способ обращения волнового фронта излучения, устройство для его осуществления и система направления лазерного излучения на мишень

Формула изобретения

1. Способ обращения волнового фронта излучения, включающий запись голограммы в нелинейной среде обращаемым волновым фронтом и плоским опорным пучком и считывание информации об аберрациях обращаемого фронта, отличающийся тем, что считывание осуществляют волной, сформированной из обращаемой, продифрагировавшей на записанной голограмме.

2. Устройство обращения волнового фронта излучения, включающее источник когерентного излучения, размещенные по ходу излучения узел формирования опорной волны, нелинейную среду для записи голограммы, поляризационную оптическую развязку и узел формирования считывающей волны, отличающееся тем, что узел формирования считывающей волны выполнен в виде ретроотражателя, установленного в направлении дифракции на голограмме обращаемой волны, при этом апертура ретроотражателя не меньше апертуры обращаемого пучка.

3. Система направления лазерного излучения на мишень, включающая телескопическую систему, узел обращения волнового фронта, выполненный в виде источника когерентного излучения, размещенных по ходу излучения узла формирования опорной волны, нелинейной среды для записи голограммы, поляризационной оптической развязки и узла формирования считывающей волны, систему формирования сферической волны из излучения источника когерентного излучения для освещения главного зеркала телескопической системы и систему самопроецирования изображения главного зеркала телескопической системы, отличающаяся тем, что узел формирования считывающей волны выполнен в виде ретроотражателя, установленного в направлении дифракции на голограмме обращаемой волны, между главным зеркалом телескопической системы и нелинейной средой дополнительно введен усилитель, источник когерентного излучения дополнительно снабжен узлом освещения поля зрения телескопической системы излучением с поляризацией, ортогональной исходной, а апертура ретроотражателя не меньше апертуры обращаемого пучка.

4. Система по п.3, отличающаяся тем, что по ходу излучения, прошедшего поляризационную развязку, дополнительно установлен ответвитель с приемным устройством.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к квантовой электронике и может найти применение в системах обращения волнового фронта широкого диапазона длин волн, в частности в устройствах направления излучения на удаленные объекты.

В настоящее время остается актуальной задача обращения волнового фронта излучения без физических ограничений, накладываемых на исходную интенсивность обращаемого пучка, и задача доставки оптического излучения точно на объект, расположенный на большом расстоянии от передающей системы с использованием методов ОВФ. В основном применяются два метода ОВФ: метод, основанный на эффекте вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ), и метод, основанный на эффекте четырехволнового смешения (ЧВС).

Известен способ обращения волнового фронта (ОВФ), основанный на эффекте вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ) (Зельдович Б. Я., Пилипецкий Н. Ф., Шкунов В. В. Обращение волнового фронта. М.: Наука, 1985, с. 17), включающий направление излучения в активную ВРМБ-среду и формирование в ВРМБ-среде в направлении навстречу обращаемой волне из спонтанных шумов обращенной волны с фронтом, сопряженным исходной волне. Такой способ является пороговым, т.е. обращает лишь достаточно мощное излучение. В настоящее время этот способ либо реализуем в узком диапазоне длин волн, либо не эффективен для длин волн излучения среднего ИК-диапазона, в частности для длины волны 10,6 мкм.

Известно устройство, реализующее способ обращения волнового фронта на основе эффекта ВРМБ (Пилипецкий Н.Ф., Поповичев В.И., Рагульский В.В. Концентрация света с помощью обращения его волнового фронта. Письма в ЖЭТФ, т. 27, вып. 11, 1978, с. 619-622), включающее усилитель, рассеиватель, линзу, строящую изображение усилителя в кювете с ВРМБ-активной средой, кювету с ВРМБ-активной средой.

Такие устройства нашли лишь частичное применение, т.к. ВРМБ-активные среды, как было сказано выше, известны для ограниченного диапазона длин волн, и так как используемый ВРМБ-эффект является пороговым, т.е. обращает лишь достаточно мощное излучение.

Известно устройство направления излучения на мишень - схема ОВФ - самонаведения (Зельдович Б.Я., Пилипецкий Н.Ф., Шкунов В.В. Обращение волнового фронта. М. : Наука, 1985, с. 21), включающее задающий генератор, телескопическую систему для приема и формирования излучения, усилитель, устройство ОВФ, находящиеся на оси телескопической системы.

Излучение задающего генератора, отражаясь от мишени, попадает в апертуру приемного объектива, усиливается, попадает в устройство ОВФ. Обращенная волна, повторно усиливаясь, проходит в обратном направлении все элементы оптического тракта, в результате чего излучение доставляется точно на мишень. Такое устройство включает в себя устройство ОВФ, основанное на методе ВРМБ, а следовательно, несет в себе все недостатки ВРМБ-метода, ограничение по диапазонам длин волн и работа с достаточно мощным излучением, что ограничивает его применение для работы с удаленной мишенью.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ обращения волнового фронта с четырехволновым смешением (ЧВС) (Ананьев Ю. А. Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения. М.: Наука, 1979, с. 309), включающий запись голограммы при участии подлежащего обращению пучка и опорного пучка и считывании с этой голограммы волновым фронтом, сопряженным с опорной волной. В результате дифракции на голограмме считывающей волны формируется волна, сопряженная (обращенная) по отношению к обращаемой волне. Этот способ не позволяет обращать волновые фронты от источников, некогерентных с источником опорных волн, т.к. требует соблюдения условия взаимной когерентности обращаемой и опорной волны.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство обращения волнового фронта, реализующее способ обращения волнового фронта на основе ЧВС (Ковалев В.И. Обращение волнового фронта излучения в среднем ИК-диапазоне. Современное состояние и перспективы. Изв. АН СССР, сер.физ., т. 54, N 6, 1990, с. 1066- 1072), включающее источник когерентного излучения, узел формирования опорной волны накачки, оптическую поляризационную развязку, нелинейную среду для записи голограммы, узел формирования считывающей волны из излучения опорной волны, обеспечивающий их сопряжение. Это устройство имеет ограниченное применение, т.к. требует соблюдения условия когерентности обращаемой волны и волны попутной накачки, т.е. соблюдение равенства их оптических путей.

Наиболее близкой к предлагаемой оптической системе направления лазерного излучения на мишень является оптическая система с ОВФ-компенсацией выходного тракта (Васильев М.В., Венедиктов В.Ю., Лещев А.А., Семенов Н.Н. Телескопическая система формирования лазерных пучков с ОВФ-компенсацией выходного тракта. Квантовая электроника, 20, N 4, 1993, с. 317-318), включающая телескопическую систему, узел ОВФ, содержащий источник когерентного излучения, узел формирования опорной волны, поляризационную развязку, нелинейную среду для записи голограммы и узел формирования считывающей волны из излучения опорной волны, обеспечивающий их сопряжение, две вспомогательные оптические системы, первая из которых осуществляет самопроецирование главного зеркала телескопической системы, вторая является узлом формирования сферической волны для освещения главного зеркала телескопической системы из точки, расположенной на оптической оси телескопической системы, и подведения к этой точке излучения от источника когерентного излучения.

Система работает следующим образом: излучение от источника когерентного излучения через узел формирования сферической волны освещает главное зеркало телескопической системы и вспомогательной оптической системой, излучение направляется в узел ОВФ; при соблюдении равенства оптических путей в результате интерференции этого излучения с опорной волной, сформированной из излучения того же источника когерентного излучения, в нелинейной среде записывается голограмма; волна встречной накачки, сопряженная с опорной волной, дифрагируя на голограмме, формирует обращенную волну; обращенное излучение, отразившись от главного зеркала телескопической системы (объектива), направляется точно на мишень, расположенную в заранее заданной точке.

Данное устройство имеет ограниченный диапазон применения, так как не позволяет направлять излучение на произвольно расположенную в поле зрения объектива (как в продольном, так и в поперечном направлении) мишень без дополнительной (внешней по отношению к данному устройству) системы наведения на мишень, так как данное устройство направляет излучение только в заранее заданную точку.

Изобретение позволяет обратить волновой фронт излучения от источника, некогерентного с излучением задающего генератора, создать беспороговое устройство, не требующее соблюдения условия равенства оптических путей обращаемой волны и волны попутной накачки, и реализовать устройство для точного направления излучения на удаленный объект, произвольно расположенный в поле зрения телескопической системы.

Такой эффект достигнут нами благодаря тому, что

в способе ОВФ, включающем запись голограммы в нелинейной среде обращаемым волновым фронтом и плоским опорным пучком и считывание информации об аберрациях обращаемого фронта, новым является то, что считывание осуществляют волной, сформированной из обращаемой, продифрагировавшей на записанной голограмме;

в устройстве ОВФ, включающем источник когерентного излучения, размещенные по ходу излучения узел формирования опорной волны, нелинейную среду для записи голограммы, поляризационную оптическую развязку и узел формирования считывающей волны, новым является то, что узел формирования считывающей волны выполнен в виде ретроотражателя, установленного в направлении дифракции на голограмме обращаемой волны, при этом апертура ретроотражателя не меньше апертуры обращаемого пучка;

в оптической системе направления лазерного излучения на мишень, включающей телескопическую систему, узел ОВФ, выполненный в виде источника когерентного излучения, размещенных по ходу излучения узла формирования опорной волны, нелинейной среды для записи голограммы, поляризационной оптической развязки и узла формирования считывающей волны, систему формирования сферической волны из излучения источника когерентного излучения для освещения главного зеркала телескопической системы и систему самопроецирования изображения главного зеркала телескопической системы, новым является то, что узел формирования считывающей волны выполнен в виде ретроотражателя, установленного в направлении дифракции на голограмме обращаемой волны, между главным зеркалом телескопической системы и нелинейной средой дополнительно введен усилитель, источник когерентного излучения дополнительно снабжен узлом освещения поля зрения телескопической системы излучением с поляризацией, ортогональной исходной, а апертура ретроотражателя не меньше апертуры обращаемого пучка.

Если по ходу излучения, прошедшего поляризационную развязку, дополнительно установить ответвитель с приемным устройством, то в ответвленном пучке можно наблюдать безаберрационное изображение мишени.

Конструктивное решение системы самопроецирования и системы формирования сферической волны широко известны, смотри, например, (Васильев М.В., Венедиктов В. Ю., Лещев А.А., Семенов Н.Н. Телескопическая система формирования лазерных пучков с ОВФ-компенсацией выходного тракта. Квантовая электроника, 20, N 4, 1993, с. 317-318). Ретроотражатель может быть выполнен в виде триппельпризмы, системы "кошачий глаз" или других аналогичных конструкций. Узел наблюдения может быть выполнен, например, в виде линзы, расположенной на оси пучка и приемника излучения, расположенного в ее фокальной плоскости. Узел освещения поля зрения может быть выполнен, например, в виде отдельной телескопической системы, дополненной устройством поворота плоскости поляризации, смотри, например, (Ландсберг Г. С., Оптика, М.: Наука, 1976, с. 607-621) или другими аналогичными конструкциями.

На фиг. 1 изображена оптическая система направления лазерного излучения на мишень, где 1 - источник когерентного излучения (задающий генератор), 2 - система формирования сферической волны, 3 - главное зеркало телескопической системы, 4 - система самопроецирования изображения главного зеркала телескопической системы, совмещенная с контррефлектором, 5 - усилитель, 6 - узел формирования плоской опорной волны, 7 - нелинейная среда для записи голограммы, 8 - узел освещения поля зрения, 9 - ретроотражатель, 10 - поляризационная развязка, 11 - делитель, 12 - узел наблюдения, 13 - мишень.

На фиг. 2 - схема, поясняющая работу способа ОВФ, где 7 - нелинейная среда, 9 - ретроотражатель , А - обращаемый волновой фронт, Б - опорный волновой фронт, В - обращаемый волновой фронт, продифрагировавший на голограмме, Г - волновой фронт, отраженный ретроотражателем, Д - обращенный волновой фронт.

Способ осуществляется следующим образом.

Обращаемый волновой фронт А, интерферируя с опорной волной Б, записывает в нелинейной среде 7 голограмму. Обращаемый пучок А, дифрагируя на голограмме 7, формирует фронт В с формой, повторяющей форму опорной волны. Фронт В, отражаясь от ретроотражателя 9, формирует пучок Б с фронтом, повторяющим форму фронта В, но распространяющимся точно навстречу пучку В. Пучок Б, дифрагируя на голограмме 7, формирует обращенный пучок Д с фронтом, сопряженным обращаемому пучку А.

Система, реализующая предлагаемую группу изобретений, работает следующим образом.

Излучение задающего генератора 1 через систему формирования сферической волны 2 освещает главное зеркало телескопической системы 3. Это излучение, отразившись от главного зеркала 3, проходит через систему самопроецирования 4, усиливается усилителем 5 и, интерферируя с плоской опорной волной, сформированной узлом 6 из излучения задающего генератора 1, записывает в нелинейной среде голограмму 7. Излучение того же задающего генератора 1 через узел 8 освещает мишень 13, находящуюся в поле зрения телескопической системы. Излучение от мишени 13 через телескопическую систему 3-4, усилитель 5 падает на голограмму 7. Благодаря системе самопроецирования на голограмме записаны аберрации главного зеркала такие же, как для пучка, пришедшего от мишени. В результате дифракции на этой голограмме формируется фронт, совпадающий по форме с фронтом опорной волны. Ретроотражатель 9 изменяет направление распространения пучка на противоположное. Поляризационная развязка 10 служит для предотвращения попадания опорного пучка на ретроотражатель и далее на мишень. Отраженный ретроотражателем 9 пучок вновь дифрагирует на голограмме 7 и, распространяясь далее по траектории пучка, пришедшего от мишени через усилитель 5, телескопическую систему 3-4, попадает точно на мишень 13. Благодаря конструктивному решению, где голограмма была записана с использованием системы самопроецирования, мишень освещалась тем же задающим генератором, а обращенная волна формировалась из обращаемой (а не из опорной), удалось осуществить направление излучения на мишень, произвольно расположенную в поле зрения системы и находящуюся на большом удалении. Новое конструктивное решение позволяет установить на пути обращаемого пучка, продифрагировавшего на голограмме 7 и прошедшего поляризационную развязку 10 в любом месте между поляризационной развязкой 10 и источником когерентного излучения 1, делитель 11, ответвляющий часть этого излучения в узел наблюдения 12, и, таким образом, регистрировать безаберрационное изображение мишени 13 в широком спектральном диапазоне, ограниченном лишь дисперсионными свойствами голограммы.

Был изготовлен стенд-макет оптической системы направления излучения на мишень, в котором было реализовано изобретение. В системе использовалась телескопическая система ТЕНОКОМ Васильев М.В., Венедиктов В.Ю., Лещев А.А., Семенов Н. Н. Телескопическая система формирования лазерных пучков с ОВФ-компенсацией выходного тракта. Квантовая электроника, 20, N 4, 1993, с. 317-318) с составным главным зеркалом диаметром 400 мм. В качестве источника когерентного излучения - задающего генератора и усилителя использовался электроионизационный CO₂-лазер атмосферного давления с длиной волны 10,6 мкм. В качестве нелинейной среды для голограммы-корректора использовался газ ³⁴SF₆. В качестве имитатора мишени использовалась задержанная по времени часть излучения задающего генератора, прошедшая диафрагму с размером, равным дифракционному для телескопической системы, с поляризацией, ортогональной относительно исходной. В качестве ретроотражателя использовалась система типа "кошачий глаз". Были проведены испытания оптической системы направления излучения на мишень с использованием предлагаемых способа ОВФ и устройства ОВФ. Качество обращения оценивалось как отношение доли энергии, доставленной на мишень в угол, соответствующий дифракционному, к полной энергии, доставленной на мишень. Разрешающая способность в канале наблюдения определялась по результатам фотометрирования фотографического изображения мишени, размер которой соответствовал дифракционному размеру для телескопической системы. Качество обращения излучения, возвращаемого на мишень, составило 0,5. При этом диапазон компенсируемых угловых аберраций элементов главного зеркала достигал 8_д и поршневых по 500 мкм. Разрешение в канале наблюдения было не хуже 1,2 _д при тех же аберрациях, где _д -дифракционный угол телескопической системы.

Испытания проводились в сериях из нескольких десятков импульсов, разброс полученных результатов не превышал погрешности применяемых стандартных измерительных приборов.

Изобретение может найти широкое применение в различных областях техники, где используются методы обращения волнового фронта. В частности, в лазерной технике, в устройствах транспортировки энергии, лазерной связи, экологического мониторинга окружающей среды и т. д., в том числе и в устройствах специального применения. Предлагаемый способ открывает возможность обращения волновых фронтов некогерентного света, в частности обращения широкополосного многочастотного излучения, что особенно актуально для наиболее мощных в настоящее время химических лазеров. Подбором уже известных нелинейных сред и длины волны задающего генератора способ позволяет перекрыть весь оптический, ближний и средний инфракрасный диапазон излучения.