CATADIOPTRIC EXPANDER FOR LASER BEAM

Full Text

Введение. Предельная дальность действия спутникового лазерного дальномера (при локации спутника, оснащенного уголковыми отражателями) пропорциональна корню четвертой степени из произведения площади Sпр светоприемной апертуры на суммарную геометрическую площадь уголковых отражателей на лоцируемом объекте деленного на телесный угол , в котором сосредоточено лазерное излучение на выходе из коллимирующей передающей оптической системы [1; 2]: (1) Для обеспечения предельной дальности лазерный пучок (ЛП), пройдя коллиматор, должен иметь минимально возможную расходимость для рабочей длины волны. За минимально возможное значение можно принять угол дифракции для длины волны излучения λ на круглой апертуре коллиматора диаметром D, равный: Отсюда следует, что увеличение апертуры лазерного пучка позволяет уменьшить его расходимость. В спутниковых лазерных дальномерах коллиматор выполняет функцию расширителя лазерного пучка и является афокальной (телескопической) оптической системой в обратном ходе лучей. Из (1) также следует, что увеличение светоприемной апертуры Sпр увеличивает предельную дальность действия лазерного дальномера. В связи с этим, апертура оптической системы, принимающей эхо-сигнал, всегда имеет больший диаметр, чем апертура расширителя. Оптическая составляющая и лазерные источники дальномеров. Оптическая часть действующих лазерных спутниковых дальномеров разнообразна и до недавнего времени, как правило, имела три независимых оптических системы различного диаметра, установленных на одном поворотном устройстве: систему для приема отраженного сигнала, систему для визуального контроля наведения на КА и оптическую систему для коллимации лазерного пучка. По такой схеме были реализованы спутниковые дальномеры первого поколения ЛД-1, ЛД-2, ЛД-3, «Малая сажень», телескоп траекторных измерений Алтайского оптического лазерного центра (АОЛЦ) «Сажень-T» [3]. Оптическая схема расширителя в аналогичных дальномерах, как правило, выполняется по схеме Галилея. Большое распространение в лазерных спутниковых дальномерах получили лазерные излучатели (ЛИ), в которых активным элементом является иттриево-алюминиевый гранат, активированный трехвалентным ниодимом (Y3Al5O12:Nd3). Преимуществами таких ЛИ являются высокий КПД преобразования электрической энергии накачки в световую энергию излучения до 2 %, более низкий порог возбуждения активных центров и возможность генерации моноимпульсов с частотой до 50 Гц [4]. В данных ЛИ происходит генерация излучения на длине волны 1064 нм и после удвоения частоты - 532 нм, которое успешно используется в лазерных спутниковых дальномерах. Излучение, генерируемое YAG:Nd-лазерами на длине волны 1064 нм, и излучение второй гармоники 532 нм целесообразно одновременно использовать в дисперсионном методе определения поправки среднего коэффициента преломления атмосферы. В данном методе для определения поправки используется разность оптических путей для двух различных длин волн на измеряемой трассе [5-7]. Пропускание атмосферы на данных динах волн близко к единице. На рис. 1 приведены спектры пропускания атмосферной газовой смеси с температурой 296 К, давлением 1 атм и толщиной 30 км. Спектры пропускания построены с помощью информационной системы «Спектроскопия атмосферных газов», которая предназначена для моделирования и визуализации молекулярных спектров поглощения [8; 9]. Помимо YAG:Nd-лазеров возможно использование алюмоиттриевого граната, легированного гольмием и тулием (Ho,Tm:YAG). Данный лазер генерирует излучение на длине волны 2098 нм [10]. На рис. 2 приведен спектр пропускания атмосферной газовой смеси при толщине 100 км для длин волн от 2097,0 до 2098,5 нм. На длине волны 2098 нм пропускание составляет примерно 50-60 %, что сужает область применения данного излучения в области дальнометрии в атмосферных условиях до уровня лазерных радаров с радиусом обнаружения объектов до 100-150 км. В заатмосферных условиях данного ограничения не существует. Уменьшение расходимости лазерного излучения в радарах позволяет повысить дальность обнаружения объектов, точность определения направления на объект (повышение углового разрешения) и снизить влияние рельефа в определении дальности. В табл. 1 приведены известные варианты расширителей лазерного пучка, выполненных по схеме Галилея и Кеплера [11-19], коллимирующие лазерный пучок для соответствующих длин волн без дополнительной перефокусировки. Данные расширители могут быть использованы в лазерных дальномерах, лидарах или лазерных радарах. В табл. 1 указаны рабочие длины волн, диаметр входного и выходного зрачка и увеличение системы. Для минимизации массогабаритных размеров разработаны и успешно используются оптические схемы, в которых оптические конструкции или элементы являются общими для системы коллимации лазерного луча, системы приема отраженного сигнала, системы визуального контроля наведения и сопровождения. Выходные линзы расширителей ЛП, приведенных в табл. 1, не представляется возможным использовать как элементы светоприемной оптики ввиду их малого диаметра. Полностью или частично совмещённые оптические схемы реализованы в лазерных дальномерах четвертого поколения «Симеиз-1873» [20], «Сажень-ТМ» [21], «Сажень-С» (АЗТ-28М) [22] и др. Рис. 1. Пропускная способность атмосферной смеси газов вблизи длин волн 532 и 1064 нм при толщине 30 км, давлении 1 атм и температуре 296 К Рис. 2. Пропускная способность атмосферной смеси газов для диапазона длин волн от 2097,0 до 2098,5 нм при толщине 100 км, давлении 1 атм и температуре 296 К Таблица 1 Известные расширители лазерного пучка, выполненные по обратной оптической схеме Галилея и Кеплера Длины волн, мкм Диаметр, (Dвх, мм) / (Dвых, мм) Увеличение, крат 1,064, 0,355 и 0,266 8,0 / 60,0 7,5 1,57 и 0,66 3,0 / 34,2 11,4 1,064 и 0,266 8,0 / 56,0 7,0 1,064 и 0,63 3,6 / 25,7 7,0 1,064 6,3 / 132,0 21,0 0,365-1,3 2,0 / 10,0 5,0 0,365-1,3 2,0 / 20,0 10,0 0,694 10 / 143,0 14,3 1,064 и 0,532 (схема Кеплера) 9,0 / 124,0 13,8 В дальномере «Симеиз-1873» используется в качестве расширителя зеркально-линзовая система с диаметром главного зеркала 1 м, которое также выполняет роль светоприемной апертуры для эхо-сигнала с длиной волны 532 нм. Существуют предложения в данном дальномере использовать теневой конус вторичного зеркала Манжена для оптического тракта расширителя лазерного пучка для излучения на длинах волн 1064 и 532 нм, при этом выходную линзу расширителя предлагается установить в отверстии вторичного зеркала системы [23]. Это по сути делает расширитель независимой оптической системой, выполненной по схеме Галилея. Лазерные спутниковые дальномеры «Сажень-ТМ», «Сажень-С» (АЗТ-28М) используют только излучение второй гармоники лазеров на алюмоиттриевом гранате, активированном ниодимом (532 нм). Таким образом, для реализации преимущества локации спутников в многоволновом режиме необходимо разработать оптическую систему, которая без дополнительной перефокусировки способна уменьшить расходимость лазерного излучения для нескольких длин волн одновременно. Целью работы являлась разработка расширителя лазерного пучка, который формирует пучок большей апертуры, что позволяет уменьшить расходимость лазерного излучения без дополнительной перефокусировки для оптического и ближнего ифракрасного диапазона длин волн. При этом в обратном ходе лучей данный расширитель должен иметь возможность использоваться как оптическая система, принимающая эхо-сигнал. Выбор основных характеристик оптической схемы расширителя. Зеркальные оптические системы, в отличие от линзовых и катадиоптрических систем, свободны от хроматических аберраций. Афокальной зеркальной системой является классическая система Мерсена, состоящая из двух параболических зеркал, фокусы которых совмещены. Изготовление асферических поверхностей влечет за собой удорожание изделия, поэтому для минимизации затрат целесообразно использовать сферические поверхности. При замене параболических зеркал в системе Мерсена на сферические необходимо добавить линзовые компоненты для исправления сферической аберрации и хроматизма. Оптические бесцветные стекла по ГОСТ Р3514-94 имеют в ИК-области границу пропускания 2,6-2,7 мкм [24]. На этих длинах волн при толщине 10 мм коэффициент пропускания равен 50 %. При использовании (Ho,Tm):YAG-лазера следует включить в спектральный диапазон расширителя длину волны 2098 нм. Для предотвращения атмосферного воздействия на оптические компоненты расширителя используется на выходе корректирующая аберрации линза (Л), на центральную часть которой нанесено отражающее покрытие, играющее роль вторичного зеркала (рис. 3). Большой диаметр выходной линзы (~ 300 мм) позволит использовать её в обратном ходе лучей как питающую оптику для камеры визуального контроля. Лазерный пучок ЛП на выходе из расширителя проходит между краем выходной корректирующей линзы Л и краем вторичного зеркала З (максимальный диаметр которого можно оценить примерно в 30 % от диаметра линзы). Чтобы края лазерного пучка не экранировались краем линзы и вторичным зеркалом, ограничим его диаметр 50 мм. Этому размеру удовлетворяет 7-кратное увеличение системы при диаметре луча лазера на входе ~ 7 мм. Диаметр выходного зрачка совпадает с диаметром корректирующей линзы Л ~ 300 мм. При семикратном увеличении системы входной зрачок должен быть равен ~ 42 мм. Также для возможности стационарного расположения лазерного излучателя необходимо использовать фокус Куде. Для этого в оптическую схему вносятся два плоских зеркала под углом 45°: одно зеркало Д2 расположено в трубе расширителя, второе Д1 - за пределами линз. Между зеркалами Д1 и Д2 расположена окулярная часть (ОЧ). ЗМ - сферическое зеркало Манжена. Вынос входного зрачка ~ 100 мм. В данной оптической схеме луч лазера, входящий в расширитель, должен быть параллелен оптической оси. Целесообразно рассчитать систему, в которой отклонение от параллельности к оси не сказывается на расходимость лазерного пучка на выходе. Ограничим угол поля системы 0,4° (т. е. отклонение ±0,2° к оптической оси). Таким образом, требования к оптической схеме расширителя: закрытая труба, все оптические поверхности - сферические, диаметр входного зрачка ~ 42 мм, выходного зрачка ~ 300 мм, увеличение ~ 7 крат, поле зрение системы - 0,4°, вынос входного зрачка ~ 100 мм, рабочие длины волн 435-2098 нм. Расчет и оптимизация. Расчет и оптимизация параметров оптических элементов расширителя и минимизация аберраций и проводились с помощью программного пакета CodeV. За основу была взята оптическая схема менисковой телескопической системы. Причем объективная часть системы (рис. 3) состоит из зеркала Манжена ЗМ, корректирующего мениска Л, на поверхности которого в центральной части нанесено отражающее покрытие З. А окулярная часть была представлена в виде одиночной рассеивающей линзы. Для исправления аберраций в окулярную часть ОЧ были дополнительно внесены две линзы. Все поверхности оптических элементов - сферические. Основные характеристики расширителя лазерного пучка после оптимизации параметров оптических элементов приведены в табл. 2. Оптимизация параметров оптических элементов проходила таким образом, чтобы радиусы кривизны поверхностей оптических элементов совпадали с рядами рекомендованных значений радиусов сферических поверхностей [25]. Поэлементные характеристики зеркально-линзового расширителя лазерного пучка приведены в табл. 3, где указаны радиусы кривизны поверхностей, световой диаметр линз и их толщина, значение воздушных промежутков между линзами и марка стекла, из которого они изготовлены. Отсчет номеров поверхностей расширителя начинается с первой поверхности от диагонального зеркала Д1 в направлении зеркала Д2 и далее по ходу луча (рис. 3). Входной зрачок расположен на расстоянии 100 мм от первой поверхности окулярной линзы. Угол поля зрения оптической системы составляет 0,4°. Другими словами, если луч лазера будет не параллелен оптической оси на величину ±0,2°, то это отклонение существенно не скажется на расходимость луча на выходе из расширителя. Система зеркал, состоящая из зеркал Д2 и Д1 (рис. 3), введена для того, чтобы использовать фокус Куде. Точка фокуса в системе Куде неподвижна относительно поверхности Земли, что позволяет использовать стационарно источник лазерного излучения. Установка оборудования на станине лазерного дальномера снижает нагрузку на опорно-поворотное устройство (ОПУ), что позволяет снизить ее вес. При расчете расширителя лазерного пучка использовались марки стёкл ЛК7, ТФ10, K8 [26-28], изготавливаемые на Лыткаринском заводе оптического стекла. Соответствие марок стёкол по каталогу ЛЗОС маркам стекла зарубежных производителей представлено в табл. 4 [29]. При замене отечественных стекол на стекла зарубежных производителей возможна небольшая коррекция толщин линз и расстояний между ними. Рис. 3. Оптическая схема расширителя лазерного пучка: ЛИ - лазерный излучатель; ЛП - лазерный пучок; Д1 и Д2 - плоские зеркала, расположенные под углом 45° к оптической оси; Л - корректирующая линза; З - центральная часть линзы Л с отражающим покрытием; ЗМ - зеркало Манжена; ОЧ - окулярная часть Таблица 2 Основные характеристики расширителя лазерного пучка Диаметр входного зрачка, мм 42,0 Диаметр выходного зрачка, мм 298,0 Диапазон длин волн, нм 435-2098 Увеличение, крат 7,1 Поле зрения, ° 0,4 Таблица 3 Поэлементные данные об оптических элементах расширителя лазерного пучка № поверхности Радиус кривизны, мм Световой диаметр, мм Толщина, мм Наполнение, материал 1 50,23 42,8 (57,9) 12,0 ЛК7 2 155,60 40,3 (55,2) 11,7 воздух 3 -1061,7 37,2 (50,8) 8,1 К8 4 47,32 35,0 (46,3) 15,0 воздух 5 -60,67 36,0 (46,7) 11,4 ТФ10 6 -68,39 39,7 (51,3) 180,0 воздух 7* ∞ 94,6 (96,8) -390,0 воздух 8 -732,80 112,0 (116,3) 510,4 воздух 9 -1845,0 333,4 (336,9) 32,0 ЛК7 10 -1599,6 344,2 (347,6) -32,0 ЛК7 11 -1845,0 341,7 (345,0) -510,4 воздух 12 -732,8 325,8 (326,0) -32,0 ЛК7 13 -632,4 320,2 (320,2) Таблица 4 Соответствие марки стекла каталога ЛЗОС маркам стекла зарубежных производителей Марка стекла ЛЗОС ШОТТ (SCHOTТ) ОХАРА (OHARA) ЛК7 FK FSL К8 ВК7 BSL7 ТФ10 - - Оптимизация и расчет параметров оптических компонентов расширителя проводились для длин волн от 435 до 2098 нм. Спектральные коэффициенты пропускания стекол ЛК7, К8 и ТФ10 для оптического и ближнего инфракрасного диапазона от 435 до 1500 нм близки к единице и приведены с шагом 20 нм в каталоге бесцветных стёкол Лыткаринского завода оптического стекла [26-29]. Несмотря на утверждение, что все оптические бесцветные стекла по ГОСТ Р3514-94 прозрачны до длины волны 2,6-2,7 мкм [24], следует дополнительно исследовать оптические заготовки для изготовления элементов расширителя на предмет определения коэффициента спектрального пропускания для требуемой длины волны, если она находится в диапазоне от 1500 до 2098 нм. Анализ оптической системы. Минимизация аберраций оптической системы проводилась для восьми спектральных линий, которые равномерно покрывают рабочий диапазон расширителя: 435,8343, 479,9914, 546,0740, 656,2725, 1060,0, 1529,5820, 1700,0 и 1970,09 нм. Точечные диаграммы расходимости полноапертурного пучка для соответствующих длин волн приведены на рис. 4. Для каждой спектральной линии приведена диаграмма для углов поля 0,0°, 0,1° и 0,2°. Сторона квадрата соответствует размеру 4 угловых секунды. Распределение световой энергии в интегральном по длинам волн «белом» луче приведено на рис. 5. Круглым маркером обозначена кривая распределения на оси, треугольным - на расстоянии 0,1° от оси, и крестиком - на угле 0,2° от оси. Из распределения следует, что более 80 % энергии пучка находится в растворе ~ 1,0². Анализ аберраций оптической системы расширителя был проведен при помощи модели параксиальной линзы (тонкая положительная линза, не вносящая дополнительные аберрации), которая фокусирует коллимированный пучок. Были оценены среднеквадратичный угол расходимости пучка и число Штреля для соответствующих длин волн, падающих параллельно оптической оси расширителя, и на краю поля 0,2° (табл. 5). Также оценена расходимость и число Штреля для «белого» луча света с диапазоном длин волн от 435 до 2098 нм. Число Штреля, близкое к единице, свидетельствует о том, что рассчитанная оптическая схема расширителя является практически безаберрационной, т. е. дифракционно-ограниченной. Расширитель в обратном ходе лучей. Как отмечалось ранее, расширитель также целесообразно использовать в обратном ходе лучей как светоприемную аппаратуру для регистрации отраженных эхо-сигналов при лазерной локации спутников и как питающую оптику для визуального сопровождения КА. Совмещая в себе одновременно многоволновой расширитель и приемную оптическую систему, достигается уменьшение массогабаритных характеристик лазерного спутникового дальномера. Входной зрачок расширителя в прямом ходе лучей находится на расстоянии 100 мм от первой окулярной линзы. При использовании расширителя в качестве светоприемной системы и совмещении входного зрачка с корректирующей линзой Л расходимость лазерного пучка будет иметь иное значение. При ограничении поля зрения светоприемной оптической системы до 0,3° расходимость для «белого» луча принимает следующие значения: - в центре поля (0,0°) - расходимость 4,7² и число Штреля 0,786; - в середине поля (0,075°) - расходимость 7,5² и число Штреля 0,542; - на краю поля (0,15°) - расходимость 15,2² и число Штреля 0,032. Рис. 4. Точечные диаграммы расхождения лазерного пучка на выходе из расширителя для соответствующих длин волн в зависимости от угла: 0° - входящий лазерный пучок параллелен оптической оси расширителя; 0,1° и 0,2° - угол между оптической осью расширителя и входящим лазерным пучком Рис. 5. Угловое распределение световой энергии в интегральном по длинам волн световом пучке на углах поля 0,0°, 0,1° и 0,2° Таблица 5 Расходимость пучков для различных длин волн после прохождения расширителя, число Штреля Длина волны, нм Угол поля, ° Расходимость, ² Число Штреля 435,8343 0,0 0,2 0,25 0,52 0,984 0,938 479,9914 0,0 0,2 0,23 0,56 0,988 0,952 546,0740 0,0 0,2 0,18 0,51 0,992 0,965 656,2725 0,0 0,2 0,18 0,50 0,996 0,978 1060,0 0,0 0,2 0,21 0,53 0,999 0,992 1529,5820 0,0 0,2 0,33 0,62 0,999 0,995 1700,0 0,0 0,2 0,39 0,66 0,999 0,996 1970,09 0,0 0,2 1,34 1,51 0,998 0,995 2098 0,0 0,2 2,1 2,2 0,998 0,995 435,0-2098,0 0,0 0,2 2,11 2,25 0,982 0,950 В обратном ходе лучей данный расширитель будет свободен от виньетирования, если световые диаметры линз увеличить. Рассчитанные световые диаметры линз приведены в скобках в табл. 3 в соответствующей колонке. Для дальнейшей фокусировки пучка и регистрации эхо-сигнала в оптическую схему следует дополнительно ввести следующие элементы: объектив для оптического диапазона, фокусирующая линза для фокусировки эхо-сигнала на детектор, фильтрующие элементы. Соответственно расчет объектива и фокусирующих линз должен проводиться совместно с расширителем для исправления аберраций оптической системы в обратном ходе лучей [30]. Заключение. Рассчитанная нами оптическая схема расширителя является дифракционно ограниченной и коллимирует световое излучение для диапазона длин волн от 435 до 2098 нм без дополнительной перефокусировки. Благодаря этому возможно использование многолучевой локации космических аппаратов, что позволяет определить поправку в определение среднего коэффициента преломления атмосферы дисперсионным методом. Имея большой диаметр выходной линзы, данная схема может быть использована как питающая оптика для объективов камеры сопровождения КА и детекторов приема эхо-сигнала спутникового дальномера. Наличие фокуса Куде позволяет использовать стационарно установленную аппаратуру, т. е. для нее практически нет ограничений по весу. Упрощению и удешевлению процесса изготовления оптических компонентов расширителя способствует: 1) отсутствие асферических поверхностей; 2) радиусы кривизны для сферических поверхностей, выбранные из списка ГОСТ 1807-75; 3) оптические стекла линз, выбранные из каталога отечественного производителя.

About the authors

V. M. Vladimirov

Reshetnev Siberian State Aerospace University

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

L. V. Granitskiy

Reshetnev Siberian State Aerospace University

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

E. G. Lapukhin

Reshetnev Siberian State Aerospace University

Email: lapukhineg@sibsau
31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

References

Supplementary files