Оглавление

Предисловие ............................................................................................................. 7

Введение.................................................................................................................... 8

 

Теоретические основы систем формирования 

мощного лазерного излучения

 

Сокращения и обозначения в части 1 ............................................................. 13

Глава 1. Пассивные системы формирования мощного
лазерного излучения ................................................................................. 14

1.1. Оптическая разность хода при отражении пучка
от неровной поверхности или прохождении через неё .............. 14

1.2. Свойства афокальных телескопов ..................................................... 27

1.3. Угловая расходимость излучения. Сила излучения..................... 37

1.4. Примеры систем формирования мощных лазерных пучков ....... 39

1.5. Критерии допустимых значений плавных аберраций
для недифракционных лазерных пучков ........................................ 53

1.6. Методы термостабилизации телескопа ........................................... 66

1.7. Телескоп как безаберрационное средство компенсации
сферической дефокусировки пучка .................................................. 70

1.8. Методы максимизации силы излучения в условиях
технических ограничений ................................................................... 72

Глава 2. Сигнал управления линейной адаптивной системой
формирования излучения ...................................................................... 78

2.1. Каноническая форма сигнала управления адаптивной системы, работающей по методу апертурного зондирования ..................................................................................................................... 78

2.2. Сигнал управления адаптивной системой
апертурного зондирования по локальным наклонам
дифракционного пучка ........................................................................ 81

2.3. Сигнал управления при локальном зондировании
дифракционного пучка ........................................................................ 83

2.4. Сигнал управления адаптивной системой апертурного
зондирования при локальном зондировании по угловым
наклонам недифракционного пучка ................................................ 85

2.5. Сигнал управления адаптивной системой апертурного
зондирования при модальном зондировании по сфере,
цилиндру и тороиду ............................................................................. 86

2.6. Адаптивная система, управляемая тепловым сигналом
мишени, нагретой лазерным излучением ....................................... 87

2.7. Адаптивная оптическая система модального апертурного
зондирования, формирующая мощное излучение
газодинамического лазера ................................................................. 96

2.8. Особенности сигнала управления адаптивной системой,
работающей по обратному рассеянию лазерного излучения
в атмосфере ............................................................................................. 99

2.9. Адаптивная оптическая система с многочастотным
параллельным апертурным зондированием ............................... 106

2.10. Метод двойной частоты в отраженном (рассеянном) пучке
для высокоточного определения положения перетяжки
при сферическом зондировании волнового фронта .................. 111

2.11. Метод решения проблемы «лазерной звезды» в лазерном
комплексе авиационного базирования ABL (США) ................. 114

Глава 3. Методы автоматической союстировки осей мощного
лазерного излучения и информационного канала .................... 117

3.1. Неразъюстируемые элементы систем автоматической
союстировки ......................................................................................... 117

3.2. Метод автоматической юстировки оптических
резонаторов (метод возвратной точки) ........................................ 121

3.3. Союстировка осей мощного излучения системы
формирования и информационного канала ................................ 124

3.4. Метод интеграции радиоизлучения с лазерным каналом
для предварительного целеуказания ............................................ 126

3.5. Метод определения углового положения оси
мощного лазерного излучения по сигналу
обратного аэрозольного рассеяния ............................................... 129

Глава 4. Методы измерения характеристик мощного
лазерного излучения и систем формирования ............................. 138

4.1. Сравнительные характеристики метода фокального
пятна и метода Гартмана ................................................................. 138

4.2. Метод оценки угловой расходимости излучения по
амплитуде отклика осевой интенсивности при сферической
модуляции волнового фронта ......................................................... 143

4.3. Модернизированный автоколлимационный метод
измерения диаграммы направленности широкоапертурной
системы формирования с плоским эталонным зеркалом ........ 144

4.4. Метод измерения угловой расходимости мощного пучка
с помощью телескопа прямого фокусирования
на укороченной трассе ...................................................................... 150

4.5. Метод определения положения фокусировки излучения
лазерной системы с помощью искусственного
астигматизма ........................................................................................ 152

4.6. Метод измерения и управления угловой расходимостью
излучения по сигналу, отраженному от удаленного
точечного объекта .............................................................................. 157

4.7. Многопроходовый метод оценки оптического качества
резонатора и активной среды ......................................................... 161

 

Лазерные силовые зеркала

 

Сокращения и обозначения в части 2............................................................ 167

Глава 5. Конструкции лазерных зеркал ................................................... 169

5.1. Неохлаждаемые и термостатированные зеркала....................... 169

5.2. Охлаждаемые зеркала ........................................................................ 173

5.3. Охлаждаемые зеркала с прозрачной подложкой....................... 181

5.4. Гибкие управляемые зеркала ............................................................ 183

Глава 6. Методика инженерного расчета
характеристик зеркал ............................................................................ 190

6.1. Расчет температуры ............................................................................ 190

6.2. Расчет термоискажений от воздействия светового потока ...... 195

6.3. Искажения от теплового воздействия теплоносителя ................ 209

6.4. Искажения от теплового воздействия окружающей среды ...... 210

6.5. Искажения от воздействия веса ........................................................ 212

Глава 7. Проектирование зеркал ................................................................ 214

7.1. Выбор типа оптического покрытия ................................................. 214

7.2. Выбор материала зеркал ................................................................... 222

7.3. Выбор конструктивных параметров теплообменника .............. 229

7.4. Конструкция корпуса зеркал. Термоинвариантные
и двухконтурные зеркала ................................................................. 232

7.5. Узел крепления и разгрузка зеркал ................................................. 238

7.6. Выбор конструктивных параметров охлаждаемых
зеркал с прозрачной подложкой..................................................... 242

Глава 8. Эксплуатационные характеристики зеркал ........................ 249

8.1. Исходные оптические параметры ................................................... 249

8.2. Устойчивость к воздействию внешних
возмущающих факторов ................................................................... 256

8.3. Надежность зеркал .............................................................................. 261

8.4. Требования по эксплуатации зеркал .............................................. 265

Глава 9. Контроль оптических характеристик зеркал ....................... 267

9.1. Контроль оптической чистоты ......................................................... 267

9.2. Измерение шероховатости ................................................................. 267

9.3. Измерение коэффициента зеркального отражения..................... 269

9.4. Контроль радиусов кривизны ........................................................... 275

9.5. Контроль формы плоских и сферических поверхностей .......... 280

9.6. Контроль формы асферических поверхностей............................ 285

Глава 10. Технология изготовления зеркал .......................................... 289

10.1. Изготовление оптических поверхностей ..................................... 289

10.2. Нанесение оптических покрытий .................................................. 296

10.3. Изготовление дифракционных решеток....................................... 303

Глава 11. Тип теплоносителя и системы охлаждения зеркал .......... 307

11.1. Выбор типа теплоносителя ............................................................. 307

11.2. Системы охлаждения и термостабилизации зеркал ................ 311

Литература............................................................................................................ 315

 

  

Ya. I.  Malashko

M. B.  Naumov

POWERFUL LASER BEAM FORMATION SYSTEMS

 

UDK  621.373.826

BBK  32.86.5

M18

Reviewers:

Prof. P.A. Sozinov

Prof. V.P. Lukin

Malashko Ya.I., Naumov M.B.

Powerful Laser Beam Formation Systems. M.: Radiotechnika. 2013.

The monograph «Powerful Laser Beam Formation Systems» is devoted to design of formation systems of powerful laser radiation.

The first part contains principles of passive formation systems, describes control signals of linear adaptive systems, methods of automatic adjustment of laser radiation and pointing devices, lasers characteristics measurement.

The second part is devoted to engineer’s methods of analysis, designing, control and fabrication technique of high-power mirrors, which are integral part of a formation system.

This book is intended for a wide range of specialists – developers, engineers and students, related with the principles of design of forming systems of powerful laser beams.

 

Contents

Foreword

Introduction

PART 1

Principles of Formation Systems 

of Powerful Laser Radiation

The accepted abbreviations in part 1

Chapter 1. Passive formation systems of powerful laser radiation

1.1. Optical propagation difference of beams after reflection from

or passing through non smooth surface 

1.2. Afocal telescopes properties 

1.3. Angular radiation divergency. Radiation intensity 

1.4. Examples of formation systems for powerful  laser beams 

1.5. Criteria of permitted values of smooth aberration for laser beams

with non diffractional quality 

1.6. Thermostabilization of the optical length of telescope

1.7. Telescope as a non aberration means to compensate spherical 

defocusing of the beam 

1.8. Methods of maximization the radiation intensity in the conditions

of technical limitations 

Chapter 2. Control signal for liner adaptive system 

2.1. Canonical control signal form for adaptive system operating

by method of aperture probing 

2.2. Local tilts control signal for method of aperture probing 

for diffractional beam 

2.3. Local probing control signal for diffractional beam 

2.4. Adaptive system of aperture probing control signal of angular

tilts for non diffractional beam 

2.5. An adaptive system of aperture probing control signal for

modal operating of sphere, cylinder, toroid 

2.6. An adaptive system controlled using heat signal 

of target heating by laser radiation 

2.7. An aperture modal probing adaptive system operating with

powerful (80 kW) gas dynamic laser radiation 

2.8. Specificity of an adaptive system control signal using laser

atmospheric backscatter 

2.9. An adaptive system with multifrequency parallel aperture probing 

2.10. The double frequency method in reflecting (scattering) beam

for high accuracy definition of focal plane by spherical

aperture probing of wave front 

2.11. Method of «laser star» problem decision in laser airborne 

complex ABL (USA) 

Chapter 3. Automatical methods of high-power beam co-adjustment

with informative channel

3.1. Stable elements of automatical adjustment system 

3.2. The automatical adjustment method for optical resonators 

(the reversing point method)

3.3. Powerful beam axis co-adjustment method at the output 

of formation system with information channel 

3.4. Method of radio beam integration with powerful laser channel

for preliminary target designation 

3.5. The beam axis definition using signal of aerosol backscatter

in atmosphere 

Chapter 4. Method of characteristics measurement of powerful 

laser radiation and formation systems 

4.1. Comparison of focal plane method and Hartmann method 

4.2.The method of evaluation of angular divergency using response

intensity from spherical modulation of wave front 

4.3. Modified auto-collimation method of formation system 

divergency measurement with plane standard mirror 

4.4. The method of powerful beam angular divergency measurement 

with direct focusing telescope for shortening propagation path 

4.5. The method of radiation focusing definition using artificially 

introduced astigmatism 

4.6. The angular divergency measurement of radiation using signal,

reflected from remote point object 

4.7. The multipass method of resonator optical quality and active

media evaluation 

PART 2

Laser power mirrors

The accepted abbreviations in part 2 

Chapter 5. Designs of laser mirrors 

5.1. Uncooled and thermostatted mirrors 

5.2. Cooled mirrors 

5.3 Cooled mirrors with a transparent substrate 

5.4. Deformable control mirrors 

Chapter 6. A method of engineering calculation of mirrors characteristics

6.1 Calculation of temperature 

6.2 Calculation of thermodistortions from luminous flux affecting 

6.3 Distortions from thermal affecting of heat-transfer agent 

6.4 Distortions from thermal affecting of a circumambient 

6.5 Distortions from affecting of weight 

Chapter 7. Questions of mirrors designing 

7.1 Choosing of an optical coating 

7.2 Choosing of mirrors material 

7.3 Design of the heat exchanger 

7.4 Design of the mirrors body. Thermoinvariant and double-circuit mirrors 

7.5 Attachment point and relief of mirrors 

7.6 Choosing of design parameters for cooled mirrors with

a transparent substrate 

Chapter 8. Operating characteristics of mirrors 

8.1 Initial optical parameters 

8.2 Stability to affecting of external disturbing factors

8.3. Mirror reliability parameters 

8.4. Mirror maintenance requirements 

Chapter 9. The control of mirrors optical characteristics 

9.1 Surface smoothness control 

9.2 Surface roughness control 

9.3 Reflection index control 

9.4 Curvature surface control 

9.5 Flat and spherical surfaces form control 

9.6 Aspherical surfaces form control 

Chapter 10. Mirrors fabrication technique 

10.1 Optical surfaces fabrication 

10.2 Optical coating deposition 

10.3 Diffraction couplers of powerful laser beams 

Chapter 11. Type of heat-transfer agent and cooling systems

of mirrors 

11.1 Choosing of heat-transfer agent 

11.2 Integral cooling and thermostabilization systems of mirrors 

Reference