Зеркало с регулируемой кривизной Советский патент 1993 года по МПК H01S3/02 G02B5/08 

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть ис- пользовано в астрономии, лазерной локации, в системах транспортировки лазерного излучения и в резонаторах лазеров.

Целью изобретения является уменьшение расходимости отраженного от зеркала лазерного излучения путем уменьшения его астигматизма, вызванного температурной деформацией.

На фиг. 1 представлено осевое сечение круглого зеркала; на фиг. 2 - магнитострик- ционные кольца в невозбужденном состоянии; на фиг. 3 - магнитострикционные кольца в магнитновозбужденном состоянии.

Зеркало с регулируемой кривизной содержит: отражающий элемент 1 и связанный с ним герметичный корпус 2, имеющий полость охлаждения тыльной стороны отражателя, полость охлаждения может быть выполнена, например, в виде каналов произвольной формы, центральный стержень 3, выполненный в виде приводного магнитострикционного цилиндра, крепежное кольцо 4, цилиндрические кольца 5-14 из магнитострикционных материалов, переходные дисковые кольца 15-23 и управляющие катушки 24-29. Цилиндрические кольца соединены, например с помощью пайки, с переходными дисковыми кольцами. В свою очередь, центральный стержень 3, крепежное кольцо 4 и дисковые кольца 15-19 соесо

о ел ел ю о

динены с помощью пайки с тыльной стороной герметичного корпуса 2. Крепежное кольцо 4 в трех-четырех точках крепится к какому-либо основанию. Вход и выход хладагента может быть выполнен с боковой по- верхности герметичного корпуса.

При воздействии на охлаждаемое зеркало лучевых нагрузок больших плотностей мощности, несмотря на наличие интенсивного охлаждения отражающего элемента, происходит его деформация, вызванная как неравномерным нагревом отражающего элемента лучевой нагрузкой, так и достаточно равномерным охлаждением хладагентом его тыльной стороны, Наличие перепада температур как по толщине отражающего элемента, так и по его апертуре вызывает в нем температурные деформации.

Поскольку температура отражательного элемента с зеркальной стороны всегда выше, чем с тыльной стороны, то это ведет в вспучиванию зеркала, т. е. меняется его радиус кривизны, При этом понятие радиус кривизны здесь используется условно, по- скольку характер деформации зеркала, плохо аппроксимируется каким-либо радиусом.

В результате температурных деформаций зеркало приобретает в своей первоначальной форме некоторый астигматизм, существенно ухудшающий расходимость лазерного излучения.

От вспучивания зеркала не,спасает и массивное основание герметичного корпуса, ни большое число точек контакта стенок каналов охлаждения с тыльной стороной отражательного элемента, поскольку характер деформаций определяется только перепадом температур по толщине и апертуре отражательного элемента.

Поэтому наиболее целесообразно отражательный элемент не выполнять оченьтон- ким, от перепада температур это не избавит. Толщина отражательного элемента выбирается такой, чтобы он не вспучи- вался от давления хладагента. В то же время герметичный корпус с полостью охлаждения выполняется по возможности очень тонким.

Таким образом, получается довольно тонкое и упругое охлаждаемое зеркало, которое вместе с герметичным корпусом может деформироваться какими-либо устройствами. На этом принципе и устроено предлагаемое зеркало с регулируемой кри- визной, работающее следующим образом.

При подаче постоянного управляющего тока любой полярности в катушку 24 в центральном стержне 3 и цилиндрическом кольце 5 наводится продольное магнитное

поле, направление которого показано на фиг. 3 линией со стрелками. Если центральный стержень выполнен из материала с положительным знаком коэффициента магнитострикции, например железо-кобальтового сплава 49К2Ф - пермендюра -, то стержень удлинится от торца, закрепленного к корпусу 2,поскольку другой его конец жестко связан с цилиндрическим кольцом 5. При этом предполагается, что изгибная жесткость отражательного элемента и герметичного корпуса много меньше жесткости цилиндрических дисковых колец.

Если кольцо 5 выполнено из материала с отрицательным знаком коэффициента магнитострикции, то оно при намагничивании укоротится на некоторую величину, при этом укорочение будет происходить относительно его торца, закрепленному к пере- ходному дисковому кольцу, жестко связанному с корпусом 2. В результате центральный стержень 3 получит дополнительное перемещение, связанное с магнитострикционной деформацией кольца 5.

Если длину I намагничиваемой части центрального стержня 3 и кольца 5 выполнить одинаковой, то перемещение конца стержня 3 относительно торца переходного дискового кольца 15 при магнитострикцион- ном насыщении материалов составит величину, определяемую выражением

Д| I ( A s+ + A s-) ,(1) где As+и Я s-- величины коэффициентов магнитострикции насыщения материалов стержня 3 и кольца 5 соответственно.

Аналогично будут работать цилиндрические кольца б и 7, деформация которых относительно переходного кольца 16 также составляет величину ДГ. При этом перемещение торца центрального стержня 3 относительно торца переходного кольца 16 составит величину 2 Д|.

В общем виде перемещение центрального стержня 3 относительно неподвижного крепежного кольца 4 будет

( А 8++ A s-) n-Al, (2) где п - число пар цилиндрических колец плюс центральный стержень, или, что то же самое, число пар управляющих катушек.

В предложенном зеркале число управляющих катушек выбрано равным шести. Таким образом, относительно крепежного кольца 4 кольцо 19 переместится на величину Д1, кольцо 1 8 - на величину 2 А I, кольцо 17 - на величину 3 Д1, кольцо 16 - на величину 4 Л I, кольцо 15 - на величину 5 AI и центральный стержень - на величину Л1 6 AI.

Такой порядок деформации колец передается зеркалу, т. е. отражательному элементу 1 и герметичному корпусу 2, и обеспечивается при включении всех управляющих катушек 24-29 от одного источника управляющего постоянного тока.

В целях уменьшения величины управляющего тока герметичный корпус 2, крепежное кольцо 4 и переходные дисковые кольца 15-24 выполнены из магнитопрово- дящего материала, что существенно снижает их магнитное сопротивление, а стало быть и величину управляющего тока при выбранном числе витков управляющих катушек,

Порядок распределения деформаций по отражательному элементу и герметичному корпусу может быть изменен, если все шесть управляющих катушек подключить каждую к независимому от других источнику тока. В этом случае деформация от приводной части предложенного зеркала могут вести коррекцию не только кривизны зеркала, но и локальные кольцевые неоднородно- сти кривизны, вызванные локальными неоднородностями лучевой нагрузки.

Если зеркало выполнить выпуклым или плоским, то вносимые деформации его маг- нитострикционными кольцами увеличат его кривизну, а для вогнутого зеркала - уменьшат его кривизну,

Если знаки коэффициента магнито- стрикции у центрального стержня и цилиндрических колец изменить на противоположные, то и деформации от Д до n Al изменят свой знак на противоположный. Соответственно изменится и характер регулирования кривизны: в выпуклом и плоском зеркале кривизна будет уменьшаться, в вогнутом - увеличивать- ся. Подобным расположением колец и знаками их коэффициентов магнитострик- ции обеспечивается решение поставленной в рассматриваемом изобретении задачи.

В сравнении с прототипом предложенное зеркало обладает следующими преимуществами:

- каждая катушка имеет более протяженный активный - возбуждаемый - участок магнитной цепи, что существенно уменьшает потребляемую катушками мощность и повышает коэффициент использования тока;

- предложенное зеркало может быть выполнено сколь угодно больших апертур и при этом характер изменения его кривизны может иметь любой закон - квадратичный, линейный от центра к краям;

- зеркало может исправлять локальные кольцевые неоднородности; что позволяет его использовать в адаптивной оптике и астрономии;

- зеркало не имеет выступающих за его апертуру конструктивных элементов, что обеспечивает его установку в качестве выходного зеркала резонатора.

Формула изобретения Зеркало с регулируемой кривизной, содержащее отражатель, связанный с ним герметичный корпус с полостью охлаждения тыльной стороны отражателя и магнито- стрикционный привод с катушкой управления, отличающееся тем, что в него введены крепежное кольцо, переходные дисковые кольца и система цилиндрических колец, расположенных концентрично маг- нитострикционному приводу, выполненному в виде центрального стержня упомянутых колец из магнитострикционно- го материала с чередующимися относительно центрального стержня знаками коэффициентов магнитострикции, при этом неподвижно установленные на тыльной стороне герметичного корпуса цилиндрические кольца соединены по торцам с помощью переходных дисковых колец последовательно с центральным стержнем, друг с другом и крепежным кольцом, а каждые две пары цилиндрических колец снабжены катушками управления в виде соленоидов, причем герметичный корпус, крепежное кольцо и переходные дисковые кольца выполнены из магнитопроводящего материала.

Использование: изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в астрономии, лазерной локации, в системах транспортировки лазерного излучения и в резонаторах лазеров. Сущность изобретения: достигаемый технический результат заключается в уменьшении расходимости отраженного лазерного излучения путем уменьшения астигматизма зеркала. Зеркало содержит отражатель, связанный с ним герметичный корпусе полостью охлаждения тыльной стороны отражателя, центральный стержень, выполненный из магнитострикционного материала, крепежное кольцо, систему цилиндрических колец, расположенных концентрично стержню и выполненных из магнитострикционных материалов с чередующимися относительно материала стержня знаками коэффициентов магнитострикции, при этом неподвижно установленные на тыльной стороне герметичного корпуса цилиндрические кольца соединены по торцам с помощью переходных дисковых колец последовательно со стержнем, друг с другом и крепежным кольцом, а каждые две пары цилиндрических колец снабжены катушками управления в виде соленоидов. 3 ил. СО С

te.3