Узел ввода лазерного излучения - общая конструкция, варианты использования компонентов объёмной оптики, оптический разъём Российский патент 2023 года по МПК G02B6/26 G02B7/02 

Изобретение относится к средствам инициирования пироавтоматики изделий ракетно-космической, авиационной, военно-морской и специальной техники, а также к области взрывных работ, в частности, к конструкциям исполнительных устройств систем лазерного инициирования.

В основе традиционных средств пироавтоматики лежит принцип подрыва пиропатрона, который представляет собой электрическую цепь, где инициирование взрывчатого вещества достигается дуговым электрическим разрядом. Использование пиропатронов, основанных на принципе подачи дугового электрического разряда, имеет ряд ограничений, связанных, в первую очередь, с высокой чувствительностью таких устройств к воздействию электромагнитного импульса и статического электричества, которые могут преждевременно инициировать воспламенительный состав пиропатрона.

Инициирование пиропатрона лазерным излучением позволяет существенно повысить технологичность и безопасность системы пироавтоматики, что обуславливается высоким уровнем стойкости к электромагнитным воздействиям и разрядам статического электричества.

Основными преимуществами оптоволоконных систем по сравнению с электрическими являются: малое затухание управляющего сигнала в волоконном кабеле, нечувствительность к электромагнитным помехам, малые массогабаритные размеры кабелей. Оптоволоконный кабель защищен от внешних воздействий (температура, агрессивная среда, влажность, грунтовые воды, грызуны), более безопасен для обслуживающего персонала по сравнению с электрическим кабелем (по опасности поражения электрическим током, взрыво- и пожароопасности).

Известен «Предохранительный детонатор», описанный в патенте РФ №2424490, опубл. 20.07.2011 г., содержащий корпус, оптический взрыватель, воспламенитель, чашечку с первичным инициирующим воспламенительным составом заряд основного воспламенительного состава и линию подвода энергии в виде оптического волокна.

Достоинством данного устройства является повышение безопасности буровзрывных работ во взрывоопасных средах путем замены электродетонаторов на волоконно-оптические лазерные детонаторы, позволяющие увеличить уровень стойкости к электромагнитным воздействиям и разрядам статического электричества, за счет применения в конструкции детонатора полностью диэлектрических материалов.

К недостаткам данного устройства следует отнести сложность конструкции фокусирующей оптической системы, состоящей из нескольких двояковыпуклых оптических линз, которые при воздействии внешних факторов могут получить смещение и потерять соосность, что в свою очередь приведет к потере фокуса оптического излучения и несрабатыванию устройства. Также недостатком является низкая технологичность сборки соединения объемной оптики оптической системы и оптического волокна. Также конструкция устройства не позволяет осуществить проверку целостности оптической системы и волокна до срабатывания устройства.

Известен «Лазерный капсюль-детонатор», описанный в патенте РФ №2750750, опубл. 02.07.2021 г., содержащий корпус с зарядом воспламенительного состава, оптический подпор, два оптических волокна для доставки лазерного (оптического) излучения, где первое волокно инициирующее, а второе проверяющее.

Достоинством данного устройства является простота конструкции лазерного капсюль-детонатора, в котором реализована система проверки целостности волоконно-оптической цепи.

К недостаткам данного устройства следует отнести отсутствие дублирования цепей срабатывания детонатора, что влечет за собой снижение его надежности. Также увеличение диметра выходного пучка на выходной поверхности оптического подпора приводит к уменьшению плотности мощности излучения в точке инициирования воспламенительного состава, что в свою очередь приводит к двум возможным последствиям: либо к увеличению энергопотребления при инициировании для соответственного повышения оптической мощности, либо к снижению эффективности инициирования при невозможности увеличения энергопотребления.

Известен «Лазерный детонатор», описанный в патенте РФ №2596171, опубл. 27.08.2016 г., содержащий корпус, в котором соосно расположен источник излучения, градиентная линза, оптический подпор и заряд воспламенительного состава.

Достоинством данного устройства является повышение надежности и эффективности срабатывания инициирующего заряда, снижение энергопотребления и повышение быстродействия детонатора за счет замены электродугового принципа инициирования на лазерный. При этом сам лазерный диод и объемная фокусирующая оптика располагается в корпусе лазерного детонатора, что исключает оптические потери доставки излучения непосредственно к навеске воспламенительного состава.

К недостаткам данного устройства следует отнести наличие электрических проводов крупного сечения, которые соединяют источник излучения в корпусе детонатора с источником питания за пределами корпуса. Так как электрические провода подвержены электромагнитным воздействиям и разрядам статического электричества, создаваемыми окружающей радиоэлектронной аппаратурой, это может привести к несанкционированному срабатыванию детонатора, что в свою очередь понижают безопасность системы. Также недостатком является отсутствие проверки целостности оптической части лазерного детонатора. Кроме того, недостатком является отсутствие дублирующей цепи срабатывания.

Известно изобретение «Optical fiber with lens and optical coupler / Оптическое волокно с линзой и оптический разветвитель», описанное в патенте US 20190121026 А1, опубл. 25.04.2019 г., содержащее оптическое волокно, две оптические градиентные линзы с различными числовыми апертурами.

Достоинством данного изобретения является уменьшение диаметра пучка лазерного излучения на выходном торце второй градиентной линзы. Это достигается за счет использования градиентных линз с разными числовыми апертурами: первая имеет меньшую числовую апертуру, а вторая имеет большую числовую апертуру. Это позволяет добиться меньшего диаметра выходного пучка по сравнению со входным.

Данное изобретение является концептом, и его недостатком является отсутствие законченного конструктивного исполнения для использования в рассматриваемой области техники.

Наиболее близким и выбранным в качестве прототипа является изобретение «Dual fiber laser initiator and optical telescope / Лазерный инициатор со сдвоенным волокном и оптический телескоп», описанный в патенте США №US5914458A, опубл. 22.06.1999 г., содержащее корпус, в котором соосно распложены разъем с двумя оптическими волокнами, градиентные линзы и загрузочная полость для установки инициирующей навески.

Достоинством данного устройства является реализация проверки объемной оптики и подводящего оптическое излучение оптического кабеля, а также вариант использования двух линз с разными фокусными расстояниями позволяющий уменьшить диаметр выходного пучка и как следствие повысить плотность мощности. Уменьшение диаметра выходного пучка достигается за счет последовательной установки двух градиентных линз с различными числовыми апертурами. Непосредственно между линзами, на выходном торце первой градиентной линзы располагается светоотражающее покрытие, которое служит для проверки целостности волоконно-оптической цепи. На входе в градиентную линзу симметрично относительно ее оптической оси распложены два оптических волокна, где из первого волокна выходит излучение, которое в основном пропускается, а частично отражается покрытием и возвращается во второе оптическое волокно, тем самым замыкая волоконно-оптическую цепь и реализуя проверку целостности волоконно-оптической линии.

К основному недостатку данного устройства следует отнести сложность в изготовлении устройства, в связи с требованием обеспечения высокой точности совмещения оптических осей большого количества деталей - двух оптических волокон и двух градиентных линз. К другим недостаткам данного устройства следует отнести недостаточность реализованной схемы для проверки целостности, т.к. она проверяет только первую градиентную линзу, оставляя непроверенной вторую градиентную линзу, которая прилегает к навеске воспламенительного состава. Также существенным недостатком является отсутствие дублирующей цепи срабатывания, необходимой для повышения вероятности срабатывания детонатора в случае, если основная линия вышла из строя.

Схожее по конструкции и по принципу действия техническое решение раскрыто в публикации «Optical Built-in-Test (BIT) for Laser (Diode) Initiation Systems / Встроенный оптический тест (BIT) для лазерных (диодных) систем инициирования», DOI: 10.2514/6.2002-3797, опубл. 22.06.2002., где представлена система лазерного инициирования, включающая лазерный инициатор с оптической системой, состоящей из двух градиентных линз: одной коллимирующей и одной фокусирующей излучение.

Данное техническое решение имеет достоинства и недостатки, аналогичные предыдущему. Основным его недостатком является также неполная проверка целостности волоконно-оптической цепи.

В настоящем изобретении увеличение эффективности воспламенения либо снижение энергопотребления достигается за счет уменьшения диаметра выходного лазерного пучка с помощью создаваемого проставкой воздушного зазора между волокном и фокусирующей линзой, что в свою очередь увеличивает плотность мощности энергии, фокусируемой на поверхности воспламенительного состава. Уменьшение диаметра выходного лазерного пучка достигается за счет смещения входящего пучка относительно фокуса линзы.

В данном изобретении относительное изменение диаметра пучка описывается уравнением Г=ƒ/F, где Г - отношение диаметра выходного пучка к входному, ƒ - заднее фокусное расстояние линзы (на выходе), F - переднее фокусное расстояние линзы (на входе).

Известно, что точки фокусировки градиентной линзы длиной L=0,5 питча расположены на торцевых поверхностях линзы, симметрично относительно воображаемого центра линзы. В этом случае фокусные расстояния такой линзы равны: ƒ=F=L/2.

Возникающий за счет установки проставки воздушный зазор смещает входной пучок относительно переднего фокуса линзы на расстояние, равное длине проставки d.: F=L/2+d. При этом уменьшение диаметра выходного пучка будет тем значительнее, чем больше длина проставки:

Увеличение надежности изобретения достигается за счет обеспечения фиксации оптических компонентов путем резьбового и клеевого соединения. Для достижения фиксации фокусирующая линза вклеивается в корпус на высокотемпературный клей, тем самым исключается смещение линзы и оптического разъема при резком наборе давления при срабатывании навески воспламенительного состава, а также обеспечивается прочность и герметичность конструкции в суровых условиях эксплуатации. Оптический разъем присоединяется к корпусу резьбовым соединением с контровкой металлической проволокой, что дополнительно препятствует вылету и смещению контактов разъема при срабатывании и обеспечивает прочность и герметичность узла ввода.

Увеличение надежности заключается также реализацией полной проверки целостности оптической цепи, где на выходном торце фокусирующей линзы располагается полупрозрачное зеркало, прилегающее непосредственно к воспламенительному составу. Частично отраженное от полупрозрачного зеркала излучение попадает обратно в оптическое волокно, тем самым замыкает цепь проверки оптической части узла ввода излучения. Также увеличение надежности достигается за счет дублирования оптических элементов узла ввода излучения, обеспечивающее срабатывание узла ввода излучения и последующее инициирование навески в случае выходе из строя одной из двух оптических линий.

На фигуре 1 представлен общий вид узла ввода лазерного излучения. Он содержит установленные соосно в корпусе - 1 оптическое волокно доставки излучения - 2, оптический разъем - 3, оптическую часть, фокусирующую излучение - 4, загрузочную полость - 5 для установки инициирующей навески (не показана), а также дублирующую линию - 6, также содержащую волокно доставки, оптический разъем и оптическую часть. В данной конструкции оптическая часть выполнена на градиентных фокусирующих линзах. Применение цилиндрических градиентных линз, имеющих большое соотношение длины цилиндра к его диаметру, позволяет при вклейке линзы в корпус добиться большой площади контакта клеевого соединения по образующей цилиндра, а малая площадь торцевой поверхности, обращенной к инициирующей навеске, снижает удельное давление на линзу при резком наборе давления. Тем самым обеспечивается высокая стойкость оптической части при срабатывании навески. Возможны варианты исполнения оптической части из шариковых, двояковыпуклых, плоско-выпуклых или асферических линз. При этом должны быть обеспечены дополнительные способы защиты оптической части при срабатывании навески. На выходе оптической части установлено полупрозрачное зеркало, в основном пропускающее оптическое излучение для инициирования навески, и частично отражающее обратно в оптическое волокно при проведении проверки оптической цепи узла ввода излучения. При этом выполняется проверка всех оптических компонентов, а для инициирования и проверки используется одно волокно, что упрощает конструкцию узла и делает проверку более надежной.

На фигуре 2 представлена конструкция узла ввода лазерного излучения с использованием полой металлической проставки и градиентной линзы, отличающаяся от варианта исполнения согласно фигуре 1 тем, что оптическая часть - 4, кроме градиентной линзы - 7, содержит полую металлическую проставку - 8, обеспечивающую необходимый воздушный зазор для фокусировки лазерного пучка уменьшенного диаметра на выходной торец градиентной линзы, что повышает плотность оптической мощности на выходе узла ввода излучения, позволяя снизить требуемую для инициирования оптическую мощность и энергопотребление источника излучения или увеличить вероятность безотказного срабатывания навески без снижения мощности. На выходном торце градиентной линзы нанесено полупрозрачное зеркало, обеспечивающее проверку оптической цепи узла ввода излучения.

Использование полой цилиндрической металлической проставки, выполненной в виде металлической втулки, например, из жаропрочной стали ГОСТ 5632-72, дополнительно увеличивает стойкость конструкции при срабатывании навески, удерживая градиентную линзу от смещения и физического контакта с оптическим разъемом.

На фигуре 3 представлена конструкция узла ввода лазерного излучения с использованием шариковых линз, отличающаяся от варианта исполнения согласно фигуре 1 тем, что оптическая часть - 4 выполнена с использованием шариковой линзы - 9. Ввиду малой площади контакта шариковых линз с корпусом узла ввода, дополнительно для их защиты при резком наборе давления при срабатывании навески устанавливается защитное окно - 10, с нанесенным на его выходную поверхность полупрозрачным зеркалом для проверки оптической цепи узла ввода излучения. Преимущество конструкции оптической части узла ввода излучения с использованием шариковых линз заключается в простоте исполнения за счет отсутствия необходимости высокой точности совмещения оптических осей волокна и линзы, удешевлении изготовления и компактности узла ввода.

В общем случае работа узла ввода лазерного излучения осуществляется следующим образом. Лазерное излучение, выходящее из оптического волокна - 2, оконцованного оптическим разъемом - 3, передается через оптическую часть узла ввода излучения - 4 и фокусируется на поверхности инициирующей навески (не показана), устанавливаемой в загрузочной полости - 5.

В зависимости от уровня сигнала различается функционал узла ввода излучения. При подаче сигнала малой мощности, часть сигнала отражается для выполнения проверки целостности всей волоконно-оптической цепи. При подаче сигнала заявленной рабочей мощности, инициируется воспламенительный состав, помещенный в загрузочную полость узла ввода излучения.

Использование данного изобретения позволит повысить эффективность, безопасность и надежность узла ввода лазерного излучения.

Изобретение относится к средствам инициирования пироавтоматики изделий ракетно-космической, авиационной, военно-морской и специальной техники, а также к области взрывных работ, в частности к конструкции исполнительных устройств систем лазерного инициирования. Узел ввода лазерного излучения состоит из металлического корпуса, в котором соосно размещены оптический разъем для волоконно-оптического кабеля доставки излучения и проверки целостности, фокусирующая оптическая система, обеспечивающая требуемую плотность оптической мощности, и загрузочная полость для установки воспламенительного состава. При этом на выходной поверхности оптических элементов фокусирующей оптической системы нанесено отражающее покрытие, которое обеспечивает возможность полной проверки целостности оптической системы до срабатывания устройства. Технический результат состоит в увеличении эффективности воспламенения либо снижении энергопотребления путем сжатия выходного лазерного пучка с помощью создаваемого проставкой воздушного зазора между волокном и фокусирующей линзой, что, в свою очередь, увеличивает плотность мощности энергии, фокусируемой на поверхности воспламенительного состава. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Узел ввода лазерного излучения, содержащий две дублирующие друг друга оптические линии в корпусе, законтренном для предотвращения смещения и вылета контактов оптических разъемов при срабатывании воспламенительного состава, причем в каждую из линий соосно установлены: оптическое волокно доставки излучения, оптический разъем, полая металлическая проставка для создания воздушного зазора между разъемом и оптической частью с целью уменьшения диаметра пучка лазерного излучения и увеличения плотности оптической мощности на выходе оптической части, и оптическая часть, за которой размещено полупрозрачное зеркало, частично отражающее излучение и позволяющее провести полную проверку оптической цепи, при этом обе линии сопряжены с загрузочной полостью для размещения воспламенительного состава, для инициирования которого и для проверки целостности всей оптической цепи используется одно волокно.

2. Узел ввода лазерного излучения п. 1, отличающийся тем, что оптические части выполнены из градиентных, шариковых, двояковыпуклых, плоско-выпуклых или асферических линз, которые обеспечивают требуемую фокусировку излучения на поверхности воспламенительного состава, в загрузочной полости, и установлены в корпус узла ввода с помощью клея для увеличения стойкости конструкции при срабатывании.