Устройство голографического контроля воздействия лазерного излучения на технические объекты

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ГОЛОГРАФИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ТЕХНИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Жданович Сергей Николаевич Конойко Алексей Иванович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Устройство контроля воздействия лазерного излучения на технические объекты, содержащее импульсный твердотельный лазер инфракрасного диапазона, включающий последовательно оптически связанные через элемент связи основной резонатор и дополнительный резонатор, содержащий последовательно оптически связанные диафрагму,эталон Фабри-Перо, наклонное селективное зеркало, электрооптический модулятор, удвоитель частоты лазерного излучения и выходное селективное зеркало, блок управления,выход которого электрически соединен с электрооптическим модулятором, основной резонатор оптически связан с каналом облучения, включающий последовательно оптически связанные согласующий телескоп, усилитель, первое и второе поворотное зеркало канала облучения, светоделительное зеркало, телескоп с переменной фокусировкой, при этом первое поворотное зеркало канала облучения оптически связано с системой управления теплоизлучающим каналом, содержащей последовательно оптически связанные зеркало фотоэлектрической цепи включения теплоизлучающего канала, фотоэлектрическую цепь 50042009.02.28 включения теплоизлучающего канала, выход которой электрически связан с блоком питания электрооптического элемента, электрооптический элемент, первый вход которого электрически связан с выходом блока питания электрооптического элемента, второй - оптически связан со светоделительным зеркалом, и поляризатор, оптически связанный с выходом электрооптического элемента и через поворотное зеркало теплоизучающего канала с теплоизлучающим каналом, оптически связанным с голографической системой проецирования, включающей фототермопластический носитель со средством электризации, оптически связанный с техническим объектом и через первое поворотное зеркало системы проецирования с выходным селективным зеркалом, фотоприемник оптически связанный с техническим объектом и через фотоэлектрическую цепь контроля состоянием технического объекта с пороговым устройством, второе поворотное зеркало голографической системы проецирования, оптически связанное с техническим объектом и наклонным селективным зеркалом, отличающееся тем, что содержит расположенные последовательно между телескопом с переменной фокусировкой и техническим объектом оптически связанные четвертьволновую пластинку, преобразователь поляризации и фокусирующую линзу, блок управления преобразователя поляризации, вход которого электрически связан с выходом порогового устройства, выход - с преобразователем поляризации, а выход фотоэлектрической цепи включения теплоизлучающего канала через линию задержки электрически соединен с входом блока управления электрооптическим модулятором.(56) 1. Мирошникова Н.В. и др. Исследование механизмов воздействия излучения мощных импульсных СО 2 и -лазеров на различные материалы с применением метода цифровой спекловой фотографии // Оптический журнал. - 2004. - Т. 71. -8. - С. 27-32. 2. Патентна полезную модель 4432. 3. Патент 9303 С 1, 2007. Полезная модель относится к лазерной технике и оптическим системам неразрушающего контроля и может быть использована в технологии изделий оптической и электронной техники. Известно устройство контроля воздействия лазерного излучения на технические объекты 1, содержащее лазер для облучения технического объекта, лазер для освещения технического объекта, оптическую систему проецирования, систему регистрации изображения. Облучение технического объекта и его освещение осуществляются с помощью двух независимых лазеров. Надежность системы регистрации и обработки изображения убывает при уменьшении элементов изображения и корреляции между элементами. Наиболее близким по технической сущности является устройство для голографического контроля воздействия лазерного излучения на технические объекты 2, содержащее импульсный твердотельный лазер инфракрасного диапазона, включающий последовательно оптически связанные через элемент связи основной резонатор и дополнительный резонатор, содержащий последовательно оптически связанные диафрагму, эталон ФабриПеро, наклонное селективное зеркало, электрооптический модулятор, удвоитель частоты лазерного излучения и выходное селективное зеркало, блок управления, выход которого электрически соединен с электрооптическим модулятором, основной резонатор оптически связан с каналом облучения, включающий последовательно оптически связанные согласующий телескоп, усилитель, первое и второе поворотное зеркало канала облучения,светоделительное зеркало, телескоп с переменной фокусировкой, при этом первое поворотное зеркало канала облучения оптически связано с системой управления теплоизлучающим каналом, содержащей последовательно оптически связанные зеркало фотоэлектрической цепи включения теплоизлучающего канала, фотоэлектрическую цепь включения теплоизлучающего канала, выход которой электрически связан с блоком пита 2 50042009.02.28 ния электрооптического элемента, электрооптический элемент, первый вход которого электрически связан с выходом блока питания электрооптического элемента, второй - оптически связан со светоделительным зеркалом, и поляризатор, оптически связанный с выходом электрооптического элемента и через поворотное зеркало теплоизучающего канала с теплоизлучающим каналом, оптически связанным с голографической системой проецирования, включающей фототермопластический носитель со средством электризации, оптически связанный с техническим объектом и через первое поворотное зеркало системы проецирования с выходным селективным зеркалом, фотоприемник оптически связанный с техническим объектом и через фотоэлектрическую цепь контроля состоянием технического объекта с пороговым устройством, второе поворотное зеркало голографической системы проецирования, оптически связанное с техническим объектом и наклонным селективным зеркалом. Технической задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей за счет контроля динамики процесса воздействия лазерного излучения различной поляризации на технический объект. Поставленная техническая задача решается тем, что в устройство для голографического контроля воздействия лазерного излучения на технические объекты, содержащее импульсный твердотельный лазер инфракрасного диапазона, включающий последовательно оптически связанные через элемент связи основной резонатор и дополнительный резонатор, содержащий последовательно оптически связанные диафрагму, эталон Фабри-Перо,наклонное селективное зеркало, электрооптический модулятор, удвоитель частоты лазерного излучения и выходное селективное зеркало, блок управления, выход которого электрически соединен с электрооптическим модулятором, основной резонатор оптически связан с каналом облучения, включающий последовательно оптически связанные согласующий телескоп, усилитель, первое и второе поворотное зеркало канала облучения, светоделительное зеркало, телескоп с переменной фокусировкой, при этом первое поворотное зеркало канала облучения оптически связано с системой управления теплоизлучающим каналом, содержащей последовательно оптически связанные зеркало фотоэлектрической цепи включения теплоизлучающего канала, фотоэлектрическую цепь включения теплоизлучающего канала, выход которой электрически связан с блоком питания электрооптического элемента, электрооптический элемент, первый вход которого электрически связан с выходом блока питания электрооптического элемента, второй - оптически связан со светоделительным зеркалом, и поляризатор, оптически связанный с выходом электрооптического элемента и через поворотное зеркало теплоизучающего канала с теплоизлучающим каналом, оптически связанным с голографической системой проецирования, включающей фототермопластический носитель со средством электризации, оптически связанный с техническим объектом и через первое поворотное зеркало системы проецирования с выходным селективным зеркалом, фотоприемник оптически связанный с техническим объектом и через фотоэлектрическую цепь контроля состоянием технического объекта с пороговым устройством, второе поворотное зеркало голографической системы проецирования, оптически связанное с техническим объектом и наклонным селективным зеркалом, введены расположенные последовательно между телескопом с переменной фокусировкой и техническим объектом оптически связанные четвертьволновая пластинка, преобразователь поляризации и фокусирующая линза, блок управления преобразователя поляризации, вход которого электрически связан с выходом порогового устройства, выход - с преобразователем поляризации, а выход фотоэлектрической цепи включения теплоизлучающего канала через линию задержки электрически соединен с входом блока управления электрооптическим модулятором. Совокупность указанных признаков обеспечивает расширение функциональных возможностей за счет контроля динамики процесса воздействия лазерного излучения различной поляризации на технический объект. 3 50042009.02.28 Оптическая схема устройства представлена на фигуре. Устройство содержит импульсный твердотельный лазер инфракрасного диапазона 1 с оптически связанными дополнительным резонатором 3, содержащим диафрагму 5, эталон Фабри-Перо 6, наклонное селективное зеркало 7, электрооптический модулятор 8 с блоком управления 9, удвоитель частоты лазерного излучения 10, выходное селективное зеркало 11, элементом связи 4, основным резонатором 2, оптически связанным с каналом облучения 18, согласующим телескопом 19, усилителем 20, системой управления теплоизлучающим каналом 27, фототермопластическим носителем 16 со средством электризации 17, голографической системой проецирования 12 с первым 13 и вторым 14 поворотными зеркалами, оптически связанной с дополнительным резонатором 3 и техническим объектом 15. В канале 18 облучения технического объекта, оптически связанном с основным резонатором 2, последовательно размещены согласующий телескоп 19, усилитель 20, первое 21 и второе 22 поворотные зеркала, поворотное зеркало 23 теплоизлучающего канала, светоделительное зеркало 24, телескоп с переменной фокусировкой 25, четвертьволновая пластинка 34, преобразователь поляризации 35 с блоком управления 36, фокусирующая линза 37 и технический объект 15. Теплоизлучающий канал 26 для разогрева ФТП носителя 16, оптически связан с помощью светоделительного зеркала 24 с каналом облучения 18. Система управления теплоизлучающим каналом 27 содержит поляризатор 30, электрооптический элемент 28 с блоком питания 29, электрически связанным с фотоэлектрической цепью включения теплоизлучающего канала 31 и линией задержки 33, а также зеркало 32. Фотоприемник 38 фотоэлектрической цепи 40 контроля состояния технического объекта оптически связан с техническим объектом 15 и электрически с входом порогового устройства 39. Элементом связи 4 основного 2 и дополнительного 3 резонаторов является диэлектрический поляризатор. Активным элементом усилителя 20 служит кристалл иттрийалюминиевого граната с неодимом (ИАГ) размерами 6,580 мм. Электрооптический модулятор 8 типа МЗ-204 выполнен из одноосного анизотропного кристалла ДКДП. Блоком управления 9 служит стандартный блок МГИН-5. Удвоителем частоты лазерного излучения 10 является элемент 7 Ф 4-03 из кристалла 3. Зеркала 21, 22, 23 имеют коэффициент отражения на длине волны 1,064 мкм, равный -0,99. Выходное селективное зеркало 11 имеет на длине волны 1,064 мкм коэффициент отражения 0,99 и на длине волны второй гармоники 0,532 мкм 0,005, а наклонное селективное зеркало 7 - на длине волны 1,064 мкм коэффициент отражения 0,005 и на длине волны второй гармоники 0,532 мкм 0,97. Наклонное селективное зеркало 7, расположено под углом 45 к оптической оси дополнительного резонатора 3. Это обеспечивает эффективный вывод излучения из дополнительного резонатора 3 в голографическую систему проецирования 12. Поворотные зеркала 13, 14 имеют на длине волны второй гармоники 0,532 мкм коэффициенты отражения, равные - 0,98. Дополнительный резонатор 3 содержит диафрагму 5 и эталон Фабри-Перо 6 для сужения спектра генерации моноимпульса второй гармоники для голографической системы проецирования 12. Это повышает когерентные свойства излучения для записи голограмм. Электрооптический элемент 28 выполнен из одноосного анизотропного кристалла ДКДП размером 8820 мм. Преобразователь поляризации 35 представляет собой последовательность оптических элементов, включающую двуосный кристалл с конической рефракцией, комбинированный фазовый элемент, электрооптический элемент и градиентный фазовый элемент. Он выполнен в виде, подробно описанном в 3. В данном устройстве один импульсный твердотельный лазер инфракрасного диапазона служит для выполнения нескольких операций, а именно для воздействия на технический объект, для разогрева ФТП носителя перед записью голограмм и для экспонирования при записи голограмм технического объекта. Канал облучения 18 оптически связан с ос 4 50042009.02.28 новным резонатором 2 лазера, в котором обеспечена квазистационарная генерация излучения на длине волны 1,064 мкм (имп 4 мс). Теплоизлучающий канал 26 для разогрева ФТП носителя 16 оптически связан с каналом облучения 18 технического объекта с помощью светоделительного зеркала 24. Фотоприемник 38 оптически связан с техническим объектом 15 и электрически с входом порогового устройства 39, выход которого электрически связан с входом блока управления 36 преобразователя поляризации 35. Сигнал с выхода порогового устройства 39 инициирует подачу от блока управления 36 на преобразователь поляризации 35 управляющего напряжения /2. Происходит преобразование поляризации лазерного излучения. Устройство работает следующим образом. После включения системы накачки (момент времени ) в основном резонаторе 2 лазера возникает излучение свободной генерации (момент времени). Элементом связи 4 основного и дополнительного резонаторов выделяются р- и - компоненты излучения, которые распространяются соответственно в направлениях 18 канала облучения и дополнительного резонатора 3. В исходном состоянии на электроды электрооптического модулятора 8 от блока управления 9 подано четвертьволновое /4 напряжение смещения. В результате двойного прохода - компоненты излучения через электрооптический модулятор 8 ориентация вектора поляризации изменяется на 90. Поэтому излучение, падающее на элемент связи 4 основного и дополнительного резонаторов со стороны дополнительного резонатора 3, проходит через него и не попадает в основной резонатор 2. Генерация в дополнительном резонаторе 3 отсутствует. На этом этапе генерация развивается в основном резонаторе 2 лазера. Излучение поступает в канал облучения 18. Через согласующий телескоп 19 излучение попадает в усилитель 20, далее первым 21 и вторым 22 поворотными зеркалами направляется через свето делительное зеркало 24 к телескопу с переменной фокусировкой 25. Далее оно проходит четвертьволновую пластинку 34, преобразователь поляризации 35, фокусирующую линзу 37 и оказывается на техническом объекте 15. Часть излучения из канала облучения светоделительным зеркалом 24 отражается в теплоизлучающий канал 26 для разогрева ФТП носителя 16. Перед четвертьволновой пластинкой 34 излучение имеет линейную поляризацию, соответствующую р-компоненте излучения элемента связи 4. После четвертьволновой пластинки 34 излучение приобретает круговую поляризацию. Это излучение падает на входную грань преобразователя поляризации 35. После прохождения преобразователя поляризации 35 лазерное излучение приобретает радиальную поляризацию. Излучение с радиальной поляризацией направляется фокусирующей линзой 37 на технический объект 15. Изменение состояния технического объекта 15 в результате воздействия лазерного излучения контролируется фотоприемником 38, установленным в области максимума рассеянного излучения. Величина сигнала с фотоприемника 38 в пороговом устройстве 39 сравнивается с заданным уровнем. При их равенстве пороговое устройство 39 вырабатывает синхроимпульс запуска для блока управления 36 преобразователя поляризации 35. При подаче от блока управления 36 напряжения /2 на преобразователь поляризации 35 происходит изменение поляризации с радиальной на азимутальную. Таким образом по сигналу фотоприемника 38, контролирующего состояние технического объекта 15, осуществляется преобразование поляризации лазерного излучения в процессе воздействия излучения на технический объект. Включение голографической системы проецирования для контроля состояния технического объекта при воздействии лазерного излучения различной поляризации осуществляется в любой выбранный момент времени процесса облучения. Задание момента времени для контроля осуществляется с помощью линии задержки 33, сигнал на которую поступает от фотоэлектрической цепи 31 включения теплоизлучающего канала. Фото 5 50042009.02.28 электрическая цепь 31 включения теплоизлучающего канала контролирует излучение в канале облучения 18. Сигнал с нее поступает на вход блока питания 29 электрооптического элемента 28, а также на вход линии задержки 33. На электрооптический элемент 28 подается полуволновое напряжение /2. В результате изменения ориентации вектора поляризации на 90 излучение проходит через поляризатор 30 и поворотным зеркалом 23 направляется на ФТП носитель 16. Начинается разогрев ФТП носителя перед записью голограммы. Сигнал с выхода линии задержки 33 поступает на вход блока управления 9 электрооптического модулятора 8. Спустя время , задаваемое линией задержки 33, сигнал с фотоэлектрической цепи 31 включения теплоизлучающего канала через линию задержки 33 попадает на вход блока управления 9. Происходит сброс напряжения с электродов электрооптического модулятора 8. В результате открывается дополнительный резонатор 3. Его добротность исходно задается выше, чем у основного резонатора. Это обеспечивается выбором параметров выходного селективного зеркала 11. Генерация переключается в дополнительный резонатор 3. В результате высвечивается моноимпульс излучения, который после удвоения частоты в кристалле 10 направляется в голографическую систему проецирования 12. Выходное селективное зеркало 11 отражает излучение длины волны 1,064 мкм и пропускает излучение второй гармоники 0,532 мкм, а наклонное селективное зеркало 7 наоборот. Момент появления синхроимпульса запуска для блока управления 9 определяет время контроля, т.е. время, прошедшее с начала облучения материала. В данный момент времени (контр), задаваемый линией задержки 33, происходит запись голограммы технического объекта, фиксирующая определенное состояние технического объекта 15. К моменту времени контр ФТП носитель 16 готов к записи голограммы, так как система управления теплоизлучающим каналом 27 открывает теплоизлучающий канал 26 раньше, т.е. в момент времени 2 контр 1. На голограмме записывается информация, отражающая состояние технического объекта после его облучения в течение отрезка времени контр - 1. Изменить момент времени записи голограммы относительно начала облучения технического объекта можно путем регулирования отрезка времени , задаваемого линией задержки 33. Таким образом диагностировать состояние технического объекта 15 можно в любой момент времени процесса облучения излучением различной поляризации. Если в пороговом устройстве задать более низкий уровень сравнения, запись голограммы произойдет при меньшем сигнале с фотоприемника 38, т.е. будет зафиксировано другое состояние технического объекта. Таким образом в данном устройстве изменение поляризации излучения осуществляется в зависимости от состояния технического объекта, а выбор момента времени для контроля задается линией задержки. Это позволяет осуществлять динамический контроль над состоянием технического объекта во время воздействия лазерного излучения различной поляризации. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6