СИСТЕМА ФОРМИРОВАНИЯ И ФОКУСИРОВКИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ИЗЛУЧАТЕЛЯ С ОПТОВОЛОКОННЫМ ВЫВОДОМ НА УДАЛЕННЫЙ ОБЪЕКТ Российский патент 2025 года по МПК G01S17/88 

Изобретение относится к оптическим устройствам и может быть использовано в оптических формирователях лазерных пучков в тех направлениях науки и техники, где требуется высокая осевая интенсивность освещенности объектов, подвергающихся облучению, например, при разработке лазерных комплексов в части: формирования зондирующего излучения и облучения зоны предполагаемого расположения объекта зондирующим лазерным излучением, формирования и фокусировки лазерного излучения на удаленный объект.

Известна система формирования и наведения лазерного излучения n излучателей на цель [1], включающая передающий лазерный комплекс из n лазерных модулей, на основе волоконных лазеров каждый с выходом через высокоэффективный световод, торец сердцевины которого является источником излучения, создающего единичный лазерный пучок. На выходе отдельные световоды объединены в жгут и расположены по его периметру. Излучение торца волоконного жгута поступает на вход телескопической системы формирования выходного лазерного пучка. Окуляр телескопической системы выполнен в виде подвижной линзы и осуществляет фокусировку лазерного излучения n излучателей на удаленный объект.

К основным недостаткам этой системы можно отнести невысокую плотность излучения на цели из-за отсутствия системы формирования каждого излучателя, фокусировки и наведения суммарного излучения n излучателей на цель общей телескопической системой формирования, значительного размера пятна излучения на цели и низкой осевой интенсивности излучения на удаленном объекте.

Известна система формирования и наведения лазерного излучения на цель [2], включающая четыре волоконных излучателя с оптоволоконными выводами, четыре системы формирования лазерного излучения в виде короткофокусных коллиматоров, четыре направляемых на цель поворотные плоские зеркала, установленные за коллиматором каждого излучателя, двухкратные расширители пучка с механизмом продольного перемещения окуляра.

При использовании этой системы формирования и наведения излучения на цель существенными недостатками являются: широкая диаграмма направленности лазерного излучения из-за короткофокусности коллиматора ~ 250 мм, невысокая плотность излучения на цели из-за отсутствия фокусировки излучения на заданную дальность и широкой диаграммы направленности излучения излучателя, значительный размер пятна излучения на цели, низкая осевая интенсивность излучения на удаленном объекте.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является система формирования и фокусировки лазерного излучения излучателя с оптоволоконным выводом на удаленный объект [3], содержащая излучатель с оптоволоконным выводом, систему формирования излучения и формирования излучения заданной диаграммы направленности с выходной апертурой D, коэффициентом пропускания Т=1 и эффективным фокусным расстоянием f_эф., устройство фокусировки излучения на удаленный объект, при этом торец сердцевины оптоволоконного вывода размещен в эффективной фокальной плоскости системы.

К недостаткам этой системы относятся: значительный размер пятна излучения на цели, который определяется эффективным фокусным расстоянием системы формирования, невысокая плотность излучения на удаленном объекте.

Задачей изобретения является уменьшение размера пятна излучения на удаленном объекте, повышение плотности излучения на удаленном объекте.

Поставленная задача решается тем, что в известной системе формирования и фокусировки лазерного излучения излучателя с оптоволоконным выводом на удаленный объект, включающей излучатель с оптоволоконным выводом, систему формирования излучения и формирования излучения заданной диаграммы направленности с выходной апертурой D и коэффициентом пропускания Т, устройство фокусировки излучения на удаленный объект, торец сердцевины оптоволоконного вывода размещен в эффективной фокальной плоскости системы, эффективное фокусное расстояние системы с выходной апертурой D увеличено в соответствии с соотношением:

где f_yв.эф. - увеличенное эффективное фокусное расстояние системы с коэффициентом пропускания Т=К;

К - коэффициент пропускания системы с увеличенным эффективным фокусным расстоянием;

f_эф. - эффективное фокусное расстояние системы с коэффициентом пропускания Т=1.

На фиг. 1 показана принципиальная оптическая схема прототипа, на фиг. 2 - для реализации предложенной системы, где: 1 - система формирования излучения заданной диаграммы направленности в виде телеобъектива; 2 - выходная апертура D; 3 - излучатель с оптоволоконным выводом; 4 - торец сердцевины оптоволоконного вывода; 5 - устройство фокусировки.

Система формирования излучения и формирования излучения заданной диаграммы направленности 1 представляет собой телеобъектив, строящий изображение торца сердцевины оптоволоконного вывода на удаленный объект. Телеобъектив - двух- или трехлинзовая система со стандартными сферическими поверхностями с выходной апертурой D 2.

Излучатель 3 с оптоволоконным выводом предназначен для создания лазерного излучения. Торец сердцевины оптоволоконного вывода 4 располагают в плоскости предметов телеобъектива 1. При расположении торца сердцевины оптоволоконного вывода в фокальной плоскости телеобъектива через него выходит пучок, сфокусированный на бесконечность и сфокусированный на заданную дальность при его удалении от телеобъектива.

Устройство фокусировки 5 предназначено для наведения и фокусировки лазерного излучения на удаленный объект.

Система формирования и фокусировки лазерного излучения излучателя с оптоволоконным выводом на удаленный объект работает следующим образом.

Торец сердцевины оптоволоконного вывода 4 располагают в плоскости предметов телеобъектива 1. Удаленный объект расположен в пространстве изображений телеобъектива 1.

При поступлении управляющей команды на подачу электропитания излучателю 3, излучатель начинает генерировать когерентные электромагнитные волны, передаваемые по оптоволоконному выводу, торец сердцевины которого 4 является источником излучения, откуда выходит лазерное излучение с гауссовой функцией распределения интенсивности.

Если рассмотреть трехмерную геометрическую фигуру, ограниченную горизонтальной плоскостью и поверхностью двумерной гауссовой функции распределения интенсивности, то объем этой фигуры имеет физический смысл энергии лазерного излучения, имеющий разные части энергии:

- «вершина» функции Гаусса, где интенсивность максимальная и энергия этой части распределения используется эффективно;

- средняя часть «цилиндра» энергии, где лазерное излучение имеет удовлетворяющую рабочую интенсивность;

- «хвосты» функции Гаусса, где интенсивность недостаточна для целевого ее использования и практически всегда является потерей или неэффективным использованием лазерной энергии.

Выходное лазерное излучение излучателя на фиг. 1, исходящее из торца сердцевины оптоволоконного вывода 4, проходит сферические линзы телеобъектива 1, формируя излучение необходимой диаграммы направленности с выходной апертурой D, эффективным фокусным расстоянием f_эф. и коэффициентом пропускания системы Т=1, и выходит сфокусированным на бесконечность при расположении торца сердцевины оптоволоконного вывода в фокальной плоскости телеобъектива. При перемещении торца сердцевины оптоволоконного вывода 4 относительно телеобъектива устройством фокусировки 5 осуществляют наведение и фокусировку на заданную дальность, где расположен удаленный объект. Поскольку торец сердцевины оптоволоконного вывода 4 расположен в плоскости предметов телеобъектива 1, и система сфокусирована на удаленный объект, то обеспечивается сопряженность торца сердцевины оптоволоконного вывода излучателя и удаленного объекта, и телеобъектив строит изображение торца сердцевины оптоволоконного вывода 4, откуда выходит лазерное излучение излучателя 3, на удаленный объект. И излучение излучателя 3 будет сфокусировано на удаленный объект.

Геометрический размер изображения торца сердцевины оптоволоконного вывода на удаленном объекте, построенный телеобъективом фиг. 1, равносилен диаметру выходного излучения на удаленном объекте:

где ∅ - диаметр изображения сердцевины волокна или диаметр выходного излучения на дальности L, d - диаметр сердцевины волокна, f_эф. - эффективное фокусное расстояние оптической системы телеобъектива.

Плотность излучения на удаленном объекте будет равна:

где Р - плотность излучения на удаленном объекте, Е - мощность лазерного излучения на выходе системы, S - площадь изображения сердцевины волокна на удаленном объекте или площадь выходного излучения на дальности L, π - число «пи».

Реальный размер этого изображения чуть больше из-за его размытия, который определяется аберрациями системы и ее разрешением. Но чем больше эффективное фокусное расстояние оптической системы телеобъектива, тем меньше размер изображения сердцевины волокна на дальности L, и естественно меньше размер сфокусированного излучения на удаленном объекте и больше плотность излучения на объекте.

Увеличим эффективное фокусное расстояние телеобъектива f_yв.эф. фиг. 2, сохраняя ее выходную апертуру D, при этом убирая неэффективную «хвостовую часть» из функции распределения интенсивности излучения. За счет виньетирования этой краевой неэффективной «хвостовой» зоны распределения интенсивности, которая не удовлетворяет по плотности излучения для целевого его использования, вводятся энергетические потери. Пропускание системы уменьшится и станет К. Но за счет увеличения эффективного фокусного расстояния системы изображение сердцевины волокна на удаленном объекте, построенное телеобъективом, будет уменьшено, поскольку размер изображения обратно пропорционален эффективному фокусному расстоянию системы:

где ∅_ум - диаметр уменьшенного изображения сердцевины волокна или диаметр выходного излучения на дальности L, d - диаметр сердцевины волокна, f_yв.эф. - увеличенное эффективное фокусное расстояние оптической системы телеобъектива.

Плотность излучения на удаленном объекте для варианта с увеличенным эффективным фокусным расстоянием будет равна:

где К - пропускание системы с увеличенным фокусным расстоянием.

Найдем условие, при котором увеличение эффективного фокусного расстояния системы при той же выходной апертуре D приводит к увеличению плотности излучения на объекте. Для этого необходимо выполнение условия:

или

При условии, когда увеличение эффективного фокусного расстояния системы приводит к увеличению плотности выходного излучения на объекте.

Возможен также вариант, когда система формирования излучения излучателя с оптоволоконным выводом является короткофокусным коллиматором, а формирование излучения заданной диаграммы направленности - телескопической системой. В этом варианте наведение и фокусировку на удаленный объект осуществляют устройством фокусировки, перемещая окуляр телескопической системы относительно ее объектива.

Эффективное фокусное расстояние для этой системы будет равно:

где f_эф. - эффективное фокусное расстояние системы, Г* - линейное увеличение телескопической системы, f_кол. - фокусное расстояние короткофокусного коллиматора.

Геометрический размер изображения торца сердцевины оптоволоконного вывода на удаленном объекте, построенного системой: короткофокусный коллиматор и телескопическая система, равносилен диаметру излучения на удаленном объекте:

где Г* - линейное увеличение телескопической системы, f_кол. - фокусное расстояние короткофокусного коллиматора, ∅ - диаметр изображения сердцевины волокна или диаметр выходного излучения на дальности L, d - диаметр сердцевины волокна.

Плотность излучения на удаленном объекте будет равна:

Для варианта с увеличенным эффективным фокусным расстоянием плотность излучения на удаленном объекте будет равна:

где К - пропускание системы с увеличенным эффективным фокусным расстоянием.

Найдем условие, при котором при увеличении эффективного фокусного расстояния системы плотность излучения на объекте увеличится. Для этого необходимо выполнение условия:

Р_ув./Р>1; или

Поскольку то это условие можно написать аналогично варианту телеобъектива:

В предложенной системе формирования и фокусировки лазерного излучения излучателя с оптоволоконным выводом на удаленный объект увеличение эффективного фокусного расстояния системы при той же выходной апертуре D позволяет:

- сформировать излучение с более узкой диаграммой направленности и с лучшей энергетической расходимостью,

- построить системой формирования и фокусировки лазерного излучения уменьшенное изображение торца сердцевины волокна на удаленном объекте,

- уменьшить размер пятна сфокусированного излучения на удаленном объекте,

- повысить плотность излучения на удаленном объекте.

Источники информации

1. В.И. Кишко, В.Ф. Матюхин. Принципы построения адаптивных ретрансляторов для стратосферных систем передачи энергии // Автометрия. 2012. Т. 48, №2. с. 59-66.

2. Sprangle, Phillip & Ting, А. & Penano, J.R. & Fischer, Richard & Hafizi, Bahman. (2008). Incoherent Combining of High-Power Fiber Lasers for Directed-Energy Applications. 2. 25.

3. Заявка RU 2023110321 от 21.04.23, решение о выдаче патента от 10.01.24, МПК: G01S 17/88 - прототип.

Изобретение относится к оптическим устройствам и может быть использовано в оптических формирователях лазерных пучков, при разработке лазерных комплексов. Система формирования и фокусировки лазерного излучения излучателя с оптоволоконным выводом на удаленный объект включает излучатель с оптоволоконным выводом, систему формирования излучения и формирования излучения заданной диаграммы направленности с выходной апертурой D и коэффициентом пропускания Т, устройство фокусировки излучения на удаленный объект, торец сердцевины оптоволоконного вывода размещен в эффективной фокальной плоскости системы. Эффективное фокусное расстояние системы с выходной апертурой D увеличено в соответствии с соотношением: где: f_yв.эф. - увеличенное эффективное фокусное расстояние системы с коэффициентом пропускания Т = К, К - коэффициент пропускания системы с увеличенным эффективным фокусным расстоянием, f_эф. - эффективное фокусное расстояние системы с коэффициентом пропускания Т = 1. Технический результат - уменьшение размера пятна излучения на удаленном объекте, повышение плотности излучения на удаленном объекте. 2 ил.

Система формирования и фокусировки лазерного излучения излучателя с оптоволоконным выводом на удаленный объект, включающая излучатель с оптоволоконным выводом, систему формирования излучения и формирования излучения заданной диаграммы направленности с выходной апертурой D и коэффициентом пропускания Т, устройство фокусировки излучения на удаленный объект, торец сердцевины оптоволоконного вывода размещен в эффективной фокальной плоскости системы, отличающаяся тем, что эффективное фокусное расстояние системы с выходной апертурой D увеличено в соответствии с соотношением:

где f_yв.эф. - увеличенное эффективное фокусное расстояние системы с коэффициентом пропускания Т = К,

К - коэффициент пропускания системы с увеличенным эффективным фокусным расстоянием,

f_эф. - эффективное фокусное расстояние системы с коэффициентом пропускания Т = 1.