Конструкция устройства светоклапанного зеркала

Деформация поверхности зеркала, направляющего излучение в оптической схеме прибора наблюдения к фотоприемнику, индуцируемая падающим лазерным излучением, приведет к рассеянию отраженного света. Перемещение зеркала как целого при этом не реализуемо за временной промежуток порядка наносекунды, возможны только деформация его микрообластей.

Максимально возможный размер деформации в направлениях вдоль поверхности зеркала определяется скоростью звука, которое в твердом теле имеет значение порядка 1∙10³÷5∙10³ м/с. За наносекунду возникшая волна деформации распространится на расстояние ℓ = c∙t = 5∙10³∙10^-9 = 5∙10^-6 м, размер деформируемой микрообласти зеркала ограничен этой величиной.

Рассмотрим возможность построения затвора в виде ячеистого зеркала; поверхности ячеек составляют общую поверхность зеркала и под действием мощного излучения, падающего на зеркало и частично им поглощаемого, деформируются, рассеивая свет. На рисунке 2.2 показана схема функционирования такого затвора.

3

1

4

2

Рис. 2.2 Схема функционирования зеркального ячеистого затвора

Световой поток, идущий от объекта и содержащий, в том числе, импульсы лазерного излучения, проходит прозрачный обтекатель 1, отражается сферическим зеркалом 2 на плоский контррефлектор 3 и далее проходит к приемнику 4.

Зеркало 2 формирует на приемнике 4 лучистой энергии изображение цели. Контррефлектор выполнен в виде микромеханического светоклапанного зеркала. После окончания лазерного импульса ячейки остывают и зеркало становится плоским. Время восстановления – порядка микросекунды. За это время при скорости 1 – 5 скоростей звука объекта переместится на расстояние 0,3 – 1,5 мм, что не приведет к потере объекта оптоэлектронной системой аппарата.

Каждая ячейка имеет мембрану с зеркальной внешней поверхностью и микрокамеру, перекрытую мембраной и содержащую легко испаряющееся вещество. Все ячейки закреплены на массивной подложке. При попадании излучения на мембрану поглощенная его часть нагревает мембрану, прошедшая часть нагревает, испаряет и доводит до кипения среду внутри камеры. Давление насыщенного пара деформирует мембрану, величина давления определяется температурой наиболее холодных участков микрокамеры.

По окончании лазерного импульса тепло за счет теплопроводности уходит в подложку, содержимое микрокамеры остывает, пар конденсируется, давление возвращается в исходное состояние, мембрана вновь становится плоской, ячеистое зеркало перестает рассеивать падающее излучение.

Для одного из вариантов конструкции, с учетом размеров элементов светоклапанного зеркала, модельные расчеты показали, что зеркало срабатывает приблизительно за 1 нс при попадании на него лазерного импульса длительностью 10 нс и пропускает излучение с плотностью энергии 150-300 Дж/ . Если диаметр контррефлектора меньше диаметра сферического зеркала в Nраз, то соответствующая плотность энергии излучения от цели, падающая на обтекатель, при которой сработают световые клапаны, уменьшается пропорционально . К приемнику 4 пройдет только 0,1-0,2 доли энергии излучения, падающего на световые клапаны.

Световой клапан отсекает в данном примере 90% падающей энергии лазерного импульса, то есть ослабляет плотность энергии, падающей на приемник, в 10 раз. При увеличении энергии ослепляющего импульса или при размещении светоклапанного зеркала в таком месте оптической схемы, где больше плотность энергии, например, в области фокуса объектива, выигрыш только увеличивается, так как работа светового клапана имеет пороговый характер [16].