Способ наведения частотно преобразованного излучения канала лазерной установки на мишень

Изобретение относится к области оптической техники, а именно к многоканальным излучателям с преобразованием частоты, и может быть использовано для автоматической юстировки и наведения пучков излучения на мишень при подготовке ее к физическим экспериментам. В способе наведения частотно преобразованного излучения канала лазерной установки на мишень, включающем совмещение на входе преобразователя частоты по направлению излучения вбрасываемого настроечного источника, частота которого совпадает с частотой преобразованного излучения установки, с излучением настроечного источника, частота которого совпадает с частотой излучения установки, контроль совпадения направления излучения осуществляют при монтажной и периодической настройке с помощью регистрирующей аппаратуры по изображениям источников, далее, убрав регистрирующую аппаратуру, осуществляют настройку по излучению вбрасываемого источника, обеспечив попадание излучения канала лазерной установки в требуемую точку мишени. Перед каждым опытом осуществляют контроль позиционирования вбрасываемого настроечного источника с помощью дополнительных обратных настроечных источников излучения, излучающих в направлении от мишени, конструктивно связанных с настроечными источниками, излучающими в направлении на мишень, по изображению обратных источников в камерах регистрирующих датчиков, входящих в состав лазерной установки. Технический результат - автоматизация юстировки и наведения частотно преобразованного излучения канала лазерной установки на мишень, при которой увеличивается точность, упрощается и уменьшается время наведения. 7 ил.

 

Настоящее изобретение относится к области оптической техники, а именно к многоканальным излучателям с преобразованием частоты и может быть использовано для автоматической юстировки и наведения пучков излучения на мишень при подготовке ее к физическим экспериментам.

Известен способ наведения излучения в заданную точку мишени при подготовке ее к физическим экспериментам на многоканальной лазерной установке LMJ [Michel Luttmann et.al. Laser Megajoule alignment to target center. Proc. of SPIE, v. 7916, 79160N (2011)].

Наведение лазерных пучков на мишень, расположенную в центре мишенной камеры, в данном способе осуществляют с помощью специального устройства, называемого the Common Reference (CR), вводимого в центральную область камеры. Оно содержит источник непрерывного настроечного излучения, работающего на частоте преобразованного излучения силового лазера, и вращающееся зеркало с центром, сохраняющим свое местоположение. В состав оборудования входят также 6 теле-микроскопов, называемых SOPAC, расположенных вокруг мишенной камеры парами друг напротив друга. Настроечный источник CR позиционируется теле-микроскопами SOPAC в центре мишенной камеры. Излучение CR направляется в очередной канал, где по нему настраивается автоколлимационное зеркало. По автоколлимационному зеркалу настраиваются транспортные зеркала. Здесь используется настроечный источник излучения основной гармоники, который заводится в плоскость диафрагмы транспортного фильтра, а контроль осуществляется по датчику усилителя. Способ основан на привязке настроечного излучения высшей гармоники к настроечному излучению основной гармоники.

Недостатками является сложность настройки, и необходимость настройки всех каналов на мишень проводить последовательно.

Также известен способ наведения излучения на мишень многоканальной лазерной установки NIF [S J. Boege et.al. NIF pointing and centering systems and target alignment using a 351 nm laser source/Proc. of SPIE,v. 3047, 0276X (1997)]. Способ наведения излучения основывается на двух ортогональных датчиках центра мишенной камеры (МК) так называемых, расположенных за пределами сферической камеры и датчика мишени - специального устройства сведения пучков и юстировки мишени. Геометрия устройства сведения и юстировки позволяет сводить пучки излучения от всех каналов лазера в две точки пространства центральной зоны МК, соответствующие центрам отверстий ввода цилиндрического бокс-конвертора с рабочей мишенью. Настроечный источник высшей гармоники вбрасывается в соответствующий фокус выходной линзы транспортного пространственного фильтра. Излучение проходит по транспортным зеркалам, финальному модулю и регистрируется датчиком мишени. Излучение задающего генератора проходит через не накаченный силовой усилитель, по транспортным зеркалам, частично преобразуется в гармонику, фокусируется финальным модулем и так же регистрируется датчиком TAS. Разница координат на датчике компенсируется наклоном последнего транспортного зеркала. Далее заводят в центр устройства сведения бокс-конвертор с рабочей мишенью, контролируя его положение двумя соосными камерами устройства сведения до совмещения изображения цента его отверстий с центром матриц камер, при этом вертикальное позиционирование бокс-конвертора осуществляют третьей камерой.

Однако датчик мишени позволяет сводить и фокусировать лазерные пучки в заданные точки только для определенного типа мишени и при определенных условиях ее облучения, и не пригоден, например, для кубической симметрии облучения мишени. Кроме того, настройка всех каналов происходит последовательно и занимает длительное время из-за невозможности обеспечения автоматизации всех процессов, входящих в нее.

Нами выбрана концепция наведения излучения многоканального лазера в заданные точки мишени [RU 2601505 С1 «Способ наведения излучения многоканального лазера в заданные точки мишени и комплекс для его осуществления», МКП G02B 27/16, G21B 1/23; опубл. 10.11.2016].

Определение центра мишенной камеры в этой работе осуществляется с помощью ортогонально расположенных вне мишенной камеры двух пар соосных датчиков Д1, Д3 и Д2, Д4 в ее экваториальной плоскости, и датчиков Д5, Д6, расположенных соосно друг другу в области полюсов. Кубический имитатор мишени с зеркальными гранями и с оптическими метками используется для взаимной привязки датчиков. Сведение всех пучков многоканального лазера в заданные точки пространства и юстировку мишени осуществляют с помощью этих же шести датчиков, но используя другой кубический имитатор мишени, каждая грань которого имеет две области - центральную с матовой поверхностью и периферийную с зеркальной поверхностью, причем лазерные пучки наводят на центры граней этого имитатора мишени. Фокусировку и наведение пучков на точки граней имитатора мишени выполняют по командам автоматически, путем продольных перемещений фокусирующей линзы финального оптического модуля и угловых наклонов зеркал системы транспортировки. После чего имитатор мишени выводят из мишенной камеры и заводят бокс-конвертор с рабочей мишенью, затем мишень юстируют с помощью устройства позиционирования мишени и датчиков Д1-Д6.

Недостатком способа является невозможность перед каждым опытом проверять точность вбрасывания настроечного источника путем сравнения положения излучения настроечного источника и преобразованного излучению задающего генератора на матовой поверхности имитатора с помощью датчиков мишенной камеры.

Совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков заявляемого изобретения, присуща способу наведения преобразованного излучения многоканального лазера в заданные точки мишени, включающему позиционирование излучения вбрасываемого настроечного источника, частота которого совпадает с частотой преобразованного излучения установки [М.С. Глушков, И.И. Соломатин, А.В. Виноградов, А.В. Андраманов, Д.В. Бакайкин «Позиционирование источника излучения для настройки мишени в транспортном пространственном фильтре», Молодежь в науке. Сборник докладов 15-й научно-технической конференции, Саров, 2017 г.]. Способ включает в себя совмещение на входе преобразователя частоты по направлению излучения вбрасываемого настроечного источника, частота которого совпадает с частотой преобразованного излучения установки, с излучением настроечного источника, частота которого совпадает с частотой излучения установки, контроль совпадения направления излучения осуществляют при монтажной и периодической настройке с помощью регистрирующей аппаратуры по изображениям источников, далее, убрав регистрирующую аппаратуру, осуществляют настройку по излучению вбрасываемого источника, обеспечив попадание излучения канала лазерной установки в требуемую точку мишени.

В этой работе проанализированы все факторы, приводящие к отличию положения настроечного излучения на мишени от частотно преобразованного излучения канала лазерной установки. Сделан вывод о том, что если частота и поляризация настроечного источника совпадают с частотой и поляризацией преобразованного излучения лазерной установки, а направление настроечного излучения совпадает с направлением излучения лазерной установки на входе преобразователя частоты, различия положений соответствующих излучений на поверхности мишени не будет. Так же в работе описан стандартный монтажный способ совмещения направлений излучений разной частоты. К сожалению, этим способом невозможно контролировать совмещение в каждом опыте, поэтому потребовалось разрабатывать более оперативный и менее затратный способ.

Задачей, стоящей в рассматриваемой области техники, является создание способа, обеспечивающего точное сведение пучков многоканальной установки с преобразованием частоты в заданные точки мишени.

Техническим результатом, достигаемым за счет применения заявляемого способа, является автоматизация юстировки и наведения частотно преобразованного излучения канала лазерной установки на мишень, при которой увеличивается точность, упрощается и уменьшается время наведения, благодаря тому, что появляется возможность перед каждым опытом проверять точность вбрасывания настроечного источника и осуществлять эту операцию во всех каналах параллельно, что не приводит к увеличению общего времени настройки установки.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе наведения частотно преобразованного излучения канала лазерной установки на мишень, включающем совмещение на входе преобразователя частоты по направлению излучения вбрасываемого настроечного источника, частота которого совпадает с частотой преобразованного излучения установки, с излучением настроечного источника, частота которого совпадает с частотой излучения установки, контроль совпадения направления излучения осуществляют при монтажной и периодической настройке с помощью регистрирующей аппаратуры по изображениям источников, далее, убрав регистрирующую аппаратуру, осуществляют настройку по излучению вбрасываемого источника, обеспечив попадание излучения канала лазерной установки в требуемую точку мишени. Согласно изобретению, перед каждым опытом осуществляют контроль позиционирования вбрасываемого настроечного источника с помощью дополнительных обратных настроечных источников излучения, излучающих в направлении от мишени, конструктивно связанных с настроечными источниками, излучающими в направлении на мишень, по изображению обратных источников в камерах регистрирующих датчиков, входящих в состав лазерной установки.

Для контроля точности вбрасывания в каждом опыте, настроечный источник основной частоты, настроечный источник преобразованной частоты и выходная линза транспортного пространственного фильтра (ТПФ) снабжаются дополнительными (обратными) источниками излучения, направленными в сторону, противоположную излучению настроечных источников. Обратные источники регистрируются датчиком силового усилителя (ДСУ).

Наличие отличительных признаков в способе позволяет в каждом опыте контролировать точность вбрасывания настроечного источника, и при необходимости корректировать его положение.

Предложено источники первой и второй гармоник оснастить обратными источниками, при этом излучение прямых источников регистрируется, для периодической калибровки, камерой датчика точной диагностики (ДТД), а излучение обратных источников регистрируется камерой ДСУ. Включение в схему дополнительных (обратных) источников излучения, направленных в сторону, противоположную излучению настроечного источника обеспечивает контроль точности вбрасывания.

В качестве примера реализации способа, представлен стенд отработки вбрасывания настроечного источника излучения для установки с преобразованием рабочего излучения во вторую гармонику. Стенд включает в себя два настроечных источника излучения, линзу ТПФ, диагностический клин и два датчика, для регистрации излучения источников.

На Фиг. 1 представлена схема стенда отработки вбрасывания настроечного источника излучения второй гармоники, где:

1 - планка источника первой гармоники (горизонтальная, с пятью отверстиями);

2 - планка вбрасываемого источника второй гармоники (вертикальная, с тремя отверстиями);

3 - линза транспортного пространственного фильтра;

4 - диагностический клин;

5 - вогнутое зеркало датчика точной диагностики;

6 - камера датчика точной диагностики;

7 - линза датчика силового усилителя;

8 - камера датчика силового усилителя.

На Фиг. 2 представлена планка источника первой гармоники 1, где:

9 - вспомогательное центральное отверстие;

10 - лазерные диоды прямого источника первой гармоники;

11 - лазерные диоды обратного источника первой гармоники.

На Фиг. 3 представлена планка вбрасываемого источника второй гармоники 2, где:

12 - лазерный диод прямого источника второй гармоники;

13 - лазерные диоды обратного источника второй гармоники.

На Фиг. 4 представлено изображение прямых источников на камере датчика точной диагностики 6.

На Фиг. 5 представлены изображения диодов обратных источников первой гармоники на камере ДСУ 8.

На Фиг. 6 представлены изображения диодов обратных источников второй гармоники на камере ДСУ 8.

На Фиг. 7 представлены изображения диодов обратных источников линзы ТПФ на камере ДСУ 8.

Для пояснения заявляемого способа может служить установка, в качестве примера конкретного выполнения которой, выбран стенд вбрасываемого настроечного источника излучения второй гармоники. Схема стенда представлена на Фиг. 1.

Прямое излучение источников 1 и 2 проходит через линзу 3 и клин 4, далее фокусируется зеркалом 5 и регистрируется камерой 6. Обратное излучение перестраивается линзой 7 на камеру 8.

Стационарный настроечный источник первой гармоники расположен в фокусе линзы ТПФ 3 и выполнен в виде горизонтальной планки с пятью отверстиями 1.

Планка источника первой гармоники 1 представлена на Фиг. 2. Центральное отверстие 9 предназначено для предварительной настройки стенда. В симметричные периферийные отверстия установлены лазерные диоды 10 излучающие на основной частоте установки в сторону линзы ТПФ 3. Собственно источник излучения первой гармоники является виртуальным. Его ось является осью симметрии объединения излучений двух диодов 10 и проходит через центр отрезка соединяющего диоды. В симметричные внутренние отверстия установлены лазерные диоды 11, направленные в противоположную сторону и образующие виртуальный обратный источник первой гармоники. Частота настроечного источника совпадает с частотой излучения установки.

Частота излучения вбрасываемого настроечного источника второй гармоники 2 совпадает с частотой преобразованного излучения установки. Вбрасываемый источник расположен в соответствующем фокусе линзы ТПФ 3. Благодаря хроматизму материала, из которого выполнена линза, положения этих фокусов существенно отличаются. Источник представляет собой вертикальную планку с тремя отверстиями.

Планка вбрасываемого источника второй гармоники 2 представлена на Фиг. 3. В центральное отверстие установлен лазерный диод 12, реальный источник, излучающий на удвоенной частоте установки в сторону линзы ТПФ 3. В симметричные внешние отверстия установлены лазерные диоды 13, направленные в противоположную сторону и образующие виртуальный обратный источник второй гармоники. Все лазерные диоды и прямые и обратные установлены так, чтобы не перекрывать собой лучи от других лазерных диодов на матрицах цифровых камер 6 и 8.

На линзе ТПФ 3 установлены под углом 45° к горизонту два обратных лазерных диода направленных на камеру 8 датчика силового усилителя и образующих виртуальный геометрический центр линзы. На выходе линзы 3 излучение диодов прямых источников имеет плоский фронт (плоскопараллельно), так как они расположены в соответствующих фокусах линзы.

Диагностический клин 4 расположен за линзой ТПФ 3. Клин изготовлен из стекла К8 и имеет угол при вершине 24'. Клин повернут в горизонтальной плоскости на угол 45° и вершина клина ориентирована в горизонтальной плоскости так, чтобы лучи, проходящие через клин, отклонялись в горизонтальной плоскости (плоскости Фиг. 1).

После клина 4 размещено вогнутое сферическое зеркало 5 с f зер.=1200 мм. В фокальной плоскости зеркала 5 установлена цифровая камера 6, которая служит для определения величины угла между лучами источников 1 и 2. В качестве диагностического объектива камеры выбрано именно вогнутое зеркало, как элемент, не имеющий дисперсии. Камера 6 установлена на продольном трансляторе, что обеспечивает ее точную фокусировку.

Излучение источника первой гармоники 1 распространяется расходящимся пучком и приобретает на выходе линзы 3 плоский фронт. Излучение источника второй гармоники 2 так же распространяется расходящимся пучком и приобретает на выходе линзы 3 плоский фронт. Два этих плоских фронта не параллельны. После прохождения клина 4 фронты излучений источников остаются плоскими. Диагностический клин 4 отклоняет лучи источников 1 и 2 на разные углы. Поэтому, чтобы на выходе клина 4 лучи источников 1 и 2 распространялись параллельно друг другу, необходимо источник 2 сдвинуть относительно прямой, проходящей через источник I и оптический центр выходной линзы ТПФ 3 на расчетное значение 2,2 мм в горизонтальной плоскости, как показано на Фиг. 1. В этом случае плоские фронты источников становятся параллельными друг другу после прохождения диагностического клина 4. Другими словами, направления излучений двух источников совпадают на выходе клина. Контроль совпадения направлений происходит в фокусе зеркала с помощью камеры 6.

Изображение прямых источников на камере датчика точной диагностики 6 представлено на Фиг. 4. В центре - пятно прямого источника второй гармоники. По горизонтали справа и слева - пятна изображений диодов прямого источника первой гармоники.

Совмещение направлений распространения излучений вбрасываемого настроечного источника второй гармоники 2 и настроечного источника первой гармоники 1 осуществляется поперечным перемещением вбрасываемого источника 2.

Излучения обратных источников последовательно регистрируются датчиком силового усилителя. Линза ДСУ 7 перестраивает изображение обратных источников на камеру ДСУ 8. Камера ДСУ 8 установлена на продольном трансляторе, что обеспечивает ее перефокусировку с плоскости обратного источника первой гармоники на плоскость обратного источника второй гармоники и далее на плоскость линзы ТПФ 3. Камера 8 последовательно регистрирует три пары координат световых источников, их изображения представлены на Фиг. 1 (изображения диодов обратных источников первой гармоники), на Фиг. 2 (изображения диодов обратных источников второй гармоники) и Фиг. 3 (изображения диодов обратных источников линзы ТПФ).

Оцифровка изображений с камер позволяет получить три пары координат обратных источников. В результате вычислений получаются две величины поперечного смещения обратного источника второй гармоники относительно прямой, соединяющей обратный источник первый гармоники и обратный источник на линзе ТПФ. Эти две величины необходимо воспроизводить перед каждым опытом. Для определения этих величин необходима калибровка с участием блока точной диагностики, которую нужно проводить при монтаже и при любой замене элементов этой части оптической схемы.

В опытах датчик точной диагностики не участвует. Вся нагрузка по контролю вбрасывания настроечного источника ложится на датчик силового усилителя с камерой 8. Суть предложенного способа состоит в контроле возвращения вбрасываемого источника по камере 8, в отсутствии вогнутого зеркала 5 и камеры 6.

Настройка оптических схем всегда осуществляется с применением настроечных источников. Очень важно, чтобы положение самих источников было стабильным. В случае вбрасываемых источников, в отличие от стационарных, необходим контроль положения источника в режиме настройки. Особенно это важно для мощных импульсных установок. Каждый опыт стоит больших финансовых затрат и рабочего времени большого коллектива. Отсутствие контроля основных параметров приводит к большому риску неполучения результатов опыта. Применение заявленного способа позволяет гарантировать правильность положения источника для настройки мишени в каждом опыте, при этом практически не увеличивается общее время настройки установки.

Способ наведения частотно преобразованного излучения канала лазерной установки на мишень, включающий совмещение на входе преобразователя частоты по направлению излучения вбрасываемого настроечного источника, частота которого совпадает с частотой преобразованного излучения установки, с излучением настроечного источника, частота которого совпадает с частотой излучения установки, контроль совпадения направления излучения осуществляют при монтажной и периодической настройке с помощью регистрирующей аппаратуры по изображениям источников, далее, убрав регистрирующую аппаратуру, осуществляют настройку по излучению вбрасываемого источника, обеспечив попадание излучения канала лазерной установки в требуемую точку мишени, отличающийся тем, что перед каждым опытом осуществляют контроль позиционирования вбрасываемого настроечного источника с помощью дополнительных обратных настроечных источников излучения, излучающих в направлении от мишени, конструктивно связанных с настроечными источниками, излучающими в направлении на мишень, по изображению обратных источников в камерах регистрирующих датчиков, входящих в состав лазерной установки.