СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ЮСТИРОВОЧНОГО НАСТРОЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ НАВЕДЕНИЯ ЛАЗЕРНЫХ ПУЧКОВ НА МИШЕНЬ Российский патент 2024 года по МПК G02B27/16 G21B1/23 

Настоящее изобретение относится к области оптической техники, а именно к способу формирования настроечного юстировочного излучения для проведения настроечных работ в многоканальных лазерных установках с преобразованием длины волны лазерного излучения, воздействующего на мишень, и вызвано необходимостью внешнего по отношению к камере взаимодействия контролю за наведением пучков излучения на мишень при подготовке к физическим экспериментам, а также значительному упрощению монтажной настройки системы транспортировки лазерного излучения к мишени.

В лазерных установках мегаджоульного уровня NIF [S J.Boege et.al. «NIF pointing and centering systems and target alignment using a 351-nm laser source», Proc. SPIE 3047, 0276X (1997); M. L. Spaeth et.al. (2016) Description of the NIF Laser», Fusion Sci Tech, Vol.69, No 25, www.doi.org/10.13182/FST15-144], LMJ [Michel Luttmann et.al. «Laser Megajoule alignment to target centers Proc. of SPIE, v.7916, 79160N (2011)] при фокусировке лазерных пучков на мишени происходит пространственное разведение излучения основной длины волны λ=1054 нм, и излучения гармоник. Причем, излучение λ=351 нм фокусируется на мишени, а не преобразованное в гармоники излучение основной длины волны λ=1054 нм проходит мимо мишени.

Поэтому наведение на мишень возможно обеспечить или на длине волны облучения мишени, как на LMJ это λ=351 нм, или на близкой длине волны как на NIF λ=375 нм.

Для обеих установок итоговая визуализация настроечного пучка происходит при помощи цифровой камеры, установленной в месте расположения мишени. В нашем способе поставлена задача контроля за наведением на мишень при помощи оптических средств, установленных снаружи мишенной камеры.

В многоканальной лазерной установке NIF юстировочное настроечное излучение для наведения лазерных пучков на мишень формируется путем размещения торца волокна, излучающего на необходимой длине волны вблизи фокуса выходной линзы транспортного пространственного фильтра (ТПФ). Волоконный источник излучает в угловую апертуру порядка ~ 8° или более. В то время как угловая апертура линзы, которую облучает точечный источник, составляет ~ 0,6° (0,02 рад), то есть выходная линза ТПФ будет перехватывать порядка 1% световой мощности волоконного источника. Затем юстировочное излучение для настройки на мишень проходит по зеркалам системы транспортировки, где при отражении от каждого зеркала мощность падающего на зеркало юстировочного пучка снижается в ~ 30 раз. В итоге ослабление юстировочного пучка в месте расположения мишени будет достигать ~10⁸ раз. Можно отметить, что похожие оценки потерь излучения от волоконных источников, применяемых при юстировке NIF приведены в [О.И. Шанин «Адаптивные оптические системы в импульсных мощных лазерных установках», Техносфера. Москва. 2012]. Для примера, если мощность юстировочного источника 100 мВт, то в вместе расположения мишени мощность юстировочного излучения составит 1 нВт, что достаточно для уверенной регистрации его при помощи цифровой камеры, когда все излучение собирается на матрице цифровой камеры.

Поэтому на американской установке мегаджоульного уровня NIF, правильность заведения котировочных пучков контролируется при помощи двух цифровых камер с микро-объективами, которые расположены в непосредственной близости от окон бокс-конвертора. Дополнительно котировочные пучки попадают на матрицу цифровых камер после отражения от зеркал/пластин. Отметим, что в таком решении заложена ошибка в попадании рабочих силовых пучков в окна бокс-конвертора, так как требуется с высочайшей точностью как по пространственным углам, так и по координатам позиционировать положение зеркал/пластин и цифровых камер относительно корпуса бокс конвертора. Все это требует конструкции с большим количеством прецизионных манипуляторов, которые еще должны вдвигаться в центр камеры взаимодействия.

Кроме того, данная конструкция позволяет наводиться только на один тип мишеней. Другие типы мишеней, когда лазерные лучи вводятся в бокс-конвертор, например, с шести направлений (кубическая геометрия/симметрия) или мишени прямого облучения не смогут быть использованы без полной переделки системы регистрации котировочных пучков. Пример такой переделки приведен в патенте [RU 2 726 219 С1 Бородин В.Г., Мигель В.М., Филиппов В.Г. «Способ наведения и фокусировки излучения на мишень и устройство для его осуществления», МПК G21B1/23 (2006.01), G02B27/16 (2006.01). Заявка: 2020100485, 09.01.2020]. Основная причина недостатков данной конструкции маломощный источник юстировочного излучения с выходной расходимостью ~ 8…10°.

На многоканальной лазерной установке LMJ настроечный точечный источник, состоящий из линзы/объектива и волоконного источника с длиной волны λ=351 нм размещается в центре мишенной камеры. Его излучение направляется по очереди в каждый канал лазерной установки. Излучение λ=351 нм проходит через фокусирующую линзу мишенной камеры, два кристалла удвоителя после чего попадает на плоское зеркало (оптическая пластина), которое устанавливается строго перпендикулярно падающему излучению λ=351 нм (перпендикулярность обеспечивается за счет автоколлимационной методики). Теперь по данному зеркалу настраиваются зеркала транспортной системы. Для этого со стороны диафрагмы транспортного фильтра запускается настроечное излучение основной гармоники λ=1054 нм и по нему заклоняются транспортные зеркала, так, чтобы после отражения от "перпендикулярного" плоского зеркала настроечное излучение λ=1054 нм вернулось в диафрагму транспортного фильтра откуда оно было запущено. Способ основан на привязке настроечного излучения высшей гармоники к настроечному излучению основной гармоники.

Недостатками является значительная (крайняя) сложность настройки, невозможность одновременной настройки разных каналов. Очень сложен механизм направления настроечного излучения из центра мишенной камеры в каждый канал лазерной установки. Все это в совокупности крайне усложняет наведения силового излучения даже на простые мишени. Также важным недостатком является невозможность контроля попадания настроечного излучения в заданные точки мишени.

Совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков заявляемого изобретения, присуща способу наведения преобразованного излучения многоканального лазера в заданные точки мишени, включающему позиционирование излучения вбрасываемого настроечного источника, частота которого совпадает с частотой преобразованного излучения установки [М.С.Глушков, И.И. Соломатин, А.В. Виноградов, А.В. Андраманов, Д.В. Бакайкин «Позиционирование источника излучения для настройки мишени в транспортном пространственном фильтре», Молодежь в науке. Сборник докладов 15-й научно-технической конференции, Саров, 2017 г. ] или [Патент RU 2758944 С1 «Способ наведения частотно преобразованного излучения канала лазерной установки на мишень» МКП G02B 27/16, G21B 1/23 (2006.01), опубл. 03.11.2021].

Недостатками известного способа, принятого за прототип является то, что, как и в аналогах, контроль за попаданием сфокусированного излучения юстировочного источника на мишень может проводиться только при попадании сфокусированного пучка на матрицу цифровой камеры. В этой работе проанализированы факторы, приводящие резкому уменьшению мощности юстировочного излучения с длиной волны облучения мишени за выходной линзой лазерного канала. Сделан вывод о том, что требуется улучшить направленность излучения юстировочного источника.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание юстировочного луча с длиной волны облучения мишени, обеспечивающего дистанционную визуализацию настроечных лазерных пучков (пятен) с длиной волны облучения мишени в заданных точках мишени и в окрестности размещения мишени, в том числе, без использования цифровых камер. Возможность регистрации юстировочного излучения с длиной волны облучения мишени должна сохраняться при произвольном продольном положении фокусирующего объектива ФОМ и произвольном угловом положении последнего зеркала системы транспортировки лазерного излучения к мишени.

Техническим результатом, достигаемым за счет применения заявляемого способа, является возможность обеспечения наведения лазерных пучков силовых каналов лазерной установки нового поколения на любые типы мишеней (в том числе мишени, состоящие из двух и более отдельных облучаемых объектов, или объектов, произвольно смещенных относительно геометрического центра мишенной камеры) без переделки системы контроля за наведением лазерных пучков, когда контроль за наведением лазерных пучков проводится снаружи мишенной камеры.

Кроме того, при использовании способа уменьшается количество сложного оборудования (цифровые камеры, микрометрические подвижки/манипуляторы и д.р.) внутри камеры взаимодействия, а также упрощается проведение монтажной настройки продольного положения объектива ФОМ и зеркал системы транспортировки, за счет исключения сложных и дорогостоящих регистраторов излучения при проведении монтажной настройки.

Технический результат изобретения обеспечивается тем, что в способе формирования юстировочного настроечного излучения для наведения лазерных пучков на мишень, включающем совмещение направления силового пучка с направлением юстировочного лазерного излучения, длина волны которого соответствует длине волны облучения мишени, контроль совпадения направления осуществляют при настройке с помощью вспомогательной аппаратуры. Согласно изобретению, при помощи лазера, микрообъектива и линзы системы формирования юстировочного излучения в фокальной плоскости выходной линзы лазерного канала формируют точечный источник с расходимостью, которая обеспечивает многократное снижение потерь на апертуре выходной линзы лазерного канала и вводят юстировочное излучение в оптический тракт при помощи поворотных зеркал.

Наличие отличительных признаков в способе по сравнению с аналогами и прототипом обеспечивает снижение потерь в ~ 100 раз на выходной линзе усилительного канала, а применение лазерного юстировочного источника излучения, который в разы более мощный чем волоконный или диодный источники в аналогах или прототипе позволяет в итоге значительно повысить мощность юстировочного пучка - откуда и вытекают описанные преимущества описываемого изобретения. При этом в юстировочном пучке за выходной линзой усилительного канала перепад интенсивности от центра к краям ~ 50%.

Сущность заявляемого способа поясняется чертежом.

На Фиг. 1 представлена принципиальная оптическая схема формирования юстировочного точечного источника с длиной волны облучения мишени с заданной расходимостью в вакуумном кессоне выходной линзы лазерного канала при помощи лазера, линзовой системы и поворотного зеркала, где:

1 - лазерный источник излучения (лазер);

2 - микрообъектив (короткофокусный объектив);

3 - линза системы формирования юстировочного излучения;

4 - фокальная плоскость ƒ _{527 ТПФ} выходной линзы лазерного канала;

5 - плоскость диафрагм ТПФ (транспортного пространственного фильтра).

6 - окно вакуумного кессона;

7 - корпус вакуумного кессона выходной линзы усилительного канала;

8 - вбрасываемое поворотное зеркало;

9 - выходная линза ТПФ усилительного канала;

10 - оптическая ось выходной линзы лазерного канала;

11 - конус лучей юстировочного пучка с длиной волны облучения мишени.

Источником юстировочного излучения 1 является твердотельный лазер с выходным диаметром пучка ∅=1,1±0,1 мм с расходимостью ϕ=10^-3рад и возможностью регулировки мощности в пределах 0…1,5 Вт.

Исходный точечный источник формируется из лазерного пучка при помощи микрообъектива 2 (∅=5 мм, ƒ=6 мм) и имеет размер ≤10 мкм.

Затем он перестраивается при помощи линзы системы формирования юстировочного излучения 3 (∅=50 мм, ƒ=200 мм) в фокальную плоскость 4 - ƒ _{527 ТПФ} выходной линзы лазерного канала. В кессоне ТПФ точечный источник юстировочного излучения с длиной волны облучения мишени располагается ближе к выходной линзе ТПФ, чем плоскость диафрагм ТПФ 5. После линзовой системы 2 и 3 котировочный лазерный пучок через окно 6 заводится в вакуумный объем кессона 7 и попадает на вбрасываемое поворотное зеркало 8 при помощи которого, котировочный лазерный пучок направляется на выходную линзу лазерного канала ТПФ 9. Вбрасываемое зеркало 8 вводится в лазерный тракт на время наведения излучения лазерных каналов на мишень.

В оптическом тракте лазерного канала за выходной линзой ТПФ 9 установлен диагностический клин, который не показан на Фиг. 1. Поэтому соосное распространение силового излучения лазерного канала и юстировочного лазерного пучка с длиной волны облучения мишени за диагностическим клином обеспечивается позиционированием точечного источника юстировочного излучения как сдвигом поворотного зеркала 8 поперек оптической оси 10, так и поворотом по углу.

На расстоянии ~ 1540 мм за линзой 3 внутри вакуумного кессона 7 в фокальной плоскости 4 ƒ _{527 ТПФ} формируется точечный источник с размером ≤100 мкм со специально сформированной расходимостью. Такой, что конус лучей 11 юстировочного источника накрывает выходную линзу 9 пятном излучения диаметром ~ 1 м при размере диагонали выходной линзы ТПФ 9~580 мм. В результате в юстировочном пучке за выходной линзой ТПФ 9 перепад интенсивности от центра к краям ~ 50%.

Микрообъектив 2 и линза 3 выбираются так, чтобы исключить потери излучения на апертурах данных оптических элементов или диаметр лазерного пучка должен быть меньше светового диаметра элементов 2 и 3.

При реализации данного способа, по сравнению с известными аналогами, в 100 раз снижены потери юстировочного излучения на выходной линзе ТПФ 9, а также применен более мощный лазерный (не волоконный и не диодный) источник юстировочного излучения, что позволяет использовать оптические системы, расположенные снаружи камеры взаимодействия, для контроля за наведением котировочных лазерных пучков на мишени и, тем самым, наводиться на любые типы мишеней без переделки системы контроля за наведением лазерных пучков.

Изобретение относится к оптической технике, а именно к способу формирования настроечного юстировочного излучения для проведения настроечных работ в многоканальных лазерных установках с преобразованием длины волны лазерного излучения, воздействующего на мишень. Технический результат - наведение частотно преобразованного излучения канала лазерной установки на мишень, при котором обеспечивается необходимая точность наведения, упрощаются требования к вспомогательной аппаратуре контроля за проведением наведения лазерных пучков, возможность контроля за наведением на мишени, состоящие из нескольких объектов. Результат достигается за счет того, что применение лазера, излучающего на длине волны облучения мишени и зеркально-линзовой системы, позволяет сформировать котировочный пучок, у которого значительно снижены потери юстировочного излучения на выходной линзе лазерного канала, и за счет этого появляется возможность наблюдения, сфокусированного на мишень юстировочного излучения снаружи мишенной камеры. 1 ил.

Способ формирования юстировочного настроечного излучения для наведения лазерных пучков на мишень, включающий совмещение направления силового пучка с направлением юстировочного лазерного излучения, длина волны которого соответствует длине волны облучения мишени, контроль совпадения направления осуществляют при настройке с помощью вспомогательной аппаратуры, отличающийся тем, что при помощи лазера, микрообъектива и линзы системы формирования юстировочного излучения в фокальной плоскости выходной линзы лазерного канала формируют точечный источник с расходимостью, которая обеспечивает многократное снижение потерь на апертуре выходной линзы лазерного канала, и вводят юстировочное излучение в оптический тракт при помощи поворотных зеркал.