Устройство для наведения лазерного излучения

 

Использование: в квантовой электронике, а именно в системах наведения лазерного излучения на наблюдаемые воздушно - космические объекты. Сущность изобретения: повышение точности наведения лазерного излучения на объект обеспечивается тем, что в устройство, содержащее оптически связанные опорно - поворотное устройство 1, первую телескопическую систему 5, первый лазер 7, первую Фурье-линзу 9, первый пространственно - временной модулятор света (ПВМС) 10 и матричный фотоприемник 12, а также оптический квантовый усилитель 16, второй лазер 25, блок определения координат 14 и блок выработки сигналов управления 15, введены оптически связанные вторая телескопическая система 6, блок обращения волнового фронта (ОВФ) 18, вторая Фурье-линза 19, второй ПВМС 20, объектив 3 и фотоприемник 22, а также лазер 27, двухкоординатный сканер излучения 29. Оптический выход второй телескопической системы 6 через оптический квантовый усилитель 16 связан с первым оптическим входом блока ОВФ 18, оптический выход второго ПВМС 20 через полупрозрачное зеркало 35, вторую Фурье-линзу 19 и отражательное зеркало 33 связан с вторым оптическим входом блока ОВФ 18. Выход второго лазера 25 оптически связан с входом второго ПВМС 20 и с первым оптическим выходом блока ОВФ 18, с вторым оптическим выходом которого связан вход фотоприемника 22. 1 ил.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в системах наведения лазерного излучения на наблюдаемые воздушно-космические объекты.

Известно устройство для наведения лазерного излучения, содержащее последовательно оптически соединенные оптический квантовый генератор с блоком запуска, оптический квантовый усилитель с блоком запуска, матричный фотоприемник с блоком управления, подключенный к управляющему вычислительному блоку, пространственно-временной модулятор оптического излучения с блоком управления, формирующую оптическую систему, уголковый отражатель, источник излучения, расширитель пучка.

Недостатком этого устройства является невысокая точность наведения вследствие отсутствия компенсации флуктуаций лазерного излучения при распространении по атмосферной трассе.

Цель изобретения повышение точности наведения лазерного излучения на объект.

Это достигается тем, что в устройство для наведения лазерного излучения, содержащее последовательно оптически связанные опорно-поворотное устройство с блоком управления, на котором установлено отражательное зеркало, первую телескопическую систему, полупрозрачное зеркало, первый лазер с блоком запуска, первую Фурье-линзу, первый пространственно-временной модулятор света с блоком управления, первый матричный фотоприемник с блоком управления, блок выработки сигналов управления, оптический квантовый усилитель с блоком запуска, второй лазер с блоком запуска, а также блок определения координат, дополнительно введены последовательно оптически связанные вторая телескопическая система, блок обращения волнового фронта, вторая Фурье-линза, второй пространственно-временной модулятор света с блоком управления, объектив, второй фотоприемник, третий лазер с блоком запуска, двухкоординатный сканер лазерного излучения, при этом оптический выход второй телескопической системы через оптический квантовый усилитель связан с первым оптическим входом блока обращения волнового фронта, оптический выход второго пространственно-временного модулятора света через полупрозрачное зеркало, вторую Фурье-линзу и отражательное зеркало связан с вторым оптическим входом блока обращения волнового фронта, оптический выход второго лазера, через отражательное и полупрозрачное зеркала связан с оптическим входом второго пространственно-временного модулятора света, а через второе отражательное зеркало с первым оптическим выходом блока обращения волнового фронта, оптический вход второго фотоприемника через объектив связан с вторым оптическим выходом блока обращения волнового фронта, вход блока определения координат связан с выходом блока управления первого матричного фотоприемника, выход блока определения координат с первым входом блока выработки сигналов управления, второй вход которого соединен с выходом второго фотоприемника, а выходы блока выработки сигналов управления соединены с входом блока управления опорно-поворотным устройством, двухкоординатным сканером лазерного излучения, входами блоков запуска первого, второго и третьего лазеров, блоками управления первого и второго пространственно-временных модуляторов света и с блоком запуска оптического квантового усилителя соответственно, оптический выход третьего лазера через двухкоординатный сканер лазерного излучения и полупрозрачное зеркало связан с оптическим выходом первой телескопической системы, оптический вход которой связан с оптическим входом опорно-поворотного устройства посредством отражательного зеркала, расположенного перед контррефлектором второй телескопической системы, оптический выход первого лазера через полупрозрачное зеркало связан с оптическим выходом первой телескопической системы, второй оптический выход первого лазера через первую Фурье-линзу и полупрозрачное зеркало связан с оптическим входом первого матричного фотоприемника и оптическим входом первого пространственно-временного модулятора света, оптический вход второй телескопической системы связан с оптическим выходом опорно-поворотного устройства.

На чертеже приведена структурная схема предложенного устройства для наведения лазерного излучения.

Оно содержит опорно-поворотное устройство 1, состоящее из зеркала 2, привода 3 на основе шагового двигателя и блока управления 4, первую и вторую телескопические системы 5, 6, связанные по оптическому входу с зеркалом 2 опорно-поворотного устройства 1, первый лазер 7 с блоком запуска 8, первую Фурье-линзу 9, первый пространственно-временной модулятор света (ПВМС) 10 с блоком управления 11, первый матричный фотоприемник 12 с блоком управления 13, блок определения координат 14, блок выработки сигналов управления 15, оптический квантовый усилитель (ОКУ) 16 с блоком запуска 17, блок обращения волнового фронта (ОВФ) 18, вторую Фурье-линзу 19, второй ПВМС 20 с блоком управления 21, второй фотоприемник 22, блок усиления 23, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 24, второй лазер 25 с блоком запуска 26, третий лазер 27 с блоком запуска 28, двухкоординатный сканер лазерного излучения 29, объектив 30, зеркала 31-34, полупрозрачные зеркала 35-38, матрицу отражательных зеркал (уголковых отражателей) 39.

Устройство работает следующим образом.

С помощью лазера 27 осуществляется поиск и подсвет объекта. Лазер 27 работает в импульсном режиме. Двухкоординатный сканер лазерного излучения 29 осуществляет сканирование лазерным излучением по спиральной траектории, начинающейся от точки с начальными угловыми координатами, определяемыми сигналами внешнего целеуказания, поступающими по входу d на блок выработки сигналов управления 15.

Подсвет объекта осуществляется через телескопическую систему 5 и зеркало 2 опорно-поворотного устройства 1, с помощью которого осуществляется грубое наведение лазерного излучения на объект.

Отраженное от объекта излучение воспринимается телескопической системой 5 и через полупрозрачное зеркало 36 и кювету лазера 7 поступает на Фурье-линзу 9, которая осуществляет фокусировку излучения от объекта на фоточувствительную площадку матричного фотоприемника 12. При этом лазер 7 находится в невозбужденном состоянии, и при прохождении через него принимаемое излучение не претерпевает ни ослабления, ни искажения. Матричный фотоприемник 12 совместно с блоком определения координат 14 осуществляет обнаружение объекта, определение его текущих координат на длине волны подсвета. По этой информации осуществляется точное наведение на объект лазера 7, работающего на основной рабочей длине волны λ_p.

Лазер 7 является пилот-лазером и осуществляет подсвет объекта на длине волны λ_p для инициирования по отраженному от объекта лазерному излучению на волне λ_p мощного лазерного излучателя, образованного ОКУ 16 и блоком ОВФ 18.

Запуск лазера 7 осуществляется после определения координат объекта (Х_об, Y_об) матричным фотоприемником 12 и блоком определения координат 14.

Лазер 7 работает в режиме управляемой селекции мод лазерного излучения. Селекция мод осуществляется с помощью ПВМС 10 и Фурье-линзы 9. ПВМС 10 выполняет роль управляемого зеркала резонатора лазера 7 и представляет собой матрицу отражательных элементов, коэффициент отражения которых определяется управляющими сигналами, поступающими с блока управления 11. Каждый отражательный элемент в ПВМС 10 определяет одно фиксированное в пространстве направление излучения, генерируемого лазером 7. Каждый элемент ПВМС 10 соответствует одному элементу матрицы фотоприемников 12. Поэтому если в матрице фотоприемников 12 в одном из элементов зарегистрировано наличие объекта с координатами (Х_об, Y_об), то для посылки лазерного излучения в направлении этого объекта необходимо обеспечить отражение лазерного излучения в соответствующем элементе ПВМС 10, что обеспечивается подачей на него управляющего импульса от блока управления 11. Коэффициент отражения остальных элементов ПВМС 10 равен нулю. На блок запуска 8 лазера 7 с выхода блока выработки сигналов управления 15 подается импульс управления (b₂), обеспечивающий накачку активного вещества лазера 7 и генерацию импульса лазерного излучения по направлению (Х_об, Y_об). При наведении лазерного излучения на движущийся объект выбор открытого элемента в ПВМС 10 осуществляется с упреждением для наведения импульса лазерного излучения в упрежденную точку. Расчет соответствующего номера элемента ПВМС 10 осуществляется в блоке выработки сигналов управления 15.

Импульс лазерного излучения, генерируемый лазером 7, через зеркало 36, первую телескопическую систему 5, зеркало 34 и зеркало 2 направляется на объект и подсвечивает объект лазерным излучением на рабочей длине волны.

Отраженное от объекта 4 излучение на рабочей длине волны через зеркало 2 поступает на вход второй телескопической системы 6, проходит через кювету ОКУ 16, блок ОВФ 18 и поступает через объектив 30 на вход второго фотоприемника 22. При этом в первые моменты приема накачка ОКУ 16 с помощью блока запуска 17 осуществляется не на полную мощность, а накачка блока ОВФ 18 не производится. Регистрация фотоприемником 22 импульса лазерного излучения на рабочей длине волны λ_pсвидетельствует о правильно выбранном упреждении при подсвете объекта пилот-лазером 7 на рабочей длине волны λ_p. После приема нескольких устойчивых импульсов от объекта на λ_p фотоприемником 22, информация о которых через блок усиления 23 и АЦП 24 передается в блок выработки сигналов управления 15 по входу а, в блоке выработки сигналов управления 15 принимается решение о запуске ОКУ 16 на полную мощность и о накачке блока ОВФ 18, что обеспечивает облучение объекта максимальной мощностью лазерного излучения на рабочей длине волны λ_p.

При этом с выхода блока выработки сигналов управления 15 подаются импульсы управления на блок запуска 17 (b₃) ОКУ 16, на блок запуска 26 (b₄) второго лазера 25 и на блок управления 21 (c₂) второго ПВМС 20. В ПВМС 20 открывается тот же элемент, что и в ПВМС 10, что обеспечивает необходимое упреждение при посылке мощного лазерного импульса, формируемого ОКУ 16 и блоком ОВФ 18, в точку встречи с движущимся наблюдаемым объектом.

Формирование мощного лазерного импульса блоками ОКЦ 16 и ОВФ 18 осуществляется следующим образом.

На вход ОКУ 16 с выхода телескопической системы 6 поступает оптический сигнал, отраженный от объекта на λ_p Е_вх Е_оexр (iϕ(r)) ˙ eхр (iω_or), (1) где eхр (iω_or) составляющая, определяемая угловым смещением объекта относительно оптической оси устройства; ехр (iϕ(r)) распределение фазовых искажений, обусловленных атмосферными флуктуациями.

После усиления в ОКУ 16 на первый оптический вход блока ОВФ 18 поступает сигнал Е₁ К₁Е_оeхр (iω_or) ехр(iϕ(r)) ехр(i ϕ₂(r)), (2) где К1 коэффициент усиления ОКУ 16 за один проход; ехр(iϕ₂(r)) фазовые искажения, вносимые в усиливаемое излучение ОКУ 16.

Блок ОВФ 18 работает в режиме четырехквантового смещения, при котором в нелинейной оптической среде блока ОВФ 18 взаимодействует четыре световые волны: Е₁, Е₂, Е₃ падающие волны, Е4 отраженная волна, распространяющаяся по направлению, обратному направлению распространения усиленного излучения Е₁. Отраженная волна Е₄ является обращенной.

Световые волны Е₂, Е₃ формируются с помощью второго лазера 25 и второго ПВМС 20.

Световая волна Е₃ поступает непосредственно от второго лазера 25 и не вносит дополнительных наклонов волнового фронта в световую волну Е₄. Световая волна Е₂ с помощью ПВМС 20 и Фурье-линзы 19 приобретает дополнительный наклон волнового фронта, за счет чего обеспечивается введение упреждающего углового сдвига (наклона волнового фронта) в световую волну Е₄. Световая волна Е₂ формируется следующим образом. Немодулированный световой пучок от лазера 25 через зеркало 31, 35 поступает на входную плоскость второго ПВМС 20, один из отражательных элементов которого находится в открытом состоянии.

Отраженный световой поток можно представить в виде Е_отр. Е_о δ (х х₁, y y₁), (3) где Е_о const; х₁, y₁ координаты открытого элемента в плоскости второго ПВМС 20.

Вторая Фурье-линза 19 осуществляет Фурье-преобразование светового потока Е_отр и формирует световую волну с необходимым упреждающим наклоном волнового фронта E₂= [E_отр] E_oe (4) В результате взаимодействия световых волн Е₃ и Е₁(r) в нелинейной оптической среде блока ОВФ 18 формируется динамическая голографическая решетка с распределением δε(r) E₃ E₁*(r) (5)
Взаимодействие сформированной динамической решетки (5) со световой волной Е₂ порождает обращенную световую волну Е₄:
Е₄(r) δε(r) E₂ E_o E₂ E₃ E₁*(r) (6)
Амплитуда обращенной световой волны определяется на основании решения системы уравнений, описывающих взаимодействие указанных световых волн в нелинейной оптической среде блока ОВФ 18
E₄= (7) где L длина области взаимодействия,
I₂=E₂|²; I₃=E₃|² интенсивности опорных волн Е₂, Е₃;
λ_p рабочая длина волны;
n показатель преломления среды;
λ⁽³⁾ нелинейная кубическая восприимчивость среды.

Отраженная от блока ОВФ 18 обращенная световая волна Е₄ проходит по обратному пути распространения световой волны Е₁(r) / через ОКУ 16, где осуществляется усиление. При этом за счет обращенности волны Е₄происходит компенсация фазовых искажений eⁱϕ2^(r) ОКУ 16.

Распределение излучения после прохождения через ОКУ 16 имеет вид
Е₅(r) E₂ E₃ E₁*eⁱϕ2^(r)K₁
E_o² E₃ K₁² e^-iωo^{r - i}ϕ^(r) ˙ eⁱωx^X1 ^{+ i}ωy^y1 (8) Сформированная на выходе ОКУ 16 усиленная световая волна Е₅ поступает в обратном ходе на телескопическую систему 6 и излучается в направлении объекта. Наличие в световой волне Е₅ составляющих e^-iϕ^(r) и e^-iωo^(r)обеспечивает компенсацию атмосферных искажений (eⁱϕ^(r)) при обратном прохождении световой волны по атмосферному каналу и точную фокусировку излучения на объект (составляющая e^-iωo^(r)) в точку, соответствующую положению объекта в момент отражения подсвечивающего излучения от первого лазера 7 на рабочей длине волны λ_p Составляющая eⁱωx^X1 ^{+ i}ωy^y1 обеспечивает наклон волнового фронта в волне Е₅ для наведения излучения в упреждающую точку.

Таким образом, при формировании опорных волн Е₃, Е₂ и возбуждении в блоке ОВФ 18 режима обращения волнового фронта обеспечивается точная автоматическая компенсация фазовых атмосферных искажений ϕ(r), малых смещений объекта (eⁱωo^(r)), не отрабатываемых опорно-поворотным устройством 1, а также введение необходимого упреждающего наклона волнового фронта, что позволяет автоматически точно наводить лазерное излучение на объект.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАВЕДЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащее последовательно оптически связанные опорно-поворотное устройство с блоком управления, на котором установлено отражательное зеркало, первую телескопическую систему, полупрозрачное зеркало, первый лазер с блоком запуска, первую Фурье-линзу, первый пространственно-временной модулятор света с блоком управления, первый матричный фотоприемник с блоком управления, блок выработки сигналов управления, оптический квантовый усилитель с блоком запуска, второй лазер с блоком запуска, а также блок определения координат, отличающееся тем, что, с целью повышения точности наведения лазерного излучения на объект, в устройство дополнительно введены последовательно оптически связанные вторая телескопическая система, блок обращения волнового фронта, вторая Фурье-линза, второй пространственно-временной модулятор света с блоком управления, объектив, второй фотоприемник, третий лазер с блоком запуска, двухкоординатный сканер лазерного излучения, при этом оптический выход второй телескопической системы через оптический квантовый усилитель связан с первым оптическим входом блока обращения волнового фронта, оптический выход второго пространственно-временного модулятора света через полупрозрачное зеркало, вторую Фурье-линзу и отражательное зеркало связан с вторым оптическим входом блока обращения волнового фронта, оптический выход второго лазера через отражательное и полупрозрачное зеркала связан с оптическим входом второго пространственно-временного модулятора света, а через второе отражательное зеркало связан с первым оптическим выходом блока обращения волнового фронта, оптический вход второго фотоприемника через объектив связан с вторым оптическим выходом блока обращения волнового фронта, вход блока определения координат связан с выходом блока управления первого матричного фотоприемника, выход блока определения координат с первым входом блока выработки сигналов управления, второй вход которого соединен с выходом второго фотоприемника, а выходы блока выработки сигналов управления соединены с входом блока управления опорно-поворотным устройством, двухкоординатным сканером лазерного излучения, входами блоков запуска первого, второго и третьего лазеров, блоками управления первого и второго пространственно-временного модуляторов света и с блоком запуска оптического квантового усилителя соответственно, оптический выход третьего лазера через двухкоординатный сканер лазерного излучения и полупрозрачное зеркало связан с оптическим выходом первой телескопической системы, оптический вход которой связан с оптическим входом опорно-поворотного устройства посредством отражательного зеркала, расположенного перед контррефлектором второй телескопической системы, оптический выход первого лазера через полупрозрачное зеркало связан с оптическим выходом первой телескопической системы, второй оптический выход первого лазера через первую Фурье-линзу и полупрозрачное зеркало связан с оптическим входом первого матричного фотоприемника и оптическим входом первого пространственно-временного модулятора света, оптический вход второй телескопической системы связан с оптическим выходом опорно-поворотного устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1