Устройство для передачи лазерных импульсов к оптическим детонаторам

 

Изобретение относится к области народнохозяйственного использования энергии взрыва и может быть использовано в горном деле, строительстве, геофизике, взрывообработке металлов и т.д. Сущность изобретения состоит в следующем: устройство для передачи лазерных импульсов к оптическим детонаторам включает подрывные элементы с оптическими детонаторами 25, связанные через световоды с источником лазерного излучения, выполненным в виде импульсного твердотельного лазера 7 с активным элементом 4. Устройство снабжено юстировочным газовым лазером 1, оптической трубой 8 и коммутирующим устройством 9, состоящим из прямоугольной призмы 10 с механизмом ее вращения с заданной частотой 11, блоков контроля 13 и регулирования 12 частоты вращения прямоугольной призмы и оптических линз 18, 19. При этом юстировочный газовый лазер оптически связан с прямоугольной призмой через активный элемент твердотельного лазера, а в фокусе оптических линз размещены входные торцы световодов 20 от оптических детонаторов подрывных элементов. Такое выполнение устройства позволяет посылать импульсы от твердотельного лазера к определенным группам оптических детонаторов через заданные промежутки времени. А за счет наличия воздушного промежутка между прямоугольной призмой и оптическими линзами существенно сокращается длина световодов, чем достигается цель изобретения. 1 ил.

Изобретение относится к народнохозяйственному использованию энергии взрыва и может быть использовано в горном деле, строительстве, геофизике, взрывообработке металлов и т.д.

Известно устройство для инициирования заряда ВВ лазерным импульсом, включающее оптический квантовый генератор, световод и устройство фокусировки лазерного луча после световода на поверхность заряда ВВ /1/.

Недостаток этого устройства большие потери энергии на отражение и газодинамическую разгрузку при прямом воздействии лазерного излучения на поверхность заряда. Одним из путей снижения потерь энергии является применение промежуточных оптических детонаторов.

Наиболее близким по существу решаемой задачи является оптическая система подрыва взрывчатых устройств, в которой взрывчатое устройство представляет собой корпус с оптически прозрачным окном, снаряженный ВВ, на поверхность которого помещена металлическая фольга. На окно наводится лазер, который по команде переключателя посылает мощный световой импульс, формируемый на окне. Под его действием фольга испаряется, возникающая при этом ударная волна инициирует ВВ в корпусе. При помощи устройств волоконной оптики можно одним лазером инициировать несколько устройств аналогичной конструкции /2/.

Недостатком этой системы, принятой за прототип предлагаемого устройства, является необходимость применения мощного светового импульса, требующего больших энергозатрат и прочных световодов, сложность задания замедлений между взрываемыми группами зарядов.

Цель изобретения взрывание групп оптических детонаторов в заданной последовательности при минимальной длине световодов.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для передачи лазерных импульсов к оптическим детонатором, включающем подрывные элементы с оптическими детонаторами, связанные через световоды с источником лазерного излучения, согласно изобретению источник лазерного излучения выполнен в виде импульсного твердотельного лазера с активным элементом, а устройство снабжено юстировочным газовым лазером, оптической трубой и коммутирующим устройством, состоящим из прямоугольной призмы с механизмом ее вращения с заданной частотой, блоков контроля и регулирования частоты вращения прямоугольной призмы и оптических линз, при этом юстировочный газовый лазер оптически связан с прямоугольной призмой через активный элемент твердотельного лазера, а в фокусе оптических линз размещены входные торцы световодов от оптических детонаторов подрывных элементов.

Изменением частоты вращения прямоугольной призмы можно регулировать интервал замедления между взрыванием отдельных групп оптических детонаторов, а наличие зазора между призмой и световодами позволяет существенно уменьшить длину последних за счет передачи лазерного импульса по воздуху и тем самым достичь поставленной цели.

Сопоставительным анализом с прототипом установлено отличие предлагаемого устройства, заключающееся в наличии прямоугольной призмы с регулируемой частотой ее вращения, синхронизации с нею частоты импульсов лазера и наличии юстировочного газового лазера для точной наводки твердотельного лазера на оптические линзы. Таким образом, предлагаемое устройство для передачи лазерных импульсов к оптическим детонаторам соответствует критерию изобретения "новизна". При изучении других решений в данной области техники признаки, отличающие данное изобретение от прототипа, выявлены не были и поэтому они обеспечивают ему соответствие критерию "существенные отличия".

Устройство для передачи лазерных импульсов к оптическим детонаторам схематично представлено на чертеже.

Устройство включает юстировочный газовый лазер 1, который через диафрагму 2, плотное зеркало 3, активный элемент 4 и выходное зеркало 5 источника лазерного излучения 6, выполненного в виде твердотельного лазера 7, и оптическую трубу 8 оптически связан с коммутирующим устройством 9, состоящим из прямоугольной призмы 10, установленной на валу механизма вращения 11, блока регулирования частоты вращения 12 прямоугольной призмы 10, выполненного в виде регулируемого по напряжению генератора синусоидальных сигналов, блока контроля частоты вращения 13 прямоугольной призмы 10, к которому напрямую подключен фотоприемник 14, через кнопку 15 соединенный с блоком управления и накачки 16 импульсной лампы накачки 17, и оптических линз 18 и 19. В фокусе последних размещены входные торцы групп световодов 20,21 и 22,23, а выходные торцы этих световодов введены в оптические детонаторы подрывных элементов 24,25 и 26,27.

В качестве юстировочного газового лазера 1 может использоваться He+Ne - лазер, например, ЛГ-79-1, диафрагма 2 имеет отверстие по размеру луча юстировочного газового лазера 1, в качестве плотного зеркала 3 можно применить диэлектрическое многослойное зеркало с максимальным коэффициентом отражения для длины волны излучения активного элемента 4 и минимальным коэффициентом отражения для длины волны юстировочного газового лазера 1. Активный элемент 4 это иттрий-алюминиевый гранат, зеркало, активированное неодимом, или рубин. В конце выходного зеркала 5 можно использовать стеклянную или кварцевую плоско-параллельную пластину, для оптической трубы 8, служащей для уменьшения расходимости лучей лазеров 1 и 7 и наведения излучения этих лазеров на фотоприемник 14 и оптические линзы 18,19, вполне подходят оптические трубы от лазерного визира ЛВ-5, от рубинового лазера ЛГМ-20 или аналогичные им. Прямоугольная призма 10 обычная стеклянная призма с покрытой серебром диагональной гранью, размером, например, 20·25 мм, механизм вращения с заданной частотой 11 серийный электродвигатель мощностью до 1 Вт со скоростью вращения до 1000 об/мин, блок регулирования частоты вращения 12 выполнен в виде регулируемого по напряжению генератора синусоидальных сигналов, например, серийный звуковой генератор типа ЗГ. Блоком контроля частоты вращения 13 может служить, например, частотомер типа ЧЗ-34А или осциллограф, фотоприемником 14 может быть фотодиод ФД21КП с постоянной времени 6·10^-9 с. Блок управления и на- качки 16 представляет собой выпрямитель напряжением 1,5-2,0 кВ мощностью до 1 кВт, заряжающий импульсные конденсаторы общей емкостью 3·10^-4 Ф для питания импульсной лампы накачки 17 активного элемента 4, в этот же блок входит система поджига импульсной лампы накачки 17 через заданные интервалы времени. Для того чтобы импульсы излучения импульсного твердотельного лазера 7 точно попадали на линзы 18,19, схема генерации поджигающих импульсов с заданными интервалами собрана на тиристорах типа КН102И диодного типа и тиристорах триодного типа КУ104.

Блок управления и накачки 16 импульсного твердотельного лазера 7 значительно упрощается, если вместо серии импульсов накачки формировать один длинный (≈3·10^-2 с), чтобы один акт генерации длился не менее времени поворота прямоугольной призмы 10 на угол α. Если используются n оптических линз (и пучков световодов) на одинаковых угловых расстояниях α длительность импульса накачки должна быть более времени поворота прямоугольной призмы 10 на угол a · (n 1) на величину времени развития генерации импульсного твердотельного лазера 7 (это время от момента поджига импульсной лампы накачки 17 до начала генерации). При этом длительность генерации должна быть не менее времени поворота прямоугольной призмы 10 на угол a·(n 1). Формирователь прямоугольного длинного импульса накачки может быть выполнен, например, из катушек индуктивности и импульсных накопительных конденсаторов или на мощных сильноточных тиристорах.

Оптические линзы 18,19 длиннофокусные (F 30-50 см) выполнены из стекла и имеют апертуру 100-120 мм. Если пучок световодов собран вкруговую, используют сферические линзы, вблизи фокусов которых располагают торцы пучков световодов, если световоды собраны в линию, используют цилиндрические линзы. Расстояние L между прямоугольной призмой 10 и оптическими линзами 18, 19 может быть от 0,1 до 1000 м, при этом длина каждого световода может быть от нескольких метров до нескольких десятков метров. При использовании n пучков световодов углы b между ними должны быть одинаковыми.

Устройство для передачи лазерных импульсов к оптическим детонаторам работает следующим образом.

Вначале с помощью юстировочного газового лазера 1 настраивают импульсный твердотельный лазер 7 так, чтобы лучи юстировочного газового лазера 1, отраженные от элементов 3,4,5, точно попадали в отверстие диафрагмы 2. Затем устанавливают оптическую трубу 8 так, чтобы при медленном повороте прямоугольной призмы 10 вручную визуально наблюдались в центре поля зрения последовательно фотоприемник 14 и линзы 18,19. При необходимости юстируются по высоте и эти элементы. Более точная настройка оптической трубы 8 и элементов 14,18,19 производится по лучу юстировочного газового лазера 1, прошедшему через оптическую трубу 8 и прямоугольную призму 10. Излучение импульсного твердотельного лазера 7 идет точно по тому же пути, по которому прошел луч юстировочного газового лазера 1. Смещением фотоприемника 14 в направлении А-А угол b устанавливают таким, чтобы время поворота прямоугольной призмы 10 на этот угол было не менее времени развития генерации импульсного твердотельного лазера 7 (чтобы генерация начиналась несколько раньше момента попадания излучения на линзу 18). Изменением выходного напряжения генератора блока регулирования частоты вращения 12 добиваются необходимой частоты вращения прямоугольной призмы 10. При каждом полном обороте прямоугольной призмы 10 луч юстировочного газового лазера 1 попадает на фотоприемник 14, а период вращения (временной интервал между импульсами на выходе фотоприемника 14) измеряется с помощью частотомера или осциллографа блока контроля частоты вращения 13. При достижении необходимой скорости вращения прямоугольной призмы 10 вручную нажимают кнопку 15 и первым же импульсом с выхода фотоприемника 14 запускается схема поджига импульсной лампы накачки 17, смонтированная в блоке управления и накачки 16. При этом через импульсную лампу накачки 17 пропускается либо серия импульсов тока, равная числу оптических линз (пучков световодов) через равные промежутки времени, поскольку оптические линзы 18,19 размещены на одинаковых угловых расстояниях друг от друга, либо пропускается один импульс тока длительностью, равной времени поворота прямоугольной призмы 10 на угол бета (время развития генерации) плюс угол a·(n 1). Поскольку входные торцы световодов 20,21 и 22,23 находятся вблизи фокусов оптических линз 18,19, то они облучаются излучением импульсного твердотельного лазера 7 все время, пока луч этого лазера последовательно попадает в апертуру этих линз. Выходные торцы световодов 21-23, погруженные в оптические детонаторы подрывных элементов 24-27, последовательно подрывают их с заданным замедлением, обусловленным временем поворота прямоугольной призмы 10 на угол a Число световодов в пучке и число пучков ограничиваются энергией излучения в импульсе твердотельного лазера 7 и могут значительно превосходить приведенное на чертеже. Экспериментально авторами установлено, что для зажигания бездымного пороха, служащего инициатором детонации заряда ТЭНа, достаточна энергия лазерного импульса порядка 0,1 Дж. Поэтому при энергии в одном импульсе в 1,5 Дж общее число световодов может достигать 10, а при использовании лазерного усилителя на выходе импульсного твердотельного лазера 7 число световодов может быть увеличено в несколько раз.

Световоды 20-23 могут быть достаточно короткими и уничтожаются при взрыве вместе с оптическими линзами 18 и 19. Но передача по воздуху лазерного импульса к каждой группе световодов позволяет сберечь значительное их количество. Например, при передаче по воздуху лазерного импульса на 1000 м для 10 световодов сберегается 10 км световодов, которые уничтожились бы осколками горной массы.

Таким образом, устройство для передачи лазерных импульсов к оптическим детонаторам позволяет достичь поставленной цели взрывание групп оптических детонаторов в заданной последовательности при минимальной длине световодов.

Формула изобретения

Устройство для передачи лазерных импульсов к оптическим детонаторам, включающее подрывные элементы с оптическими детонаторами, связанные через световоды с источником лазерного излучения, отличающееся тем, что источник лазерного излучения выполнен в виде импульсного твердотельного лазера с активным элементом, а устройство снабжено юстировочным газовым лазером, оптической трубой и коммутирующим устройством, состоящим из прямоугольной призмы с механизмом ее вращения с заданной частотой, блоков контроля и регулирования частоты вращения прямоугольной призмы и оптических линз, при этом юстировочный газовый лазер оптически связан с прямоугольной призмой через активный элемент твердотельного лазера и оптическую трубу, а в фокусе оптических линз размещены входные торцы световодов от оптических детонаторов подрывных элементов.

РИСУНКИ

Рисунок 1