Устройство для формирования лазерного пучка

 

Использование: дальняя оптическая локация и связь, лидары, светодальномеры. Цель: повышение качества лазерного пучка путем формирования лазерного пучка большой апертуры со скомпенсированными аберрациями. Сущность изобретения: устройство в виде линзы из 2-лучепреломляющего материала и вращателя плоскости поляризации вносит в пучок с обращенным волновым фронтом дополнительную кривизну и согласует апертуру пучка со световыми диаметрами оптических элементов формирующего оптического телескопа. При этом аберрации в пучке компенсируются и безаберрационный лазерный пучок большой апертуры направляется на удаленный исследуемый объект. 1 ил.

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для создания приемно-передающих устройств в системах дальней оптической локации и связи.

Одной из актуальных задач в этих областях является направленная транспортировка энергии на большие расстояния лазерным излучением. Для достижения максимальных параметров по дальности, угловому разрушению и пространственной плотности энергии транспортирующий пучок должен быть мощным, большого диаметра и с максимально скомпенсированными аберрациями волнового фронта (ВФ). Так, например, для достижения пространственного разрешения в 15 см на расстояниях 300 км при длине волны λ=1,06 мкм требуется сформировать лазерный пучок дифракционного качества и световым диаметром 5 м.

Изготовление без аберраций (дифракционно ограниченных) оптических элементов устройств, формирующих мощные пучки большой апертуры, представляет сложную задачу, которая в настоящее время не решена. Кроме того, существует динамическая составляющая аберраций, вызванная неустранимыми шумовыми колебаниями несущих конструкций. Поэтому одним из известных путей ее решения является создание устройств из обычных элементов, обладающих аберрациями, с последующей их компенсацией специальной оптической системой.

Устройства для формирования такого пучка включают источник с усилителем лазерного излучения, оконечную телескопическую систему, а также оптическую систему компенсации аберраций ВФ (включающих как статическую, так и динамическую составляющие, вносимые в пучок лазерным усилителем мощности и телескопом). Системы компенсации аберраций основаны на явлении обращения волнового фронта (ОВФ), которое реализуется при вынужденных рассеяниях излучения (комбинационное, Мандельштамма-Бриллюэна и др.) либо с помощью голографических устройств. Система компенсации функционирует по двухпроходовой схеме. На первом проходе высококачественный пучок, генерируемый маломощным лазером, проходя через телескоп и усилитель, накапливает аберрации. Затем пучок обращается по фазе в узле ОВФ, распространяется назад, проходя через те же элементы усилителя мощности и телескопа. При этом аберрации в пучке компенсируются, а мощность возрастает. Поскольку обращенный пучок обладает свойством распространяться точно в обратную сторону (к источнику), для его направления после прохождения телескопа к удаленному облучаемому объекту в пучок вносят дополнительную кривизну. Эту функцию выполняет специальный узел - преобразователь волнового фронта. Вторая функция преобразователя обеспечить согласование апертур пучка с дополнительной кривизной со световыми диаметрами оптических элементов, по которым он распространяется. С учетом того, что пучок обращен по фазе (ОВФ), обеспечивается компенсация аберраций в пучке, внесенных в него данными оптическими элементами на первом проходе.

Известно устройство (Оптика и спектроскопия. 1971, т. XXXI, вып. 6, с. 992 999), формирующее лазерный пучок большой апертуры с компенсацией аберраций оконечного телескопа, включающее источник лазерного эталонного излучения, диагональное зеркало с расширителем лазерного пучка, оконечную телескопическую систему, узел ОВФ на основе голограммного элемента, на котором предварительно записаны аберрации объектива, преобразователь волнового фронта, изменяющий кривизну волнового фронта и согласующий на объективе апертуру эталонного и обращенного пучков.

Однако качество формирования данным устройством лазерного пучка большой апертуры невысоко, поскольку компенсируются аберрации, вызванные статической составляющей искажений оптических элементов, которая записана на голограммном элементе. Аберрации, отвечающие динамической составляющей искажений, вызванной колебаниями оптических элементов и несущих конструкций, не компенсируются. Кроме того, часть энергии теряется при обращении пучка на голограммном элементе, а мощность преобразуемого пучка невысока и ограничена лучевой прочностью эмульсионного слоя голограммного элемента.

Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является устройство (Квантовая электроника, 1991, т. 18, N6, с. 762 766), включающее лазерный источник поляризованного эталонного излучения, диагональное зеркало с расширителем лазерного пучка, объектив телескопа, лазерный усилитель, узел ОВФ, преобразователь волнового фронта на основе дифракционного оптического элемента (ДОЭ), изменяющий кривизну волнового фронта и согласующий на объективе апертуры эталонного и обращенного пучков.

Однако качество формирования мощного лазерного пучка большой апертуры таким устройством невысоко, поскольку ДОЭ с необходимыми параметрами реализуется на небольших апертурах (≃ 0,3 м). Кроме того, часть энергии эталонного и обращенного пучков теряется на ДОЭ, а мощность преобразуемого пучка ограничена лучевой прочностью ДОЭ.

Целью изобретения является повышение качества формирования мощных лазерных пучков большой апертуры.

Цель достигается тем, что в известном устройстве формирования лазерного пучка, включающем оптически связанные лазерный источник поляризованного эталонного излучения, диагональное зеркало с расширителем лазерного пучка, объектив телескопа, лазерный усилитель, узел ОВФ, преобразователь волнового фронта, изменяющий кривизну волнового фронта и согласующий на объективе апертуры эталонного и обращенного пучков, преобразователь волнового фронта выполнен в виде узла, содержащего линзу из 2-лучепреломляющего материала и вращатель плоскости поляризации, линза расположена между телескопом и лазерным усилителем в плоскости, оптически сопряженной с главным зеркалом объектива телескопа, при этом линза выполнена с возможностью поворота вокруг оптической оси.

На чертеже изображена оптическая схема устройства формирования лазерного пучка, где лазерный источник 1 поляризованного эталонного излучения; диагональное зеркало 2; расширитель 3 пучка; главное зеркало 4 объектива телескопа; первый контррефлектор 5 объектива телескопа; точка 6 фокусировки эталонного излучения; преобразователь 7 волнового фронта; линза 8 из двулучепреломляющего материала; вращатель плоскости поляризации 9; лазерный усилитель мощности 10; узел ОВФ 11; точка 12 фокусировки обращенного излучения; второй контррефлектор 13 объектива телескопа; лазерный пучок большой апертуры 14; точка 15 пересечения соответствующих лучей эталонного и обращенного пучков на линзе из 2-лучепреломляющего материала; точка 16 пересечения тех же соответствующих лучей на главном зеркале телескопа; 00' - оптическая ось устройства.

На чертеже изображены лучи, проходящие через верхнюю часть меридионального сечения объектива телескопа. В нижней части они проходят симметрично относительно оптической оси.

Устройство функционирует следующим образом.

Эталонным поляризованным излучением лазерного источника 1 с помощью диагонального зеркала 2 и расширителя 3 пучка облучают главное зеркало 4 объектива телескопа. Отраженное главным зеркалом 4 излучение поступает на первый контррефлектор 5, фокусируется в точке 6, поступает затем на преобразователь 7, выполненный в виде линзы 8 из 2-лучепреломляющего материала, например кристалла, и вращателя плоскости поляризации 9. Линза, выполненная из кристалла, имеет два фокуса. Точка 6 совмещена с одним из фокусов линзы, поэтому за преобразователем 7 распространяется параллельный пучок лучей. Вращатель плоскости поляризации 9, например ячейка Фарадея, поворачивает вектор поляризации на 45^o относительно исходной ориентации. Далее пучок после лазерного усилителя 10 поступает в узел ОВФ 11. Обращенный по фазе пучок распространяется в обратном направлении, проходит усилитель 10 и вращатель 9. После вращателя плоскость поляризации обращенного пучка поворачивается еще на 45^o и становится ортогональной плоскости поляризации исходного эталонного пучка. Далее обращенный пучок поступает на линзу 8. Поскольку показатель преломления 2-лучепреломляющего материала (кристалла) зависит от ориентации вектора поляризации, обращенный пучок фокусируется линзой 8 во второй фокус точку 12 фокусировки обращенного излучения (т.е. в пучок вносится дополнительная кривизна), совмещенную с фокусом главного зеркала 4 телескопа. Расходящаяся за точкой 12 волна поступает на 2-й контррефлектор 13 телескопа, затем облучает главное зеркало 4 телескопа и после отражения от зеркала направляется на удаленный облучаемый объект в виде мощного лазерного пучка 14 большой апертуры.

Преобразователь 7 волнового фронта вносит в пучок дополнительную кривизну, за счет которой после отражения от главного зеркала формируется лазерный пучок 14 большой апертуры, направляемый на удаленный облучаемый объект. Если в обращенный пучок не вносить дополнительной кривизны преобразователем 7, пучок за преобразователем пойдет точно в обратном направлении, соберется в точке 6 и далее после отражения от контррефлектора 5 и зеркала 4 поступит на выходной зрачок лазерного источника 1. При этом устройство не выполнит своей функции по формированию лазерного пучка большой апертуры, транспортирующего энергию на большие расстояния.

Обращенный пучок до 2-го контррефлектора 13 распространяется точно в обратном направлении по отношению к пучку эталонному, при этом в нем компенсируются аберрации, накопленные эталонным пучком в многоэлементном усилителе мощности 10, преобразователе 7. Контррефлекторы 5 и 13, расширитель 3 пучка и диагональное зеркало 2 имеют небольшие световые диаметры и могут быть выполнены с высоким качеством, при котором они не вносят в пучок искажений.

Накопленные в эталонном пучке аберрации компенсируются в обращенном пучке при его распространении в том случае, если каждый луч из обращенного пучка проходит через те же точки на световом диаметре оптических элементов, через которые проходит соответствующий ему луч из пучка эталонного. Поскольку соответствующие лучи совмещаются на линзе, как, например, пара лучей в точке 15, для компенсации аберраций главного зеркала достаточно установить линзу 8 в сопряженной ему плоскости. В этом случае соответствующие лучи также совмещаются и на главном зеркале в точке 16, т.е. каждый луч обращенного пучка проходит через ту же точку на поверхности главного зеркала 4 телескопа, через которую проходил соответствующий ему луч эталонного пучка. При этом аберрации главного зеркала 4 телескопа компенсируются в обращенном пучке и после отражения от зеркала излучение направляется на удаленный объект в виде мощного лазерного пучка большой апертуры со скомпенсированными аберрациями.

Таким образом, преобразователь волнового фронта, выполненный в виде линзы из двулучепреломляющего материала и вращателя плоскости поляризации, вносит в обращенный по фазе пучок дополнительную кривизну, вследствие этого за главным зеркалом телескопа формируется лазерный пучок большой апертуры, направляемый на удаленный облучаемый объект. Расположение линзы преобразователя в плоскости, сопряженной с главным зеркалом телескопа, обеспечивает условия для компенсации аберраций главного зеркала в сформированном лазерном пучке большой апертуры.

Линза из двулучепреломляющего материала, например из кристалла, функционирует следующим образом. Известно, что волна W, вектор поляризации которой лежит в плоскости главного сечения (плоскость, проходящая через оптическую ось кристалла и нормаль к волновому фронту), распространяется по кристаллу без двулучепреломления. Показатель преломления для такой волны равен n₁, и для случая линзы с положительной силой пучок фокусируется в фокусе f₁. Волна W₂, вектор поляризации которой нормален к главному сечению, распространяется по кристаллу также без двулучепреломления. Показатель преломления кристалла для такой волны равен n₂ и для линзы с положительной силой волна W₂ фокусируется в точке f₂, причем так как n₁≠n₂, то f₁≠f₂. При всех других ориентациях в кристалле образуются две волны W₁ и W₂, которые одновременно фокусируются каждая в своем фокусе f₁ и f₂. С другой стороны, чтобы сферическая расходящаяся из некоторой точки волны была преобразована в плоскую положительной линзой из 2-лучепреломляющего материала, необходимо не только совместить с этой точкой фокус линзы, но и ориентировать кристаллографические оси линзы относительно вектора поляризации. Так, например, при совмещении источника расходящейся сферической волны с фокусом f₁ необходимо вектор поляризации ориентировать параллельно главной плоскости. В этом случае волна преобразуется в плоскую. При любой другой ориентации в кристалле образуется две волны W₁ и W₂. При этом W₁ преобразуется в плоскую, а W₂ будет иметь кривизну.

Таким образом, линза из 2-лучепреломляющего материала имеет 2 фокуса, каждому из которых соответствует своя поляризация фокусируемого излучения.

Ориентация кристаллографических осей линзы 8 относительно необходима для исключения энергетических потерь в преобразователе. Для этого точку 6 совмещают с фокусом линзы 8 и путем вращения линзы вокруг ее оптической оси устанавливают ориентацию кристаллографических осей относительно вектора поляризации волны, соответствующую данному фокусу, при этом за линзой распространяется плоская волна. Обращенная волна после прохождения вращателя плоскости поляризации приобретает поляризацию, ортогональную к поляризации эталонной, и следовательно, фокусируется во втором фокусе линзы (точка 12). Точка 12 оптически сопряжена контррефлектором 13 с фокусом главного зеркала 4. Поэтому расходящаяся из точки 12 волна после отражения от главного зеркала распространяется к удаленному облучаемому объекту в виде мощной волны большой апертуры без аберраций. При такой ориентации кристаллографических осей линзы преобразователь не вносит энергетических потерь. При любой другой ориентации эталонная волна разделится на две. Из них одна преобразуется в плоскую, а другая, как было показано выше, приобретет кривизну. Однако поскольку угловой спектр усилителя мощности ограничен, эта волна рассеется. Это приведет к потере энергии (практически эта волна будет экранирована диафрагмами пространственных фильтров усилителя мощности). Далее, обращенная волна также разделится в линзе на две. Одна из них сфокусируется в точке 12, попадет на главное зеркало и сформируется в пучок большой апертуры. Другая волна сфокусируется в точке 6, далее попадет в выходной зрачок лазерного источника 1 и также рассеется, что приведет к дополнительным потерям энергии.

Таким образом, возможность поворота линзы вокруг оптической оси обеспечивает распространение излучения по оптическому тракту и формирование мощного лазерного пучка большой апертуры без потерь энергии в устройстве.

Сравним предлагаемое устройство с прототипом. Прототип функционирует следующим образом.

Эталонный пучок после диагонального зеркала и расширителя падает на главное зеркало телескопа, на которое нанесена дифракционная структура (ДОЭ). Излучение дифрагирует на ДОЭ, при этом волна в 1-м порядке дифракции, содержащая 5% энергии от падающей, поступает на контррефлектор и далее направляется в усилитель мощности и узел ОВФ. Обращенная волна, распространяясь в обратном направлении, вновь попадает на главное зеркало. Вследствие дифракции на ДОЭ волна (содержащая 95% энергии падающей обращенной волны) отражается от зеркала в нулевом порядке дифракции. При этом за счет разных порядков дифракции на ДОЭ кривизна обращенной волны на главном зеркале отлична от кривизны эталонной. Поэтому после отражения обращенной волны от главного зеркала формируется волна большой апертуры со скомпенсированными аберрациями, которая распространяется к удаленному объекту. ДОЭ служит элементом, вносящим дополнительную кривизну в ВФ пучка, а также согласующим апертуры эталонной и обращенной волн на главном зеркале.

ДОЭ, перераспределяя энергию в дифаркционные порядки, вносит энергетические потери в эталонную и обращенную волну. При этом снижение потерь в эталонной волне, например, при повышении дифракционной эффективности в 1-м порядке с 5 до 10% пропорционально приведет к снижению дифракционной эффективности и возрастанию потерь в 1-м порядке. При этом суммарные потери возрастут. Кроме того, поскольку полезно используется только 5% энергии эталонной волны необходимо создавать эталонный источник, в 20 25 раз более мощный, чем требуется для функционирования устройства. Учитывая, что качество эталонного источника должно быть предельно высоким (дифракционно ограниченным) такие потери значительно усложняют задачу его создания.

В устройстве по предлагаемому изобретению такие потери отсутствуют. Потому требуется в 20 25 раз менее мощный источник эталонного излучения, изготовление которого значительно проще.

Преобразователь на основе ДОЭ имеет большую угловую дисперсию (поскольку по существу представляет собой обычную дифракционную решетку). Это приводит к тому, что длина волны излучения должна быть высокостабилизированной: Δλ/λ = 10^-7 В противном случае направление распространения сформированного мощного пучка большой апертуры будет зависеть от длины волны.

В устройстве по предлагаемому изобретению величина дисперсии невелика, не требуется специальных средств и методов стабилизации длины волны. Необходимая точность направления распространения сформированного мощного пучка большой апертуры может быть достигнута с параметрами стабилизации длины волны, присущими обычным, существующим лазерным источникам.

Далее, нанесение ДОЭ на главное зеркало, диаметр которого составляет 3 - 5 м, представляет собой сложную проблему, не решенную в настоящее время. Для ее реализации необходимо создать специальную светочувствительную эмульсию, высокостабилизированный по частоте (для большой длины когерентности), мощный, безаберрационный лазерный пучок. Создание источника такого излучения представляет сложную задачу.

Метод нарезания решетки с помощью делительной машины также неприменим ввиду больших габаритов подложки (зеркала).

В устройстве по предлагаемому изобретению основной элемент линза из двулучепреломляющего материала может быть выполнен, например, из кристалла ниобата лития (LiNbO₃), который обладает высокой лучевой прочностью, и может быть установлен в мощном пучке. Световой диаметр линзы невысок (≃20 см), поэтому она может быть выполнена на основе обычной технологии, принятой в оптическом приборостроении. Если размеры кристаллов меньше по технологическим причинам, чем необходимый диаметр линзы, последняя может быть изготовлена "сотовым" методом, при котором в единой оправе закрепляется несколько кристаллов и затем вся заготовка обрабатывается, как единое целое.

Приведем пример габаритного расчета оптической схемы устройства, работающего совместно с объективом телескопа со световым диаметром 1 м и фокусным расстоянием главного зеркала (Г3) телескопа F 1 м. Излучение лазерного источника 1 (Потапов С.Л. и др. Сб. Тезисы докладов конференции. Оптика лазеров. Л. 1990, с. 277) с помощью диагонального зеркала 2 и расширителя 3 пучка фокусируется на оптической оси на расстоянии 210 см от Г3 4, облучает Г3 и собирается далее на оси на расстоянии 190 см от Г3. На расстоянии 8,7 см от этой точки (ближе к Г3) устанавливается первый контррефлектор 5 в виде выпуклого зеркала с фокусным расстоянием f₁ 9,73 см и световым диаметром 5,54 см. Этим контррефлектором падающее на него излучение фокусируется в точку 6, находящуюся на расстоянии l 98,6 см от Г3. В этом месте установлен второй контррефлектор 13, выполненный в виде выпуклого зеркала с фокусным расстоянием 1,555 см, световым диаметром 0,7 см и отверстием в центре диаметром 1,5 мм. Пучок проходит через это отверстие и попадает на линзу 8 ил 2-лучепреломляющего материала, например, из ниобата лития (LiNbO₃). Линза из кристалла имеет следующие параметры: световой диаметр 10 см, радиус кривизны первой поверхности R 250 см, вторая поверхность плоская. Для обыкновенной волны показатель преломления составляет n₀ 2,2463 и линза имеет фокус с f₀ 200 см, для необыкновенной волны n_e 2,1627 и f_e 214 см. Линза расположена на расстоянии 214 см от второго контррефлектора 13. Далее излучение, поступившее на линзу, формируется в параллельный пучок, проходит через вращатель плоскости поляризации ячейку Фарадея 9 на магнитоактивном стекле МОС 12 длиной 60 мм. Усиленное и обращенное за счет ВРМБ в TiCl₄ излучение после второго прохода ячейки Фарадея приобретает ортогональную поляризацию и фокусируется в точке 12, для которой f₀ 200 см. Эта точка является сопряженной с фокусом Г3. Действительно, расстояние от f₀ до контррефлектора 13 составляет S' 14 см (так как f_e находится в плоскости контррефлектора 13). Фокусное расстояние контррефлектора f₂ 1,555 см. Расстояние между фокусом Г3 и контррефлектором 13 составляет S F l 1,4 см. Учитывая знаки, для выпуклого зеркала получим, что S, S' и f₂ удовлетворяют уравнению Ньютона: Из этого следует, что фокус F, находящийся на расстоянии 1,4 см от контррефлектора 13, и фокальная точка линзы f₀, находящаяся на расстоянии (-14) см от контррефлектора, являются сопряженными. То есть кристаллическая линза с указанными выше параметрами вносит в пучок дополнительную кривизну, за счет которой после отражения от Г3 формируется пучок, направляемый к удаленному объекту (в геометрическом приближении к бесконечности).

Таким образом, преобразователь волнового фронта, выполненный в виде узла, содержащего линзу из двулучепреломляющего материала и вращателя плоскости поляризации, вносит в пучок дополнительную кривизну, за счет которой мощный пучок с обращенным волновым фронтом после отражения от главного зеркала объектива телескопа распространяется к удаленному облучаемому объекту. Размещение линзы в плоскости, оптически сопряженной с главным зеркалом телескопа, обеспечивает согласование светового диаметра пучка со световым диаметром главного зеркала. При этом в обращенном пучке компенсируются аберрации, внесенные главным зеркалом. Выполнение узла с возможностью поворота линзы вокруг оптической оси позволяет устранить энергетические потери. Поэтому отраженное от главного зеркала излучение распространяется к удаленному облучаемому объекту в виде мощного пучка большой апертуры со скомпенсированными аберрациями волнового фронта.

Кроме того, преобразователь выполнен из материалов, используемых в лазерной технике и имеющих высокую лучевую прочность. Элементы преобразователя расположены в пучке небольшого светового диаметра (≃ 20 см) и могут быть изготовлены на основе обычных, существующих в настоящее время технологий.

Новая совокупность известных признаков придала объекту защиты новое свойство, выразившееся в том, что за счет выполнения преобразователя волнового фронта в виде линзы из 2-лучепреломляющего материала и вращателя плоскости поляризации возможно компенсировать аберрации главного зеркала объектива телескопа большой апертуры, за счет чего повышается качество формирования мощных лазерных пучков большой апертуры.

На основании вышеизложенного можно считать, что заявленные отличия "существенны".

Формула изобретения

Устройство для формирования лазерного пучка, включающее оптически связанные лазерный источник поляризованного эталонного излучения, диагональное зеркало с расширителем лазерного пучка, объектив телескопа, лазерный усилитель, узел ОВФ, преобразователь волнового фронта, изменяющий кривизну волнового фронта и согласующий на объективе апертуры эталонного и обращенного пучков, отличающееся тем, что преобразователь волнового фронта выполнен в виде узла, содержащего линзу из 2-лучепреломляющего материала и вращатель плоскости поляризации, линза расположена между телескопом и лазерным усилителем в плоскости, оптически сопряженной с главным зеркалом объектива телескопа, при этом линза выполнена с возможностью поворота вокруг оптической оси.

РИСУНКИ

Рисунок 1