Многоканальный излучатель

 

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к многоканальным лазерным излучателям, включающим размещенные на раме одноканальные излучатели со своими выходными оптическими элементами и устройства сведения и преобразования их лучей. Сущность изобретения: для увеличения параллельности осей диаграммы направленности и технологичности юстировки любые пары излучателей вместе с устройством сведения и преобразования их лучей размещены на единой для данной пары раме, выполненной в виде двух жестко связанных между собой взаимно перпендикулярных плоских пластин, на каждой из которых своей плоской поверхностью крепления, параллельной ей, закреплен один из излучателей так, что он может, скользя своей поверхностью крепления по плоской пластине, на которой он размещен, вращаться вокруг оси, перпендикулярной к этой пластине, так, что оси вращения каждого излучателя пересекаются в плоскости его выходного оптического элемента с оптической осью диаграммы направленности его выходного излучения, и, скрещиваясь между собой, одновременно пересекают оптическую ось диаграммы направленности выходного излучения одного из двух излучателей. В дальнейшем выходной оптический элемент устройства сведения и преобразования лучей является выходным оптическим элементом нового излучателя, а обратная сторона одной из пластин рамы - поверхностью крепления этого излучателя для аналогичного объединения с лазерной системой или другими каналами многоканального излучателя. 3 ил.

Изобретение относится к лазерной технике, а конкретнее к лазерам для систем оптической связи, дальнометрии, локации и мониторинга окружающей среды, в том числе и малогабаритных бортовых систем.

Известны многоканальные лазеры, связанные между собой только выходной оптической системой, суммирующей поток отдельных источников в виде одного пучка с единой выходной диаграммой направленности [1] Недостатком указанных лазеров является нестабильность направленности оси и суммарной расходимости единого пучка из-за непараллельности осей одноканальных лазерных излучателей в различные промежутки времени под действием тепловых или механических нагрузок в процессе работы самого лазера из-за несинхронизованного ухода в различных юстировочных устройствах каждого лазерного излучателя.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является многоканальная лазерная система с отдельными размещенными на раме излучателями и устройствами сведения и преобразования их лучей, расположенными в одной плоскости [2] Недостатком прототипа является то, что положение и направление оси диаграммы направленности каждого излучателя в направлении, перпендикулярном плоскости расположения излучателей, совпадая в ближней зоне, могут не совпадать в дальней зоне, особенно в процессе перестройки мощности лазеров (частоты или энергии накачки) или при различии в параметрах излучения одноканальных излучателей, например длины волны. Причем, если в плоскости крепления возможно сведение лучей в дальней зоне в процессе работы лазеров, то в перпендикулярном направлении это точно сделать невозможно, а значит на большой дистанции лучи расходятся на значительное расстояние.

Задачей настоящего изобретения является увеличение степени параллельности осей диаграммы направленности выходного излучения попарно всех одноканальных модулей многоканального излучателя в ближней и дальней зонах и увеличение технологичности их юстировки в процессе их работы. Так как любое количество каналов излучения может быть представлено в виде простой суперпозиции двухканальных лазеров при параллельном и последовательном их объединении и рассмотрении объединенных двухканальных лазеров после их сведения в качестве одного модуля, излучение которого может быть снова сведено с любым парным или непарным излучателем и преобразовано к любому виду, решение задачи увеличения степени параллельности наиболее простого двухканального излучателя обеспечивает сведение в ближней и дальней зоне излучения излучателя с любым, большим чем 2, числом каналов, отличающихся любыми параметрами излучения модулей.

Поставленная задача решается в предлагаемом устройстве тем, что любые пары излучателей вместе с их устройством сведения и преобразования лучей размещены на единой для данной пары раме, выполненной в виде двух жестко связанных между собой взаимно перпендикулярных плоских пластин, на каждой из которых своей плоской поверхностью крепления параллельной ей установлен один из излучателей так, что он может скользя своей поверхностью крепления по плоской пластине, на которой он размещен, вращаться вокруг оси, перпендикулярной к этой плоской пластине, так, что оси вращения каждого излучателя пересекаются в плоскости его выходного оптического элемента с оптической осью диаграммы направленности его выходного излучения и, скрещиваясь между собой, одновременно пересекают оптическую ось диаграммы направленности выходного излучения одного из двух излучателей.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что предлагаемый лазер отличается от известных наличием двух взаимно перпендикулярных плоских пластин для размещения пары излучателей, вращающихся, скользя своими поверхностями крепления по плоским пластинам, на которых они размещены, вокруг осей, перпендикулярных к этих плоским пластинам, так, что оси вращения излучателей скрещены между собой и пересекаются с осью диаграммы направленности его выходного излучения в плоскости выходного оптического элемента.

Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критерию "Новизна". Анализ известных лазеров [1,2] показал, что нет многоканальных и двухканальных лазеров, где бы использовалась схема компоновки излучателей со взаимно перпендикулярными плоскостями размещения и взаимным расположением осей вращения излучателей, скрещивающихся между собой и пересекающихся с осью диаграммы направленности выходного излучения в плоскости выходного оптического элемента. Это придает лазеру новые свойства, что позволяет сделать вывод о том, что предлагаемое решение явным образом не следует из уровня техники и соответствует изобретательскому уровню.

В предлагаемом лазере принципы юстировки пары излучателей с любыми параметрами выходного излучения, например: различными типами поляризации, разными длинами волн, режимами генерации и циклами работы и т.д. для достижения параллельности их выходного излучения связаны с тем, что у каждого экземпляра излучателя есть связанное с неотделимыми свойствами активного элемента (АЭ) отклонение оси диаграммы направленности выходного излучения от оптической оси излучателя в процессе работы. Причем это отклонение может быть разложено по двум координатам.

Принципиальным отличием предлагаемого устройства является то, что юстировка каждого излучателя в паре проводится только поворотом в процессе скольжения, что в фиксированном положении обеспечивает стабильность положения излучателя в любых механико-климатических условиях. Взаимная перпендикулярность необходима, чтобы не было суперпозиции двух движений, приводящих к неоднозначности юстировки при условии, когда одно и то же движение может быть реализовано обоими излучателями и при сведении по одной координате будет изменяться и вторая. Жесткость взаимно перпендикулярных плоских пластин рамы обеспечивает параллельность осей диаграммы выходного излучения при всех механических воздействиях. Перпендикулярность осей плоскостям пластин, через которые они проходят, одновременно обеспечивает и взаимную перпендикулярность осей между собой, что необходимо для обеспечения полной компенсации углового расхождения выходных лучей без дополнительного влияния одной юстировки на другую. Пересечение осей вращения излучателей с оптической осью в плоскости выходного оптического элемента излучателя необходимо для того, что в процессе сведения всей выходной диаграммы направленности не происходило линейного смещения выходного излучения в точке выхода из излучателя, его возможного виньетирования на дальнейших входных зрачках устройств совмещения лучей в один или их преобразования. То есть угловое перемещение выходного излучения производится относительно центра на выходном оптическом элементе излучателя или, в случае телескопических систем со сферическими компонентами в точке пересечения оптической оси с главной плоскостью системы, служащие для расчета таких систем. Пересечение осей вращения излучателя с осью одного из излучателей необходимо для того, чтобы связать оба излучателя в единую систему для использования узлов сведения излучения, например по поляризационному признаку. В этом случае имеется хотя бы одна линия, по которой они совмещены и, во избежание дополнительных юстировок, усложняющих сведение по координате, если уже осуществлено сведение по углу, одна из осей вращения совпадает с этой линией, а другая перпендикулярна ей. Причем желательно привязывать пересечение осей вращения к оптической оси диаграммы выходного излучения того излучателя, который по своим свойствам требует наибольшего варианта юстировок, например с удвоением частоты, а в случае одинаковых излучателей бокового.

Размещение устройства сведения и преобразования лучей, как до, так и после их сведения в один, например: телескопической системы, переключателя направления линейной поляризации излучения или оптического затвора, на одной раме с парой сводимых излучателей необходимо в данном устройстве для того, чтобы при последующей юстировке их вместе как единого излучателя не происходило их взаимное смещение, а также для увеличения стабильности пространственных параметров объединенного луча в процессе эксплуатации многоканального лазера. Для дальнейшего попарного объединения лучей многоканального лазера необходимо последний оптический элемент устройства сведения и преобразования лучей рассматривать в качестве выходного оптического элемента нового единого излучателя и пропускать ось вращения в новой паре сводимых излучателей через него.

На фиг.1 представлено устройство, предлагаемое на примере двухканального излучателя, в изометрии. Излучатели 1 и 2 вместе с устройством сведения и преобразования 3 с выходным окном объединенного луча 4 размещены на единой раме 5, выполненной в виде двух жестко связанных пластин 5.1 и 5.2. Излучатели 1 и 2 закреплены при помощи винтов 6 своими плоскими поверхностями крепления 7.1 и 7.2 на поверхностях пластин 5.1 и 5.2, соответственно, так, что при ослаблении винтов крепления излучателей 6, каждый из них может вращаться вокруг неподвижной оси 8.1 и 8.2, соответственно, скользя поверхностями крепления 7.1 и 7.2 по поверхностям пластин 5.1 и 5.2. Ос 8.1 и 8.2 закреплены в пластинах 5.1 и 5.2, так, что оси вращения излучателей на них пересекаются в плоскости выходных оптических элементов 9.1 и 9.2 излучателей 1 и 2 с оптическими осями диаграмм направленности выходного излучения этих излучателей и скрещиваются между собой и осью диаграммы направленности излучателя 2 на его выходном оптическом элементе 9.2.

Отверстия для винтов крепления излучателей, которые могут быть выполнены как в пластинах 5.1 и 5.2 при резьбовом соединении винтов 6 в излучателях 1 и 2, так и в излучателях 1 и 2 при резьбовом соединении, выполненном в пластинах 5.1 и 5.2, в виде пазов по дуге или касательной к окружности с центрами, совпадающими с центрами осей 8.1 и 8.2, соответственно, для излучателей 1 и 2, как это показано на фиг.2. При этом оси винтов 6 перпендикулярны для излучателя 1 к пластине 5.1, а для излучателя 2 к пластине 5.2. Пазы для винтов крепления должны быть выполнены в виде дуг по окружности с центром, совпадающим с центром оси, на которой вращается излучатель потому, что они не должны создавать тянущих сил, препятствующих стабильности параллельности излучателей во времени. Сами винты должны быть перпендикулярны к поверхности крепления излучателей к плоской пластине рамы, иначе наклонные составляющие приведут к натягу или возникновению напряжения конструкции с дальнейшей разъюстировкой.

Излучение из выходных оптических элементов 9.1 и 9.2, объединенное и в случае необходимости преобразованное в устройстве 3, размещенном на единой раме 5, выходит через выходное окно объединенного луча 4 этого устройства, которое в дальнейшем для двухканального излучателя является выходным оптическим элементом, а обратные стороны пластин 5.1 и 5.2, по выбору могут являться плоскими поверхностями крепления для него при дальнейшем сведении лучей в многоканальном излучателе.

На фиг.3 схематично изображено положение лучей двухканального излучателя в дальней зоне излучения (в фокусе длиннофокусной линзы) в процессе сведения лучей одноканальных излучателей; фиг.3,а до юстиpовки, и при последовательной юстировке одного (фиг.3,б), а затем другого (фиг.3,в) излучателя.

Предлагаемое устройство работает следующим образом: в фокальной плоскости линзы два параллельных луча одной из пар излучателей должны сойтись в одну точку. Поэтому угловое расхождение визуализируется в линейное в фокальной плоскости линзы, помещенной на пути двух лучей от излучателей. В силу индивидуальных кристаллических, теплофизических и других свойств каждого одноканального излучателя из пары, выбранной для сведения, их излучение немного, на доли градуса или угловые минуты расходятся от оптической оси резонатора лазера и, как показано на фиг.3,а, пятна не совпадают. Путем поворота, как показано на фиг.3,б, в плоскости скольжения каждого излучателя, так, чтобы пятно в фокальной плоскости этого излучателя совместилось по переменной координате, параллельной с плоскостью скольжения, с пятном от излучателя неподвижного канала. Затем юстируемый канал фиксируется сжатием. А другой канал расфиксируется и аналогичным образом поворотом излучателя пятна в фокальной плоскости совмещаются по переменной координате, но двигается теперь тот излучатель, плоскость скольжения которого параллельна переменной координате, как показано на фиг.3,в. Затем он тоже фиксируется. Так как полное совпадение изображений излучения в фокальной плоскости может недостаточно совпадать в силу показанного на фиг.3,б несовпадения лучей по другой координате. Поскольку устройство легко фиксируется по отдельным координатам, то может быть применена методика последовательного приближения до необходимой точности по обеим координатам последовательно. В дальнейшем, считая этот излучатель за единый, можно аналогично свести их с другой парой в случае четного числа отдельных излучателей или с непарным излучателем в случае нечетного числа.

В соответствии с предлагаемым устройством был разработан лазерно-оптический блок ЖГДК 433.762.001 с двухканальным излучателем ЖГДК 433.752.006, в котором два одноканальных излучателя ЖГДК 433.752.001 размещены по схеме предлагаемого изобретения на раме двухканального излучателя ЖГДК 301.216.001. Указанное устройство позволило обеспечить параллельность выходных лучей приборов с точностью до 2.3' с отклонением луча каждого излучателя до 30' от оси резонатора лазера. Указанный лазер прошел испытания на воздействие ударно-механических нагрузок (ускорение ударов до 15g) и вибрации с частотой до 400Гц и подтвердил полную работоспособность и сохранение параллельности направления во всех условиях эксплуатации. В соответствии с технологической документацией ЖГДК 10135.00011 показана высокая технологичность юстировки направления.

Предлагаемый многоканальный излучатель обладает по сравнению с известными следующими преимуществами: высокой технологичностью сведения в совокупности с высокой точностью сведения параллельности лучей излучателя при в 5. 10 раз большем угле отклонения каждого из них по обеим координатам, чем допустимая неточность параллельности выходных лучей, причем допускающая юстировку и фиксации в процессе работы излучателей, что позволяет учесть реальное направление оси диаграммы направленности в различных режимах работы лазера.

Формула изобретения

МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ, включающий отдельные, размещенные на раме одноканальные излучатели со своими выходными оптическими элементами и устройства сведения и преобразования их лучей, отличающийся тем, что любые пары излучателей вместе с их устройством сведения и преобразования лучей размещены на единой для данной пары раме, выполненной в виде двух жестко связанных между собой, взаимно перпендикулярных плоских пластин, на каждой из которых своей плоской поверхностью крепления, параллельной ей установлен один из излучателей так, что он может, скользя своей поверхностью крепления по плоской пластине, на которой он размещен, вращаться вокруг оси, перпендикулярной к этой плоской пластине, так, что оси вращения каждого излучателя пересекаются в плоскости его выходного оптического элемента с оптической осью диаграммы направленности его выходного излучения и, скрещиваясь между собой, одновременно пересекают оптическую ось диаграммы направленности выходного излучения одного из двух излучателей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3