Лазерный лучевой канал управления с внешним модулем накачки

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для формирования информационного поля лазерных систем телеориентации и навигации, оптической связи. Лазерная лучевая система управления содержит внешний модуль накачки, выполненный в виде блока полупроводниковых диодов с оптоволоконным выводом излучения, выход которого соединен разъемно с входным отверстием, выполненным в корпусе, с последовательно установленными и оптически сопряженными фокусирующей линзой, резонатором лазера, коллиматором, двухкоординатным сканирующим и выходным оптическим устройствами. Во входном отверстии корпуса установлено герметизирующее окно. Обеспечено увеличение срока эксплуатации и улучшение модового состава излучения лазера. 5 ил.

 

Изобретение относится к приборостроению, предназначено для формирования информационного поля лазерных систем телеориентации и навигации, оптической связи.

Известна система наведения управляемого объекта (патент РФ № 2126522, МПК: 6 F 41 G 7/26, приоритет 25.11.97 г.), в которой используется принцип телеориентации управляемого объекта в лазерном луче. Система содержит лазерный лучевой канал управления, включающий источник лазерного излучения, модулятор и формирующую оптическую систему с переменным фокусным расстоянием, который выполнен в виде модуля, входящего в состав прицельного комплекса.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является многоканальная лазерно-лучевая система управления "БЛИК", проспект Государственного Рязанского приборного завода, 2002 г., которая входит в состав прицельного комплекса. Она разработана по модульному принципу в виде функциональных конструктивно-законченных блоков: лазерного лучевого канала управления и электронного блока управления (патент RU № 2093849, МПК: 7 Н 04 В 10/10, приоритет 13.12.95, патент № 2177208, МПК: 7 Н 04 В 10/10) (прототип).

Лазерный лучевой канал управления в этих системах включает последовательно установленные в одном корпусе лазер, двухкоординатное сканирующее устройство и выходное оптическое устройство. В лазерном лучевом канале установлен твердотельный лазер с продольной накачкой (патенты № 2172544, МПК: 7 Н 01 S 3/02, приоритет 02.03.2000 г., № 2105399, МПК: 7 Н 01 S 3/094, приоритет 03.12.96 г.), состоящий из последовательно соединенных оптического модуля накачки и резонатора лазера с активным элементом и выходным зеркалом. Активный элемент вклеен теплопроводящим компаундом в калиброванный ложемент, который выполнен со стороны оптического модуля накачки в цилиндрической оправе резонатора, закрепленной в корпусе лазера соосно с оптической осью модуля накачки. Оптический модуль накачки в простейшем случае содержит лазерный диод с цилиндрической линзой, фокусирующую линзу и микрохолодильник.

Недостатком таких комплексов является следующее.

Отказы в работе прицелов таких систем связаны с ухудшением характеристик наиболее слабого звена - лазера.

Подавляющее большинство отказов твердотельных лазеров с диодной накачкой связано с изменениями в структуре излучения полупроводниковых лазерных диодов, такими как падение мощности, изменение диаграммы направленности и модового состава излучения. Это связано с чрезвычайно жесткими требованиями к условиям работы лазерных диодов, прежде всего к цепям питания, а также соблюдению надлежащих правил хранения изделия, что не всегда обеспечивается в реальных условиях эксплуатации на объекте. Поэтому отказы в работе лазера возникают из-за падения мощности оптического модуля накачки. А так как лазер входит в состав лазерного лучевого канала управления, выполненного в виде отдельного модуля, являющегося неремонтопригодным, возникает необходимость замены всего модуля.

Во всех вышеуказанных системах модуль лазерного лучевого канала управления входит в состав прицельного комплекса. Монтаж прицельного комплекса осуществляется в заводских условиях, где также производится взаимная оптическая привязка всех его составляющих.

Поэтому, если в процессе эксплуатации прицельного комплекса происходит падение мощности лазера, для замены модуля лазерного лучевого канала управления необходимо демонтировать прицел, осуществить установку и оптическую привязку другого модуля.

Это требует больших материальных затрат, связанных с изготовлением другого модуля лазерного лучевого канала управления, его установки в прицельный комплекс и оптической привязки.

Задачей данного изобретения является увеличение срока эксплуатации лазерного лучевого канала в прицельном комплексе и улучшение модового состава излучения лазера.

Для достижения указанного технического результата в лазерном лучевом канале управления, содержащем последовательно установленные и оптически сопряженные лазер, состоящий из модуля накачки и резонатора, коллиматор, двухкоординатное сканирующее и выходное оптическое устройства, в качестве модуля накачки использован блок полупроводниковых диодов с оптоволоконным выводом излучения, выход которого соединен разъемно с входным отверстием, выполненным в корпусе, при этом во входном отверстии корпуса установлено герметизирующее окно, а между ним и резонатором лазера, установленным в корпусе перед последовательно расположенными коллиматором, двухкоординатным сканирующим и выходным оптическим устройствами, введена фокусирующая линза.

Выполнение лазерного лучевого канала управления с внешним модулем накачки в виде блока полупроводниковых диодов с оптоволоконным выводом излучения и входного отверстия в корпусе с последовательно установленными и оптически сопряженными резонатором лазера, коллиматором, двухкоординатным сканирующим и выходным оптическим устройствами, осуществление разъемного соединения оптоэлектронного волокна с входным окном, а также установление во входном отверстии корпуса герметизирующего окна и введение фокусирующей линзы между входным окном и резонатором позволило улучшить модовый состав излучения лазера и увеличить срок эксплуатации лазерного лучевого канала в прицельном комплексе.

На фиг.1 представлена схема лазерного лучевого канала с внешним модулем накачки.

На фиг.2 представлена конструкция модуля накачки.

На фиг.3 представлена конструкция информационного модуля.

На фиг.4 представлена схема согласования пятна накачки с сердцевиной оптического волокна.

На фиг.5 представлены изображения трех источников излучения в эквивалентной точке сложения.

Лазерный лучевой канал управления состоит из модуля накачки 1 и информационного блока 2.

Соединение модуля накачки 1 с информационным блоком 2 лазерного лучевого канала управления осуществлено посредством оптического волокна 3, концы которого снабжены вилками 4 и 5.

Модуль накачки 1 состоит из корпуса 6, в котором размещены, например, три лазерных диода 7, 8, 9 с цилиндрическими линзами 10, 11, 12, трапецеидальная призма 13 и фокусирующая линза 14. Выходное отверстие корпуса 6 снабжено внутри герметизирующим окном 15, а с внешней стороны - розеткой 16.

Информационный блок 2 состоит из корпуса 17 с отверстием, которое снабжено с внешней стороны розеткой 18, а с внутренней - герметизирующим окном 19. На основании 20 корпуса 17 последовательно расположены фокусирующая линза 21, резонатор 22, коллиматор 23, двухкоординатное сканирующее устройство, состоящее, например, из трех акустооптических ячеек 24, 25, 26, поляризационной призмы 27, оптического отражателя 28, и выходное оптическое устройство, состоящее, например, из двух телескопов 29 и 30.

Лазерный лучевой канал с внешним оптическим модулем накачки работает следующим образом

Излучение лазерных диодов 7, 8, 9 оптического модуля накачки 1 коллимируются цилиндрическими линзам 10, 11, 12, пройдя суммирующую трапецеидальную призму 13, фокусируется линзой 14 на торце оптического волокна 3, подсоединенного вилкой 4 и розеткой 16 к выходному окну 15 корпуса 3 оптического модуля накачки 1.

Для эффективного ввода излучения в оптическое волокно 3 при данной схеме суммирования необходимо выполнить условие:

(х²+у²)^1/2·Sin(σ_у/2)≤d·Sin(β/2), (1)

где у - размер пучка на выходной поверхности цилиндрической линзы в плоскости, параллельной гетеропереходу;

х - размер пучка на выходной поверхности цилиндрической линзы в плоскости, перпендикулярной гетеропереходу;

σ_у - расходимость излучения лазерного диода в плоскости, параллельной гетеропереходу, по уровню 1/е² интенсивности;

d - диаметр сердцевины оптического волокна;

β - критический угол работы оптического волокна.

Условие (1) соответствует согласованию пятна накачки, имеющего линейные размеры х·у с сердцевиной оптического волокна (фиг.4), когда пятно накачки является вписанным в диаметр сердцевины оптического волокна.

Лазерный пучок, выходящий из торца оптического волокна 3, соединенного с помощью вилки 5 с розеткой 19, через входное окно 20 подается в информационный блок 2, фокусируется линзой 21 в резонатор 22 лазера.

Для осуществления одномодовой генерации оптическая схема резонатора требует введения селектора высших поперечных мод, который, как правило, представляет собой диаграмму, согласованную с основной модой резонатора, с резким или гауссовым профилем пропускания. Однако такой внутрирезонаторный элемент сам вносит потери и уменьшает эффективность генерации основной поперечной моды. При торцевой накачке активного элемента резонатора селектором мод является само пятно накачки.

Изображения трех источников излучения (полупроводниковых лазерных диодов 7, 8, 9) в эквивалентной точке сложения суммируются рядом друг с другом или один в один (фиг.5).

При согласовании пятна накачки (фиг.5а) с основной модой резонатора, когда изображения источников излучения располагаются рядом друг с другом, структура выходного излучения оказывается сильно зависящей от флуктуации интенсивности в изображении (например, вследствие температурных воздействий) каждого из источников. К тому же возникают потери за счет различной геометрии пятна накачки и основной поперечной моды, которая имеет осевую симметрию, так как либо часть излучения при этом оказывается вне области усиления основной моды, либо из-за сильной фокусировки возможно возбуждение лягер-гауссовых мод более высокого порядка, в которых размер центрального максимума совпадает с размерами накачиваемой области.

При формировании пятна накачки, когда изображения трех источников сводятся в одно пятно (фиг.5б), удается увеличить эффективность генерации, но при этом пятно генерации становится эллиптическим, так как в резонаторе возникает астигматическая тепловая линза.

Когда же осуществляют согласование пятна накачки с помощью фокусирующей линзы 14 с входным торцом многомодового оптического волокна 3, сердцевина волокна на его выходном торце оказывается практически равномерно заполненной излучением накачки. При этом распределение в изображении отдельного источника накачки не влияет на модовый состав генерируемого излучения, а какие-либо негативные эффекты могут проявиться только в случае сильного падения в целом мощности накачки.

Существенное улучшение модового состава выходного излучения осуществлено за счет симметризации пятна накачки при прохождении излучения накачки через оптическое волокно 3.

Для осуществления эффективной одномодовой генерации твердотельного лазера необходимо согласовать диаметр сердцевины оптического волокна 3 и размер основной моды резонатора 22. Согласование осуществляют с помощью фокусирующей линзы 21, при этом обеспечивается условие:

d=β·2ω, (2)

где 2ω - диаметр перетяжки пучка по уровню 1/е² интенсивности;

β - линейное увеличение линзы 23.

Сформированный твердотельным лазером пучок проходит коллиматор 23 и подается на акустооптические ячейки 24, 25, 26. Продифрагировавший на акустооптических ячейках 24, 25, 26 лазерный пучок, пройдя поляризационную призму 27 и оптический отражатель 28, с помощью телескопов 29 и 30 образует в пространстве лазерные растры управления объектами на определенных дальностях. Управление включением и работой лазерного лучевого канала управления осуществляется электронным блоком управления.

В качестве вилок и розеток для соединения выхода модуля накачки с информационным блоком используются коннекторы (волоконные соединители) типа SMA 905.

В отверстиях, выполненных в корпусе 6 и 17 модуля накачки 1 и корпусе 17 информационного блока 2, установлены герметизирующие окна 15 и 19, обеспечивающие герметизацию модуля накачки 1 и информационного блока 2 при ремонте.

Оптическое волокно выполняет, во-первых, функцию селектора поперечных мод, так как размер пучка на выходе волокна легко согласовать с помощью фокусирующей линзы с основной модой резонатора, а во-вторых, позволяет развязать модуль накачки и информационный блок, установить модуль накачки в доступном месте, позволяя тем самым осуществлять непосредственно на объекте замену модуля накачки, исключая оптическую юстировку лазерного лучевого канала управления и его оптическую привязку в прицельном комплексе.

В качестве оптического модуля накачки могут использоваться серийно изготавливаемые модули накачки с оптическим волокном, такие как, например, UM 7800/ 100/20 Styles компании Unique - m.o.d.e или Vilon - S8W компании Djsnjn Laser Inc.

Таким образом, выполнение модуля накачки в виде блока полупроводниковых диодов с оптоволоконным выводом излучения и соединенние его разъемно с входным отверстием, выполненным в корпусе, и введение фокусирующей линзы между входным окном и резонатором лазера, установленным в корпусе перед последовательно расположенными коллиматором, двухкоординатным сканирующим и выходным оптическим устройствами, позволило улучшить модовый состав излучения лазера и увеличить срок эксплуатации лазерного лучевого канала в прицельном комплексе.

Лазерная лучевая система управления с внешним модулем накачки, содержащая последовательно установленные и оптически сопряженные твердотельный лазер, состоящий из модуля накачки и резонатора, коллиматор, двухкоординатное сканирующее и выходное оптическое устройства, отличающаяся тем, что в ней в качестве модуля накачки использован блок полупроводниковых диодов с оптоволоконным выводом излучения, выход которого соединен разъемно с входным отверстием, выполненным в корпусе, при этом во входном отверстии корпуса расположено герметизирующее окно, а внутри корпуса перед последовательно установленными резонатором лазера, коллиматором, двухкоординатным сканирующим и выходным оптическим устройствами размещена фокусирующая линза.