Способ формирования импульса электромагнитного излучения при его доставке на объект, лазерная система для его осуществления, способ управления лазерной системой и устройство управления лазерной системой
Владельцы патента RU 2326478:
Федеральное государственное унитарное предприятие "НПО Астрофизика" (RU)
Изобретение относится к области квантовой физики и может быть использовано при создании лазерных систем на базе фотодиссоционных генераторов. Способ включает создание сходящейся ударной волны с передним фронтом цилиндрической формы. Внутри сходящейся ударной волны создают расходящуюся ударную волну, коаксиальную фронту сходящейся ударной волны. Импульс электромагнитного излучения имеет форму тонкостенного цилиндра. Формируют прозрачную область с входным плоским фронтом и выходным фронтом в форме конуса, соосным полученному импульсу электромагнитного излучения в форме тонкостенного цилиндра. Пропускают последний через дополнительно сформированную область. Лазерная система включает фотодиссоционный генератор в виде камеры с рабочей средой. В камере размещен основной заряд взрывчатого вещества (ВВ) в форме полого усеченного конуса с приемниками дистанционного управления на его большем торце. В камере напротив торцов основного заряда ВВ предусмотрены два плоских прозрачных окна. Система содержит также дополнительный заряд ВВ в форме полого конуса, плоскую упругоэластичную прозрачную мембрану и толкатель с механизмом его перемещения, подключенный к блоку управления. Технический результат - повышение плотности мощности в области доставки излучения. 4 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил.
Предлагаемое техническое решение относится к области квантовой физики и может быть использовано при создании лазерных систем на базе фотодиссоционных генераторов.
Известны способы формирования импульса электромагнитного излучения на базе фотодиссоционных квантовых генераторов. Системы управления генераторов включают в себя источники электромагнитного излучения, подключенные к блоку управления (см. пат. РФ №№2241285 и 2241286, МПК 7 H01S 3/03, 3/0937, опубл. 2004 г.).
Наиболее близким техническим решением (прототипом) к предлагаемому решению является способ формирования импульса электромагнитного излучения при его доставке на объект, включающий создание сходящейся ударной волны с передним фронтом цилиндрической формы для воздействия на рабочую среду (см. пат. РФ №2240634, МПК 7 H01S 3/03, 3/0937, опубл. 2004 г.).
Лазерная система для реализации способа включает фотодиссоционный генератор в виде камеры с рабочей средой, в которой размещен основной заряд взрывчатого вещества (ВВ) в форме полого усеченного конуса с приемниками дистанционного управления на его большем торце, при этом в камере напротив торцов основного заряда ВВ предусмотрены два плоских прозрачных окна, смонтированные ортогонально оптической оси генератора, и блок управления.
Способ управления лазерной системой включает в себя формирование параллельного пучка электромагнитного излучения, коллимирование сформированного параллельного пучка электромагнитного излучения с последующим его преобразованием в пучок кольцевого сечения для подачи управляющего сигнала на приемники дистанционного управления основного заряда ВВ.
Устройство управления лазерной системой содержит источник параллельного пучка электромагнитного излучения, подключенный к основному выходу блока управления, коллиматор, установленный на выходе источника параллельного пучка электромагнитного излучения и оптически сопряженный через аксикон, включающий внутренние и наружные зеркальные конусы, с приемниками дистанционного управления основного заряда ВВ.
Недостатком приведенных технических решений является пониженная плотность мощности электромагнитного излучения, доставляемого на объект.
Технический результат от использования предлагаемого технического решения заключается в повышении плотности мощности электромагнитного излучения, доставляемого на объект.
В соответствии с предлагаемым техническим решением указанный технический результат достигается тем, что в способе формирования импульса электромагнитного излучения при его доставке на объект, включающем создание сходящейся ударной волны с передним фронтом цилиндрической формы для воздействия на рабочую среду, внутри сходящейся ударной волны с передним фронтом цилиндрической формы создают расходящуюся ударную волну с передним фронтом, коаксиальным фронту сходящейся ударной волны, получая в области схождения ударных волн импульс электромагнитного излучения в форме тонкостенного цилиндра, дополнительно формируют однородную оптически прозрачную область с входным плоским фронтом и выходным фронтом в форме конуса, соосным полученному импульсу электромагнитного излучения в форме тонкостенного цилиндра, и пропускают последний через дополнительно сформированную область, при этом угол γ при вершине конуса дополнительно сформированной области выбирают, исходя из условия:
где Rcp - средний радиус импульса электромагнитного излучения в форме тонкостенного цилиндра;
L - расстояние до объекта;
n - коэффициент преломления дополнительно сформированной однородной оптически прозрачной области.
В лазерной системе, включающей фотодиссоционный генератор в виде камеры с рабочей средой, в которой размещен основной заряд взрывчатого вещества (ВВ) в форме полого усеченного конуса с приемниками дистанционного управления на его большем торце, при этом в камере напротив торцов основного заряда ВВ предусмотрены два плоских прозрачных окна, смонтированных ортогонально оптической оси генератора, и блок управления, содержится дополнительный заряд ВВ в форме полого конуса с приемником дистанционного управления при его вершине, плоская упругоэластичная прозрачная мембрана круглой формы и толкатель с механизмом его перемещения, подключенный к блоку управления, полый конус дополнительного заряда ВВ установлен внутри и соосно усеченному конусу основного заряда ВВ, углы конусности конусов основного и дополнительного зарядов ВВ равны, а их вершины развернуты в противоположные стороны, плоская прозрачная мембрана круглой формы смонтирована перед наружной стороной первого окна камеры, напротив меньшего торца конуса основного заряда ВВ, соосно оптической оси генератора и с образованием полости, заполненной иммерсионной жидкостью, при этом коэффициенты преломления иммерсионной жидкости и плоской прозрачной мембраны равны, а толкатель размещен в рабочей камере с возможностью взаимодействия одним своим концом с центральной частью плоской мембраны.
Кроме того, лазерная система дополнительно содержит гидроаккумулятор, подключенный к полости, заполненной иммерсионной жидкостью.
Кроме того, в центральной части первого окна камеры, предусмотрена направляющая под толкатель.
Кроме того, на внутренней поверхности второго окна камеры, напротив просвета между меньшим торцом усеченного конуса основного заряда ВВ и основанием конуса дополнительного заряда ВВ, предусмотрена зеркальная кольцевая зона.
Кроме того, один конец толкателя, взаимодействующий с центральной частью плоской мембраны выполнен заостренным.
Кроме того, механизм перемещения толкателя выполнен в виде пакета пьезоэлементов, установленных между вторым концом толкателя и центральной цилиндрической вставкой, предусмотренной в камере и связанной с последней через пилоны.
Кроме того, в центральной цилиндрической вставке выполнено осевое отверстие, в котором размещен шток, установленный с возможностью перемещения и взаимодействия с пакетом пьезоэлементов.
Кроме того, на штоке предусмотрен резьбовой участок под гайку, взаимодействующую с торцевой поверхностью центральной цилиндрической вставки.
Кроме того, толкатель подпружинен в сторону пакета пьезоэлементов.
Способ управления лазерной системой, включает формирование параллельного пучка электромагнитного излучения, коллимирование сформированного параллельного пучка электромагнитного излучения с последующим его преобразованием в пучок кольцевого сечения для подачи управляющего сигнала на приемники дистанционного управления основного заряда ВВ, причем перед преобразованием коллимированного пучка электромагнитного излучения в пучок кольцевого сечения выделяют центральную часть коллимированнго пучка для формирования управляющего сигнала и его подачи на приемник дистанционного управления дополнительного заряда ВВ, при этом перед подачей управляющих сигналов на приемники дистанционного управления основного и дополнительного зарядов ВВ осуществляют деформацию упругоэластичной мембраны путем подачи управляющего сигнала на механизм перемещения толкателя, для перемещения последнего в сторону мембраны на величину Δ, исходя из условия:
где D - диаметр меньшего торца усеченного конуса основного заряда ВВ;
d - диаметр основания конуса дополнительного заряда ВВ;
L - расстояние до объекта доставки излучения;
n - коэффициент преломления иммерсионной жидкости и прозрачной мембраны.
Устройство управления лазерной системой содержит источник параллельного пучка электромагнитного излучения, подключенный к основному выходу блока управления, коллиматор, установленный на выходе источника параллельного пучка электромагнитного излучения и оптически сопряженный через аксикон, включающий внутренний и наружный зеркальные конусы, с приемниками дистанционного управления основного заряда ВВ, внутренний зеркальный конус аксикона выполнен с осевым отверстием для оптического сопряжения коллиматора с приемником дистанционного управления дополнительного заряда ВВ, а механизм перемещения толкателя подключен к дополнительному выходу блока управления.
На фиг.1 представлена лазерная система для формирования импульса электромагнитного излучения; на фиг.2 - устройство для управления лазерной системой.
Лазерная система (см. фиг.1) содержит фотодиссоционный генератор в виде рабочей камеры 1 с газообразной рабочей средой 2. В камере 1 размещены основной заряд ВВ в виде полого усеченного конуса 3 и дополнительный заряд ВВ в виде полного полого конуса 4, установленный внутри конуса 3 и соосно последнему, при этом вершины конусов 3 и 4 развернуты в противоположные стороны относительно друг друга и выполнены с углами конуса при вершине, равными arcsin V1/V2, где V1 - скорость распространения ударной волны в рабочей камере, a V2 - скорость горения ВВ (данное условие необходимо для обеспечения в продольном сечении параллельности передних фронтов ударных волн, возникающих после поджига основного и дополнительного зарядов ВВ, оптической оси генератора). По большему торцу усеченного конуса 3 и на вершине конуса 4 размещены устройства поджига зарядов ВВ в виде приемников дистанционного управления 5, а в камере 1 напротив торцов усеченного конуса 3 установлены плоские прозрачные окна 6 и 7 круглой формы, смонтированные ортогонально оптической оси генератора. На внутренней поверхности окна 6 предусмотрена зеркальная кольцевая зона 8, расположенная напротив просвета между основанием конуса 4 (диаметр d) и меньшим торцом усеченного конуса 3 (диаметр D).
Перед наружной стороной окна 7 смонтирована плоская прозрачная мембрана 9 круглой формы из упругоэластичного материала, установленная соосно оптической оси генератора с образованием герметичной полости, заполненной иммерсионной жидкостью 10 и гидравлически связанной с гидроаккумулятором 11, обеспечивающим подачу иммерсионной жидкости 10 при увеличении объема полости во время упругой деформации мембраны 9 (показано пунктиром). Коэффициенты преломления иммерсионной жидкости 10 и прозрачной мкмбраны 9 выбраны исходя из условия их равенства. В окне 7 предусмотрена направляющая втулка 12, соосная оптической оси генератора, в которой размещен подвижный толкатель 13, взаимодействующий своим заостренным концом с центром мембраны 9. Для обеспечения передвижения толкателя 13 на заданную величину в системе предусмотрен механизм микроперемещений в виде пакета 14 пьезоэлементов, подключенного к блоку управления 15 и установленного между концом (торцом, противоположным заостренному) толкателя 13 и центральной цилиндрической вставкой 16 камеры 1, связанной с последней через пилоны 17 (в количестве двух или трех). Пакет 14 пьезоэлементов взаимодействует с вставкой 16 через шток 18, установленный в осевом отверстии вставки 16 со свободой осевого перемещения (для исключения разворота штока 18 в последнем предусмотрена шпонка 19, размещенная в шпоночном пазу 20 осевого отверстия вставки 16). Для установки «нулевого положения» в системе предусмотрен механизм перемещения штока 18 в виде гайки 21, установленной на резьбовом участке 22 штока 18 и взаимодействующей с торцевой поверхностью вставки 16. Для исключения люфтов и обеспечения постоянного поджатая подвижных элементов друг к другу толкатель 13 подпружинен в сторону штока 18 через пакет 14 пьезоэлементов посредством упругого элемента 23.
Способ формирования импульса электромагнитного излучения при его доставке на объект осуществляется следующим образом.
Перед поджигом основного 3 и дополнительного 4 зарядов ВВ определяют расстояние L до объекта, например, с помощью лазерного дальномера (в графических материалах условно не показано). После чего с блока 15 подается соответствующая команда на пакет 14 пьезоэлементов для перемещения толкателя 13. Последний упруго деформирует упругую мембрану 9 с получением конической поверхности с углом γ при вершине, при этом полость между мембраной 9 и окном 7 будет заполнена иммерсионной жидкостью 10.
Затем подают управляющий сигнал в виде электромагнитного излучения (на фиг.1 условно не показано) одновременно на приемники дистанционного управления 5 зарядов ВВ в виде полного полого конуса 4 и усеченного полого конуса 3 для поджига последних, в результате чего создаются две цилиндрических коаксиально расположенных и направленных навстречу друг другу ударных волны, с передними сходящимся I и расходящимся II фронтами. В области схождения указанных ударных волн в результате их воздействия на рабочую среду 2 формируется импульс электромагнитного излучения в виде тонкостенного цилиндра со средним диаметром, равным 2Rcp, и с высотой, равной высоте конусов 3 и 4, распространяющийся в две противоположные стороны в направлении окон 6 и 7. Одна часть импульса излучения, попадающая на зеркальную зону 8 окна 6, переотражается от последнего, суммируется с второй частью импульса и подается на прозрачное окно 7. Далее суммарный импульс, пройдя через оптически однородную среду (клиновой формы в осевом сечении на выходе), преломляется и в виде сужающегося импульса подается в точку F, являющуюся областью расположения объекта
Следует отметить, что угол γ при вершине конуса сформированной оптически однородной области выбирают, исходя из условия:
где Rcp - средний радиус импульса электромагнитного излучения в форме тонкостенного цилиндра;
L - расстояние до объекта;
n - коэффициент преломления дополнительно сформированной однородной оптически прозрачной области.
Дадим с помощью фиг.1 вывод формулы (1).
Известно (см., например, "Вычислительная оптика". Справочник под ред. М.М.Русинова, Л., Маш., 1984 г., с.118), что угол β отклонения светового пучка при прохождении клина определяется согласно формуле:
где n - коэффициент преломления оптически прозрачной среды (материала) клина.
α - преломляющий угол клина.
Так как
а из (2) следует
то, подставив (5) в (3), получим
И, далее подставляя (4) в (6), в конечном виде получаем:
Устройство управления лазерной системой, рассмотренной выше, содержит (см. фиг.2) последовательно установленные источник параллельного пучка электромагнитного излучения, например, в виде лазера 24, подключенного к первому выходу блока управления 25, коллиматор 26, оптически сопряженный через конический аксикон 27, включающий внутренний и наружный конусы, с приемниками дистанционного управления 5 основного заряда ВВ в виде усеченного конуса 3. При этом внутренний зеркальный конус аксикона 27 выполнен с осевым отверстием 28 для прохода центральной области расширенного пучка после коллиматора 26 на приемник дистанционного управления 5 дополнительного заряда ВВ в виде конуса 4, а второй выход блока 25 подключен к механизму перемещения толкателя 13 в виде пакета 14 пьезоэлементов.
Способ управления лазерной системой осуществляется следующим образом.
После определения дальности L до объекта с второго выхода блока управления 25 на пакет 14 пьезоэлементов подается управляющий сигнал для перемещения толкателя 13 на величину Δ, при этом мембрана 9 упруго деформируется с образованием конической поверхности с углом γ при вершине конуса (показано пунктиром). Для получения угла при вершине конуса, равного γ, величину Δ выбирают исходя из условия:
где D - диаметр меньшего торца усеченного конуса основного заряда ВВ;
d - диаметр основания конуса дополнительного заряда ВВ;
L - расстояние до объекта доставки излучения;
n - коэффициент преломления иммерсионной жидкости и прозрачной мембраны.
(Вывод формулы (7) приводится ниже).
После деформации мембраны 9 с получением конуса с углом при вершине, равным γ, с первого выхода блока 25 подается управляющий сигнал на лазер 24 для формирования параллельного пучка электромагнитного излучения, который расширяется коллиматором 26 и с помощью аксикона 27 подается на приемники дистанционного управления 5 для поджига основного заряда ВВ в виде усеченного конуса 3. Одновременно с помощью осевого отверстия 28 внутреннего конуса аксикона 27 из коллимированного пучка излучения «вырезается» его центральная часть для подачи управляющего сигнала на приемник 5 для поджига дополнительного заряда ВВ в виде конуса 4. В результате проведенных операций на выходе лазерной системы формируется импульс электромагнитного излучения, сходящийся в точке F расположения объекта (данный алгоритм подробно описан выше).
Приведем вывод формулы (7).
Очевидно, что:
Подставим значение γ из (1) в (8) с учетом, что 
в конечном виде получим:
Из вышеприведенного следует, что предложенное техническое решение имеет преимущество по сравнению с известным, а именно за счет сжатия большего объема рабочей среды (сжатие происходит по цилиндрической поверхности, а не по линии), значительно увеличивается плотность мощности излучения в области его доставки.
Следовательно предложенное техническое решение при использовании дает положительный технический результат - повышает плотность мощности в области доставки излучения.
По материалам заявки на предприятии в настоящее время проведены теоретические исследования и моделирование физических процессов, подтвердившие достижение указанного технического результата.
1. Способ формирования импульса электромагнитного излучения при его доставке на объект, включающий создание сходящейся ударной волны с передним фронтом цилиндрической формы для воздействия на рабочую среду, отличающийся тем, что внутри сходящейся ударной волны с передним фронтом цилиндрической формы создают расходящуюся ударную волну с передним фронтом, коаксиальным фронту сходящейся ударной волны, получая в области схождения ударных волн импульс электромагнитного излучения в форме тонкостенного цилиндра, дополнительно формируют однородную оптически прозрачную область с входным плоским фронтом и выходным фронтом в форме конуса, соосным с полученным импульсом электромагнитного излучения в форме тонкостенного цилиндра, и пропускают последний через дополнительно сформированную область, при этом угол γ при вершине конуса дополнительно сформированной области выбирают, исходя из условия
где Rcp - средний радиус импульса электромагнитного излучения в форме тонкостенного цилиндра;
L - расстояние до объекта;
n - коэффициент преломления дополнительно сформированной однородной оптически прозрачной области.
2. Лазерная система, включающая фотодиссоционный генератор в виде камеры с рабочей средой, в которой размещен основной заряд взрывчатого вещества (ВВ) в форме полого усеченного конуса с приемниками дистанционного управления на его большем торце, при этом в камере напротив торцов основного заряда ВВ предусмотрены два плоских прозрачных окна, смонтированных ортогонально оптической оси генератора, и блок управления, отличающаяся тем, что она содержит дополнительный заряд ВВ в форме полого конуса с приемником дистанционного управления при его вершине, плоскую упруго-эластичную прозрачную мембрану круглой формы и толкатель с механизмом его перемещения, подключенный к блоку управления, полый конус дополнительного заряда ВВ установлен внутри и соосно с усеченным конусом основного заряда ВВ, углы конусности конусов основного и дополнительного зарядов ВВ равны, а их вершины развернуты в противоположные стороны, плоская прозрачная мембрана круглой формы смонтирована перед наружной стороной первого окна камеры, напротив меньшего торца конуса основного заряда ВВ соосно с оптической осью генератора и с образованием полости, заполненной иммерсионной жидкостью, при этом коэффициенты преломления иммерсионной жидкости и плоской прозрачной мембраны равны, а толкатель размещен в рабочей камере с возможностью взаимодействия одним своим концом с центральной частью плоской мембраны.
3. Лазерная система по п.2, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит гидроаккумулятор, подключенный к полости, заполненной иммерсионной жидкостью.
4. Лазерная система по п.2, отличающаяся тем, что в центральной части первого окна камеры предусмотрена направляющая под толкатель.
5. Лазерная система по п.2, отличающаяся тем, что на внутренней поверхности второго окна камеры, напротив просвета между меньшим торцом усеченного конуса основного заряда ВВ и основанием конуса дополнительного заряда ВВ предусмотрена зеркальная кольцевая зона.
6. Лазерная система по п.2, отличающаяся тем, что один конец толкателя, взаимодействующий с центральной частью плоской мембраны, выполнен заостренным.
7. Лазерная система по п.2, отличающаяся тем, что механизм перемещения толкателя выполнен в виде пакета пьезоэлементов, установленных между вторым концом толкателя и центральной цилиндрической вставкой, предусмотренной в камере и связанной с последней через пилоны.
8. Лазерная система по 7, отличающаяся тем, что в центральной цилиндрической вставке выполнено осевое отверстие, в котором размещен шток, установленный с возможностью перемещения и взаимодействия с пакетом пьезоэлементов.
9. Лазерная система по п.8, отличающаяся тем, что на штоке предусмотрен резьбовой участок под гайку, взаимодействующую с торцевой поверхностью центральной цилиндрической вставки.
10. Лазерная система по п.7, отличающаяся тем, что толкатель подпружинен в сторону пакета пьезоэлементов.
11. Способ управления лазерной системой, выполненной по п.2, включающий формирование параллельного пучка электромагнитного излучения, коллимирование сформированного параллельного пучка электромагнитного излучения с последующим его преобразованием в пучок кольцевого сечения для подачи управляющего сигнала на приемники дистанционного управления основного заряда ВВ, отличающийся тем, что, перед преобразованием коллимированного пучка электромагнитного излучения в пучок кольцевого сечения выделяют центральную часть коллимированного пучка для формирования управляющего сигнала и его подачи на приемник дистанционного управления дополнительного заряда ВВ, при этом перед подачей управляющих сигналов на приемники дистанционного управления основного и дополнительного зарядов ВВ осуществляют деформацию упругоэластичной мембраны путем подачи управляющего сигнала на механизм перемещения толкателя для перемещения последнего в сторону мембраны на величину Δ, исходя из условия
где D - диаметр меньшего торца усеченного конуса основного заряда ВВ;
d - диаметр основания конуса дополнительного заряда ВВ;
L - расстояние до объекта доставки излучения;
n - коэффициент преломления иммерсионной жидкости и прозрачной мембраны.
12. Устройство управления лазерной системой, выполненной по п.2, содержащее источник параллельного пучка электромагнитного излучения, подключенный к основному выходу блока управления, коллиматор, установленный на выходе источника параллельного пучка электромагнитного излучения и оптически сопряженный через аксикон, включающий внутренний и наружный зеркальные конусы, с приемниками дистанционного управления основного заряда ВВ, отличающееся тем, что внутренний зеркальный конус аксикона выполнен с осевым отверстием для оптического сопряжения коллиматора с приемником дистанционного управления дополнительного заряда ВВ, а механизм перемещения толкателя подключен к дополнительному выходу, предусмотренному на блоке управления.
