Лазерний пристрій

Лазерное устройство, содержащее длинный резонатор, включающий в себя оптически последовательно соединенные объект, активное вещество и матрицу уголковых отражателей, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что устройство дополнительно содержит расположенную между объектом и активным веществом телескопическую систему, состоящую из усеченного полого конуса с внутренней зеркальной поверхностью и расположенного соосно ему конуса с зеркальной внешней поверхностью, а активное вещество имеет форму усеченного конуса, угол образующей которого равен углу обра зующей усеченного конуса телескопической системы, расположенной на одной оси с активным веществом и матрицей уголковых отражателей, причем нерабочая поверхность каждого уголкового отражателя в матрице имеет интерференционное покрытие и оптически связана с элементом, обращающим волновой фронт, который оптически связан с первым зеркалом, которое последовательно оптически связано со вторым зеркалом, первым квантовым усилителем, третьим зеркалом, первым поляризованным фильтром, элементом, обращающим волновой фронт, со вторым поляризованным фильтром, вторым квантовым усилителем и четвертым зеркалом, причем третье и четвертое зеркала, первый и второй поляризационные фильтры и второй квантовый усилитель расположен на одной оси под углом, равным углу синхронизации к оси, на которой расположен элемент, обращающий волновой фронт. Изобретение относится к области лазерных систем и предназначено для использования в системах определения местоположения перемещающихся объектов и наведения на них сфокусированного лазерного излучения. Известно лазерное устройство, предназначенное для наведения лазерного излучения на объект, содержащее лазер, модулятор расходимости излучения, теле скоп, детекторы интенсивности фазы, схему управления и устройство изменения фокусного расстояния телескопа (патент Франции Ns 2403591, кл. G 05 D 3/02). Недостатком известного устройства является недостаточное быстродействие наведения излучения на объект, так как система поиска и обнаружения сравнительно медленная из-за инерционности электромеханических узлов, а фокусировка ел о 14570 излучения на объект достигается механическим перемещением оптических элементов и не может быть осуществлена за время, соизмеримое с временем распространения электромагнитного излучения от источника изпучения до объекта. Кроме того, на точность фокусировки лазерного излучения с помощью такого устройства влияют фазовые искажения турбулентной атмосферы, расположенной между устройством и объектом. В известном устройстве отсутствует возможность фокусировать лазерное излуч и н е одновременно на несколько объектов, расположенных в зоне видимости телескопа. Известно также лазерное устройство, предназначенное для самонаведения лазерного излучения на объект, содержащее лазер, объектив, квантовый усилитель, элемент, обращающий волновой фронт, два встречных опорных пучка, зеркало, лазер накачки, объектный пучок и обращенный пучок (Зельдович Б.Я , Шкунов В.В Обращение волнового фронта - В мире науки, 1986, №2, с.16-23) Недостатком известного устройства является то, что прохождение лазерного излучения подсветки через неоднородную турбулентную атмосферу приводит к большой расходимости луча, в результате чего уменьшается плотность потока мощности лазерного излучения на объекте При больших расстояниях между объектом и лазерным устройством мощность сигналов, отраженных от объектов, оказывается малой, что приводит к повышению уровня собственных шумов элемента, обращающего волновой фронт волны. В результате не создаются условия для возникновения генерации лазерного излучения и самонаведения усиленного излучения на объект. Существенно и то, что если объект движется, то частота сигнала, отраженного от объекта, может иметь доплеровский сдвиг по отношению к частоте опорных пучков элемента, обращающего волновой фронт. Из-за допплеровского сдвига частоты интерференционная картина в элементе, обращающем волновой фронт, будет бегущая и обращающаяся волна не будет успевать формироваться. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Наиболее близким по технической сущности является лазерное устройство, содержащее длинный резонатор, включающий 55 оптически последовательно соединенные объект, активное вещество и матрицу уголковых отражателей (Власов Д.В., Колосов В. Б., Курин М.А. и др. К вопросу до самосинхронизации мод неодимового лазера с 4 длинным резонатором. - Квантовая электроника, т.8, КЬб, 1981, с.1359-1361). Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является то, что при больших расстояниях между лазерным устройством и объектом точность наведения и концентрация лазерного излучения уменьшаются, так как обращение волнового фронта с использованием матриц уголковых отражателей происходит только по одной координате, то есть луч, направленный на объект, и отраженный от него, возвращается в направлении матриц уголковых отражателей, но обращение волнового фронта по всему сечению луча не происходит. В связи с этим практически невозможно компенсировать влияние фазовых искажений, возникающих внутри длинного резонатора, что уменьшает эффективность его работы при, самонаведении и фокусировании излучения как на один движущийся объект, так и на несколько объектов, находящихся в поле его видимости. Кроме того, для лазерных устройств с длинными резонаторами существенными оказываются дифракционные потери, которые определяются выходной апертурой активного элемента. При этом, если диаметр активного вещества составляет несколько сантиметров, то дальность действия устройства будет ограничена сотнями метров или единицами километров в зависимости от состава активного элемента. Таким образом, ни одно из известных лазерных устройств не является одновременно самофокусирующимся многолучевым, безынерционно самонаводящимся с компенсацией фазовых искажений на пути между движущимися объектами и устройством. В основу изобретения поставлена задача создания лазерного устройства, в котором применение матрицы уголковых отражетелй, нерабочая поверхность каждого из которых имеет интерференционное покрытие и находится в оптическом контакте с нелинейным элементом, обращающим волновой фронт, телескопической системы, состоящей из усеченного полого конуса с внутренней зеркальной поверхностью и расположенного соосно ему конуса с зеркальной внешней поверхностью, активного вещества, имеющего форму усеченного конуса, угол образующей которого равен углу образующей усеченного конуса телескопической системы, позволяет использовать в качестве первого зеркала резонатора элемент, обращающий волновой фронт, а в качестве второго зеркала резонатора - объект, получить единый активный элемент, имею 14570 щий максимальную выходную апертуру и максимальную возможность для эффективной фокусировки лазерного излучения на объект и приема отраженного от него излучения, а также единый оптический элемент, отражающий как широкополосное люминисцентное излучение, так и узкополосное лазерное излучение, что обеспечивает безынерционное самонаведение излучения с одновременной компенсацией фазовых искажений на пути между движущимся объектом и устройством, за счет чего повышается точность наведения лазерного излучения на движущийся объект. Поставленная задача решается тем, что в лазерном устройстве, содержащем длинный резонатор, включающий в себя оптически последовательно соединенные объект, активное вещество и матрицу уголковых отражателей, согласно изобретению, устройство дополнительно содержит расположенную между объектом и активным веществом телескопическую систему, состоящую из усеченного полого конуса с внутренней зеркальной поверхностью и расположенного соосно ему конуса с зеркальной внешней поверхностью, а активное вещество имеет форму усеченного конуса, угол образующей которого равен углу образующей усеченного конуса телескопической системы, расположенной на одной оси с активным веществом и матрицей уголковых отражателей, причем нерабочая поверхность каждого уголкового отражателя в матрице имеет интерференционное покрытие и оптически связана с элементом, обращающим волновой фронт, который оптически связан с первым зеркалом, которое последовательно оптически связано со вторым зеркалом, первым квантовым усилителем, третьим зеркалом, первым поляризационным фильтром, элементом, обращающим волновой фронт, со вторым поляризационным фильтром, вторым квантовым усилителем и четвертым зеркалом, причем третье и четвертое зеркала, первый и второй поляризационные фильтры и второй квантовый усилитель расположены на одной оси под углом, равным углу синхронизации к оси, на которой расположен элемент, обращающий волновой фронт. На фиг.1 представлена схема лазерного устройства; на фиг.2-4 - изображение лазерных лучей, сфокусированных на объект. Лазерное устройство содержит длинный резонатор, включающий оптически последовательно связанные объект 1, телескопическую систему 2, состоящую из усеченного полого конуса 3, с внутренней зеркальной поверхностью, и расположенно 6 го соосно ему конуса 4 с черпальной внешней поверхностью, и актирным веществом 5. Активное вещество 5 имеет форму усеченного конуса, угол образования которого ра~ 5 вен углу образующей усеченного конуса 3 телескопической системы 2, которая расположена на одной оси с активным вещест вом 5 и матрицей уголковых отражателей 5 Нерабочая поверхность каждого уголкового 10 отражателя матрицы 6 имеет интерференционное покрытие 7 с лазерной линией пропускания и связана через буферную среду 8 с элементом, обращающим волновой фронт 9. Элемент, обращающий волновой фронт 9 15 оптически связан с первым зеркалом 10, которое последовательно оптически связано со вторым зеркалом 11, первым квантовым усилителем 12, третьим зеркалом 13, с первым поляризационным фильтром 14, 20 элементом, обращающим волновой фронт 9, вторым поляризационным фильтром 15, вторым квантовым усилителем 16 и четвертым зеркалом 17. Третье зеркало 13 и четвертое зеркало 18, первый 14 и второй 15 25 поляризационные фильтры и второй квантовый усилитель 16 расположены на одной оси под углом синхронизации к оси, на которой расположен элемент, образующий волновой фронт 9. 30 Лазерное устройство работает следующим образом. В активном веществе 5 с помощью блока накачки (на фигуре не показано) создается инверсия населенности, в результате 35 чего возникает излучение люминисценции активного вещества. Это некогерентное излучение имеет довольно широкий спектр и распространяется во все стороны. С помощью телескопической системы 2, состоя40 щей из усеченного полого конуса 3 с внутренней зеркальной поверхностью и расположенного соосно ему конуса 4 с зеркальной внешней поверхностью основную часть люминисцентного излучения направ45 ляют на объект 1. Излучение, отраженное от объекта 1, принимают с помощью телескопической системы 2 и пропускают через активное вещество 5 и направляют на матрицу уголковых отражателей б, располо50 женную в заднем фокусе телескопической системы 2. Грани уголковых отражателей матрицы 6 покрывают зеркальными слоями вещества, состав и толщина которых образуют интерференционный светофильтр 7 с 55 линией пропускания, соответствующей лазерной линии используемого активного вещества 5. Матрица уголковых отражателей 6 возвращает отраженное люминисцентное излучение в те участки пространства, которые являются вторичными источниками из 14570 лучения, то есть на поверхность объекта 1. Таким образом, излучение, отраженное от поверхности объекта 1, проходит через телескопическую систему 2 и через активное вещество 5, в котором оно усиливается, от- 5 ражается от матрицы уголковых отражателей б, опять проходит с усилением через активное вещество 5 и с помощью телескопической системы 2 снова распространяется в направлении расположения объекта 1. 10 В этом случае распределение интенсивно сти выходного люминисцентного излучения будет таким, что его максимумы будут расположены в направлениях на объект, что приведет к увеличению интенсивности из- 15 лучения на них по сравнению с предыдущим моментом облучения. Это в свою очередь приводит к тому, что от обьекта придет более сильный сигнал, который снова усиливается и концентрируется в направлениях на 20 объект. Высокая чувственность лазерного устройства при приеме слабых сигналов обеспечивается возможностью использоеать широкий спекгр люминисцеитного излучения для облучения обг^екта 1, что 25 позволяет получать на прямом проходе че- ' рез активное вещество 5 к матрице уголковых отражателей 6 максимальное усиление, работая в линейном режиме, а на обратном проходе достигать высокого знергосъема, 30 работая в режиме глубокого насыщения. Если в активном веществе 5 поддерживать инверсию населенности, то через несколько проходов излучения между матрицей уголковых отражателей 6 и объектом 1 возникает 35 лазерная генерация. При этом поверхность объекта 1 выступает в роли второго зеркала резонатора лазера, причем генерация может возникнуть в направления на несколько объектов, расположенных в поле видимости 40 лазерного устройства, которое будет "следить" за их перемещением в пространстве. С возникновением генерации лазерного излучения оно через интерференционный фильгр 7 и буферную среду 8 поступает на элемент 9, отражающий волновой фронт па- 45 дающей волны лазерного излучения. За матрицей уголковых отражателей б в оптическом контакте устанавливают обращающий волновой фронт элемент 9, Оптический контакт осуществляют с помощью 50 буферной среды 8 с показателем преломления, равным показателю преломления материала, из которого изготовлены уголковые отражатели матрицы 6. В этом случаат матрица уголковых отражателей 6 с нанесенны- 55 ми на их нерабочие поверхности интерференционными покрытиями 7 оказывается прозрачной только для излучения с лазерной частотой активного вещества 5 и V 8 отражает лучи всех других частот, то есть в свою очередь является фильтром для паразитных засветок, При возникновении генерации в длинном резонаторе, образованном матрицей уголковых отражателей 6 и отражающей поверхностью объекта 1, лазерное излучение проходит через интерференционное покрытие 7 и попадает в обращающий волновой фронт элемент 9, который находится в оптическом контакте с матрицей уголковых отражателей 6. Затем излучение проходит через элемент 9 и с прмощью первого зеркала 10 второго зеркала 11, третьего зеркала 13 и четвертого зеркала 17 формируют два опорных пучка, идущих навстречу друг другу, Эти опорные пучки усиливаются с помощью квантовых усилителей 12, 16 и фильтруются от паразитных засветок с помощью поляризационных фильтров 14 и 15. Реализация такого варианта четырехволнового смещения в нелинейном элементе 9 позволяет при любой относительной скорости объекта 1 по отношению к лазерному устройству компенсировать доплеровский сдвиг по отношению к частоте опорных пучков. Обращающий волновой фронт элемент 9 в этом случае компенсирует статические и динамические искажения, возникающие внутри длинного резонатора, обусловленные как несовершенством оптических элементов, динамическими возмущениями, обусловленными • тепловыми или механическими нагрузками лазерных элементов, так и наличием турбулентной атмосферы в длинном резонаторе, образованном обращающим волновой фронт элементом 9 и объектом 1. Вследствие этого длинный резонатор с обращающим волновой фронт элементом 9 снимают запасенную в активном веществе 5 энергию с высокой эффективностью. Поскольку в длинном резонаторе с обращением волнового фронта на основе четырехволнового смещения применяется сразу два опорных ^шкальных пучка, то интенсивность выходного пучка на объект 1 может превышать интенсивность зондирующего пучка на входе. Иначе говоря при реализуемом четырехволновом смещении можно получить дополнительное оптическое усиление и поскольку обращающий волновой фронт элемент 9 отражает все излучение назад к объекту 1, то генерация излучения будет иметь место даже при малых коэффициентах отражения поверхности объекта 1 и при перемещениях с большими скоростями отражающей поверхности объекта 1. Из этого следует, чтопри той незначительной мере, о какой меняются помехи турбулентной атмосферы и положение объекта в простран 14570 10 При одной и той же энергии накачки стве за время прохождения лазерного излуактивного вещества энергия излучения на чения туда и обратно, обращающий волновыходе длинного резонатора была в шесть вой фронт элемент 9 будет не только раз выше, чем при измерении энергии на компенсировать влияние турбулентной атмосферы, но также дает возможность лазер- 5 расстоянии 200 м при использовании табельного резонатора длинной 1 м. Это объному лучу следовать за объектом, ясняется тем, что в случае длинного непрерывно удерживать на нем сфокусирорезонатора генерация происходит на одной ванный пучок. В результате лазерное излупоперечной моде, вследствие чего величина чение точно самонаводится на объекты. Причем точность наведения ограничена 10 дифракционной составляющей расходимости существенно уменьшается. Но поскольтолько волновой природой света (дифракцику полная расходимость излучения онными эффектами) и не зависит от ориенвключает в себя искажения, вносимые аттации фокусирующей системы. При этом мосферой и активным элементом, то реальсамонаведение лазерного излучения на поверхность объектов осуществляется практи- 15 ное уменьшение угловой расходимости немного меньше, чем снижение дифракцически безынерционно за время, равное онной составляющей расходимости. Исслепрохождению импульса излучения двойнодования временных характеристик го расстояния от лазерного устройства до излучения показало, что в лазерном устройобъектов. 20 стве длинного резонатора возникает генеС целью экспериментальной проверки рация в режиме самосинхронизации возможностей предлагаемого лазерного успродольных мод. При этом наблюдают регутройства был создан действующий макет и лярные пульсации с периодом 2 мкс. Таким проведены его предварительные испытаобразом, в лазере с длинным резонатором ния. В качестве отражателя открытого резо- 25 может осуществляться самосинхронизация натора действующего макета мод с большим аксиальным периодом за использовалась матрица катафотов и кювесчет действия механизмов нелинейности та, наполненная нитробензолом, а в качестактивной среды. Эти эксперименты подве объектов, на которые наводилось тверждают результаты, полученные с полазерное излучение, использовались пло- 30 мощью лазерного устройства с длинным ский отражатель, катафот и фотоэлектронрезонатором, который был выбран в качестный умножитель типа ФЭУ-82. ве прототипа предлагаемого изобретения. Действующий макет лазерного устройства Лазерное устройство работает практибыл выполнен на основе усилительного блочески безынерционно. Скорость наведения ка голографической установки УИГ-12М. В 35 в ждущем режиме устройства определяется качестве активного вещества использовалскоростью распространения лазерного изся рубиновый стержень диаметром 16 мм, лучения и двойным расстоянием до объеккоэффициент усиления которого за один тов, на которые наводится лазерное проход равнялся 6. Эксперименты проводиизлучение. Точность наведения практичелись на полигоне Харьковского университе- 40 ски безошибочна и определяется возникнота. Длинный резонатор макета лазерного вением генерации лазерного излучения при устройства, образованный отражателем, оботражении от него люминисцентного излуращающим волновой фронт, и объектами, чения, возникающем при накачке активного на которые наводилось лазерное излучение, вещества. имел длину 200 м. Вся трасса длинного ре- 45 В процессе эксперимента была показазонатора проходила на высоте 50 м от Земна возможность наведения лазерного излули в открытой атмосфере, вносящей чения сразу на несколько объектов. Так, при довольно большие искажения в резонатор. наведении сверхлюминисценции сразу на В процессе исследования проводились изтри объекта (фиг.2) возникала генерация в мерения энергии излучения на выходе резонатора, то есть на объектах исследования, с 50 телесном угле, определяемом апертурой активного вещества резонатора. Причем в напомощью колориметра типа ЭП-50. Точправлении на каждый из объектов ность измерений составляла ±10%. Про(отражатель, катафот и ФЭУ) формировался странственные характеристики излучения отдельный лазерный луч, интенсивность кооценивались о угле 36', соответствующему 55 торого зависела от коэффициента отражеугловому размеру, приемлемому при измения поверхности исследуемых объектов. рении к площадке колориметра. Временные Причем, при выгорании под действием лахарактеристики измерялись фотодиодом зерного излучения поверхности фотокатода ФД-7К и регистрировались на запоминаюодного из объектов ФЭУ-82 энергия излучещем осциллографе С8-12. ния перераспределялась на два других объ* 11 14570 12 екта. При перемещении объектов лазерные ратным из произведения длины волны излулучи перемещались вслед за ними и не прочения и расстоянием до объекта, деленное падали до тех пор, пока объекты не выходина пи. Точность определения размера пятна ли из зоны видимости. фокусировки зависит от точности компенсации дифракционных потерь в резонаторе и В результате экспериментов было таксоставляет 2-3%. же установлено, что размер пятна сфокусированного лазерного излучения на объектах Таким образом, проведенные экспериисследования (фиг.3-5) был соизмерим с ментальные исследования подтвердили размером пятна излучения, получаемого с возможность создания самофокусирующепомощью лазерного устройства, имеющего 10 го многолучевого безынерционно самонаидеальный конфокальный резонатор и рабоводящегося с компенсацией фазовых тающего на основной моде с минимальными искажений на пути между движущимися дифракционными потерями. Этот размер, объектами и устройством лазерного устройкак известно, определяется корнем квадства. 15 17 Фиг. / 14570 Фиг. Упорядник Замовлення 4138 Техред М.Моргентал Коректор М.Куль Тираж Підписне Державне патентне відомство України, 254655, ГСП, Київ-53, Львівська пл., 8 Відкрите акціонерне товариство "Патент", м. Ужгород, вул.Гагаріна, 101 УКРАЇНА (19) U A a 14570 » (13) (5і)б G 05 D 3/00 ДЕРЖАВНЕ ПАТЕНТНЕ ВІДОМСТВО ОПИС ДО ПАТЕНТУ НА ВИНАХІД без проведення експертизи по суті на підстав! Постанови Верховної Ради України N* 3769-ХІІ від 23 XII. 1993 р. Публікується в редакції заявника (54) ЛАЗЕРНИЙ ПРИСТРІЙ 1 (21)95041811 (22) 19.04.95 (24)20.01.97 (46) 25.04.97. Бюл. № 2 (47)20.01.97 (72) Тітар Володимир Петрович (73) Харківський державний університет (UA) (57) Лазерное устройство, содержащее длинный резонатор, включающий в себя оптически последовательно соединенные объект, активное вещество и матрицу уголковых отражателей, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что устройство дополнительно содержит расположенную между объектом и активным веществом телескопическую систему, состоящую из усеченного полого конуса с внутренней зеркальной поверхностью и расположенного соосно ему конуса с зеркальной внешней поверхностью, а активное вещество имеет форму усеченного конуса, угол образующей которого равен углу обра зующей усеченного конуса телескопической системы, расположенной на одной оси с активным веществом и матрицей уголковых отражателей, причем нерабочая поверхность каждого уголкового отражателя в матрице имеет интерференционное покрытие и оптически связана с элементом, обращающим волновой фронт, который оптически связан с первым зеркалом, которое последовательно оптически связано со вторым зеркалом, первым квантовым усилителем, третьим зеркалом, первым поляризованным фильтром, элементом, обращающим волновой фронт, со вторым поляризованным фильтром, вторым квантовым усилителем и четвертым зеркалом, причем третье и четвертое зеркала, первый и второй поляризационные фильтры и второй квантовый усилитель расположен на одной оси под углом, равным углу синхронизации к оси, на которой расположен элемент, обращающий волновой фронт. Изобретение относится к области лазерных систем и предназначено для использования в системах определения местоположения перемещающихся объектов и наведения на них сфокусированного лазерного излучения. Известно лазерное устройство, предназначенное для наведения лазерного излучения на объект, содержащее лазер, модулятор расходимости излучения, теле скоп, детекторы интенсивности фазы, схему управления и устройство изменения фокусного расстояния телескопа (патент Франции Ns 2403591, кл. G 05 D 3/02). Недостатком известного устройства является недостаточное быстродействие наведения излучения на объект, так как система поиска и обнаружения сравнительно медленная из-за инерционности электромеханических узлов, а фокусировка С > сл о 14570 излучения на объект достигается механическим перемещением оптических элементов и не может быть осуществлена за время, соизмеримое с временем распространения электромагнитного излучения от источника изпучения до объекта. Кроме того, на точность фокусировки лазерного излучения с помощью такого устройства влияют фазовые искажения турбулентной атмосферы, расположенной между устройством и объектом. В известном устройстве отсутствует возможность фокусировать лазерное излучение одновременно на несколько объектов, расположенных в зоне видимости телескопа. Известно также лазерное устройство, предназначенное для самонаведения лазерного излучения на объект, содержащее лазер, объектив, квантовый усилитель, элемент, обращающий волновой фронт, два встречных опорных пучка, зеркало, лазер накачки, объектный пучок и обращенный пучок (Зельдович Б.Я , Шкунов В.В Обращение волнового фронта - В мире науки, 1986, №2, с. 16-23) Недостатком известного устройства является то, что прохождение лазерного излучения подсветки через неоднородную турбулентную атмосферу приводит к большой расходимости луча, в результате чего уменьшается плотность потока мощности лазерного излучения на объекте. При больших расстояниях между объектом и лазерным устройством мощность сигналов, отраженных от объектов, оказывается малой, что приводит к повышению уровня собственных шумов элемента, обращающего волновой фронт волны. В результате не создаются условия для возникновения генерации лазерного излучения и самонаведения усиленного излучения на объект. Существенно и то, что если объект движется, то частота сигнала, отраженного от объекта, может иметь доплеровский сдвиг по отношению к частоте опорных пучков элемента, обращающего волновой фронт. Из-за допплеровского сдвига частоты интерференционная картина в элементе, обращающем волновой фронт, будет бегущая и обращающаяся волна не будет успевать формироваться. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Наиболее близким по технической сущности является лазерное устройство, содержащее длинный резонатор, включающий 55 оптически последовательно соединенные объект, активное вещество и матрицу уголковых отражателей (Власов Д.В., Колосов В.Б., Курин М А и др. К вопросу до самосинхронизации мод неодимового лазера с длинным резонатором. - Квантовая электроника, т.8, № 6, 1981, с.1359-1361). Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является то, что при больших расстояниях между лазерным устройством и объектом точность наведения и концентрация лазерного излучения уменьшаются, так как обращение волнового фронта с использованием матриц уголковых отражателей происходит только по одной координате, то есть луч, направленный на объект, и отраженный от него, возвращается в направлении матриц уголковых отражателей, но обращение волнового фронта по всему сечению луча не происходит. В связи с этим практически невозможно компенсировать влияние фазовых искажений, возникающих внутри длинного резонатора, что уменьшает эффективность его работы при, самонаведении и фокусировании излучения как на один движущийся объект, так и на несколько объектов, находящихся в поле его видимости Кроме того, для лазерных устройств с длинными резонаторами существенными оказываются дифракционные потери, которые определяются выходной апертурой активного элемента. При этом, если диаметр активного вещества составляет несколько сантиметров, то дальность действия устройства будет ограничена сотнями метров или единицами километров в зависимости от состава активного элемента. Таким образом, ни одно из известных лазерных устройств не является одновременно самофокусирующимся многолучевым, безынерционно самонаводящимся с компенсацией фазовых искажений на пути между движущимися объектами и устройством. В основу изобретения поставлена задача создания лазерного устройства, в котором применение матрицы уголковых отражетелй, нерабочая поверхность каждого из которых имеет интерференционное покрытие и находится в оптическом контакте с нелинейным элементом, обращающим волновой фронт, телескопической системы» состоящей из усеченного полого конуса с внутренней зеркальной поверхностью и расположенного соосно ему конуса с зеркальной внешней поверхностью, активного вещества, имеющего форму усеченного конуса, угол образующей которого равен углу образующей усеченного конуса телескопической системы, позволяет использовать в качестве первого зеркала резонатора элемент, обращающий волновой фронт, а в качестве второго зеркала резонатора - объект, получить единый активный элемент, имею 0L9H 14570 Фиг Упорядник Замовлення 4138 Техред М.Моргентал Коректор М.Куль Тираж Підписне Державне патентне відомство України, 254655, ГСП, Київ-53, Львівська пл., 8 Відкрите акціонерне товариство "Патент", м. Ужгород, вул.ГагарІна, 101 УКРАЇНА 14570 (19) (13) (5і)б G 05 D 3/00 ОПИС ДО ПАТЕНТУ ДЕРЖАВНЕ ПАТЕНТНЕ ВІДОМСТВО НА ВИНАХІД без проведення експертизи по суті на підставі Постанови Верховно! Ради України № 3769-Х11 від 23.ХІІ. 1993 р. Публікується в редакції заявника (54) ЛАЗЕРНИЙ ПРИСТРІЙ 1 (21)95041811 (22)19.04.95 (24)20.01.97 (46) 25.04.97. Бюл. № 2 (47)20.01.97 (72) Тітар Володимир Петрович (73) Харківський державний університет (UA) (57) Лазерное устройство, содержащее длинный резонатор, включающий в себя оптически последовательно соединенные объект, активное вещество и матрицу уголковых отражателей, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что устройство дополнительно содержит расположенную между объектом и активным веществом телескопическую систему, состоящую из усеченного полого конуса с внутренней зеркальной поверхностью и расположенного соосно ему конуса с зеркальной внешней поверхностью, а активное вещество имеет форму усеченного конуса, угол образующей которого равен углу обра зующей усеченного конуса телескопической системы, расположенной на одной оси с активным веществом и матрицей уголковых отражателей, причем нерабочая поверхность каждого уголкового отражателя в матрице имеет интерференционное покрытие и оптически связана с элементом, обращающим волновой фронт, который оптически связан с первым зеркалом, которое последовательно оптически связано со вторым зеркалом, первым квантовым усилителем, третьим зеркалом, первым поляризованным фильтром, элементом, обращающим волновой фронт, со вторым поляризованным фильтром, вторым квантовым усилителем и четвертым зеркалом, причем третье и четвертое зеркала, первый и второй поляризационные фильтры и второй квантовый усилитель расположен на одной оси под углом, равным углу синхронизации к оси, на которой расположен элемент, обращающий волновой фронт. Изобретение относится к области лазерных систем и предназначено для использования в системах определения местоположения перемещающихся объектов и наведения на них сфокусированного лазерного излучения. ,Известно лазерное устройство, предназначенное для наведения лазерного излучения на объект, содержащее лазер, модулятор расходимости излучения, теле скоп, детекторы интенсивности фазы, схему управления и устройство изменения фокусного расстояния телескопа (патент Франции N 2403591, кл. G 05 D 3/02). b Недостатком известного устройства является недостаточное быстродействие наведения излучения на объект, так как система поиска и обнаружения сравнительно медленная из-за инерционности электромеханических узлов, а фокусировка С > ел о 14570 излучения на объект достигается механическим перемещением оптических элементов и не может быть осуществлена за время, соизмеримое с временем распространения ^лектоомагнитного излучения от источника изпучения до объекта. Кроме того, на точность фокусировки лазерного излучения с помощью такого устройства влияют фазовые искажения турбулентной атмосферы, расположенной между устройством и объектом В известном устройстве отсутствует возможность фокусировать лазерное излучение одновременно на несколько объектов, расположенных в зоне видимости телескопа. Известно также лазерное устройство, предназначенное для самонаведения лазерного излучения на объект, содержащее лазер, объектив, квантовый усилитель, элемент, обращающий волновой фронт, два встречных опорных пучка, зеркало, лазер накачки, объектный пучок и обращенный пучок (Зельдович Б.Я., Шкунов В.В Обращение волнового фронта - В мире науки, 1986, №2, с 16-23) Недостатком известного устройства является то, что прохождение лазерного излучения подсветки через неоднородную турбулентную атмосферу приводит к большой расходимости луча, в результате чего уменьшается плотность потока мощности лазерного излучения на объекте При больших расстояниях между объектом и лазерным устройством мощность сигналов, отраженных от объектов, оказывается малой, что приводит к повышению уровня собственных шумов элемента, обращающего волновой фронт волны В результате не создаются условия для возникновения генерации лазерного излучения и самонаведения усиленного излучения на объект. Существенно и то, что если объект движется, то частота сигнала, отраженного от объекта, может иметь доплеровский сдвиг по отношению к частоте опорных пучков элемента, обращающего волновой фронт Из-за допплеровского сдвига частоты интерференционная картина в элементе, обращающем волновой фронт, будет бегущая и обращающаяся волна не будет успевать формироваться. 5 10 ' 15 20 25 30 35 40 45 50 Наиболее близким по технической сущности является лазерное устройство, содержащее длинный резонатор, включающий 55 оптически последовательно соединенные объект, активное вещество и матрицу уголковых отражателей (Власов Д.В., Колосов В. Б., Курин М.А. и др. К вопросу до самосинхронизации мод неодимового лазера с длинным резонатором. - Квантовая электроника, т.8, № 6, 1981, с.1359-1361). Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является то, что при больших расстояниях между лазерным устройством и объектом точность наведения и концентрация лазерного излучения уменьшаются, так как обращение волнового франта с использованием матриц уголковых отражателей происходит только по одной координате, то есть луч, направленный на объект, и отраженный от него, возвращается в направлении матриц уголковых отражателей, но обращение волнового фронта по всему сечению луча не происходит. В связи с этим практически невозможно компенсировать влияние фазовых искажений, возникающих внутри длинного резонатора, что уменьшает эффективность его работы при. самонаведении и фокусировании излучения как на один движущийся объект, так и на несколько объектов, находящихся в поле его видимости Кроме того, для лазерных устройств с длинными резонаторами существенными оказываются дифракционные потери, которые определяются выходной апертурой активного элемента. При этом, если диаметр активного вещества составляет несколько сантиметров, то дальность действия устройства будет ограничена сотнями метров или единицами километров в зависимости от состава активного элемента. Таким образом, ни одно из известных лазерных устройств не является одновременно самофокусирующимся многолучевым, безынерционно самонаводящимся с компенсацией фазовых искажений на пути между движущимися объектами и устройством. В основу изобретения поставлена задача создания лазерного устройства, в котором применение матрицы уголковых отражетелй, нерабочая поверхность каждого из которых имеет интерференционное покрытие и находится в оптическом контакте с нелинейным элементом, обращающим волновой фронт, телескопической системы, состоящей из усеченного полого конуса с внутренней зеркальной поверхностью и расположенного соосно ему конуса с зеркальной внешней поверхностью, активного вещества, имеющего форму усеченного конуса, угол образующей которого равен углу образующей усеченного конуса телескопической системы, позволяет использовать в качестве первого зеркала резонатора элемент, обращающий волновой фронт, а в качестве второго зеркала резонатора - объект, получить единый активный элемент, имею 14570 щий максимальную выходную апертуру и максимальную возможность для эффективной фокусировки лазерного излучения на объект и приема отраженного от него излучения, а также единый оптический элемент, отражающий как широкополосное люминисцентное излучение, так и узкополосное лазерное излучение, что обеспечивает безынерционное самонаведение излучения с одновременной компенсацией фазовых искажений на пути между движущимся объектом и устройством, за счет чего повышается точность наведения лазерного излучения на движущийся объект. Поставленная задача решается тем, что в лазерном устройстве, содержащем длинный резонатор, включающий в себя оптически последовательно соединенные объект, активное вещество и матрицу уголковых отражателей, согласно изобретению, устройство дополнительно содержит расположенную между объектом и активным веществом телескопическую систему, состоящую из усеченного полого конуса с внутренней зеркальной поверхностью и расположенного соосно ему конуса с зеркальной внешней поверхностью, а активное вещестсо имеет форму усеченного конуса, угол образующей которого равен углу образующей усеченного конуса телескопической системы, расположенной на одной оси с активным веществом и матрицей уголковых отражателей, причем нерабочая поверхность каждого уголкового отражателя в матрице имеет интерференционное покрытие и оптически связана с элементом, обращающим волновой фронт, который оптически связан с первым зеркалом, которое последовательно оптически связано со вторым зеркалом, первым квантовым усилителем, третьим зеркалом, первым поляризационным фильтром, элементом, обращающим волновой фронт, со вторым поляризационным фильтром, вторым квантовым усилителем и четвертым зеркалом, причем третье и четвертое зеркала, первый и второй поляризационные фильтры и второй квантовый усилитель расположены на одной оси под углом, равным углу синхронизации к оси, на которой расположен элемент, обращающий волновой фронт. На фиг.1 представлена схема лазерного устройства; на фиг.2-4 - изображение лазерных лучей, сфокусированных на обьект. Лазерное устройство содержит длинный резонатор, включающий оптически последовательно связанные объект 1, телескопическую систему 2, состоящую из усеченного полого конуса 3, с внутренней зеркальной поверхностью, и расположенно 6 го соосно ему конуса 4 с зеркальной внешней поверхностью, и актирным веществом 5. Активное вещество 5 имеет форму усеченного конуса, угол образования которого ра~ 5 вен углу образующей усеченного конуса 3 телескопической системы 2, которая расположена на одной оси с активным веществом 5 и матрицей уголковых отражателей 5 Нерабочая поверхность каждого уголкового 10 отражателя матрицы 6 имеет интерференционное покрытие 7 с лазерной линией пропускания и связана через буферную среду 8 с элементом, обращающим волновой фронт 9. Элемент, обращающий волновой фронт 9 15 оптически связан с первым зеркалом 10, которое последовательно оптически связано со вторым зеркалом 11, первым квантовым усилителем 12, третьим зеркалом 13,с первым поляризационным фильтром 14, 20 элементом, обращающим волновой фронт 9, вторым поляризационным фильтром 15, вторым квантовым усилителем 16 и четвертым зеркалом 17. Третье зеркало 13 и четвертое зеркало 18, первый 14 и второй 15 25 поляризационные фильтры и второй квантовый усилитель 16 расположены на одной оси под углом синхронизации к оси, на которой расположен элемент, образующий волновой фронт 9. 30 Лазерное устройство работает следующим образом. В активном веществе 5 с помощью блока накачки (на фигуре не показано) создается инверсия населенности, в результате 35 чего возникает излучение люминисценции активного вещества. Это некогерентное излучение имеет довольно широкий спектр и распространяется во все стороны. С помощью телескопической системы 2, состоя40 щей из усеченного полого конуса 3 с внутренней зеркальной поверхностью и расположенного соосно ему конуса 4 с зеркальной внешней поверхностью основную часть люминисцентного излучения направ45 ляют на объект 1. Излучение, отраженное от объекта 1, принимают с помощью телескопической системы 2 и пропускают через активное вещество 5 и направляют на матрицу уголковых отражателей 6, располо50 женную в заднем фокусе телескопической системы 2. Грани уголковых отражателей матрицы 6 покрывают зеркальными слоями вещества, состав и толщина которых образуют интерференционный светофильтр 7 с 55 линией пропускания, соответствующей лазерной линии используемого активного вещества 5. Матрица уголковых отражателей 6 возвращает отраженное люминисцентное излучение в те участки пространства, которые являются вторичными источниками из m 14570 12 ратным из произведения длины волны излуектз. При перемещении объектов лазерные чения и расстоянием до объекта, деленное лучи перемещались вслед за ними и не прона пи. Точность определения размера пятна падали до тех пор, пока объекты не выходифокусировки зависит от точности компенсэли из зоны видимости. В результате экспериментов было так- 5 ции дифракционных потерь в резонаторе и составляет 2-3%. же установлено, что размер пятна сфокусиТаким образом, проведенные эксперированного лазерного излучения на объектах ментальные исследования подтвердили исследования (фиг.3-5) был соизмерим с возможность создания самофокусирующеразмером пятна излучения, получаемого с помощью лазерного устройства, имеющего 10 го многолучевого безынерционно самонаводящегося с компенсацией фазовых идеальный конфокальный резонатор и рабоискажений на пути между движущимися тающего на основной моде с минимальными объектами и устройством лазерного устройдифракционными потерями. Этот размер, ства. как известно, определяется корнем квад15 17 Фиг/ OLSH 14570 Фиг Упорядник Замовлення 4138 Техред М.Моргентал Коректор М.Куль Тираж Підписне Державне патентне відомство України, 254655, ГСП, Київ-53, Львівська пл., 8 Відкрите акціонерне товариство "Патент", м. Ужгород, вул.Гагаріна, 101