические ячейки, призма и пара оптических клиньев, при этом в одном канале до и после анизотропной акустооптической ячейки установлены фазовые полуволновые пластинки (λ/2), далее последовательно установлены призма-сумматор, телескопическая система, гальванометр с закрепленным на нем плоским зеркалом, светоделительная призма, при этом в измерительном канале используется второй позиционно-чувствительный фотоприемник, кроме этого, позиционно-чувствительные фотоприемники электрически связаны компьютером, который связан с блоками управления акустооптическими ячейками.