激光发射光学系统总体设计

激光发射光学系统总体设计
[摘要] 以远距离激光探测为背景,针对1.06 ?m YAG调Q脉冲激光器,进行了其发射光学系统的总体设计。

根据探测系统指标分析提出了发射光学系统需要达到的技术指标,归纳了其总体设计方法和流程。

最后给出了发射光学系统设计方案。

[关键词] 光学设计激光发射光学系统总体设计激光探测
1 引言
虽然激光器发出的激光束方向性很好,也就是光束发散度很小。

但激光输出是一个有限的孔径,因此总存衍射现象,使得激光束不能构成发散度为零的理想平行光束。

因此,无论何种激光器都有一定的发散角。

针对远距离目标的激光探测系统作用距离需要达到上百公里,那么,如何提高发射光束的质量,设计出一个性能良好合乎要求的激光发射系统,以便提高作用距离来满足主动探测的需要就显得尤为重要。

探测系统的作用距离首先取决于激光发射系统发射的激光束质量,为了改善光束的方向性,将激光束携带的能量最大限度传送到远距离的目标上,就需要较大的光束宽度和较小的发散角,因此需要对其进行扩束。

2 系统整体设计与指标分析
进行系统设计之前,首先要明确系统需要达到的技术指标,下面主要分析扩束比等主要指标的要求。

设计中针对的激光器为调Q脉冲Nd: YAG激光器,其参数如下:波长1064nm、平均功率4W、峰值功率20 MW、脉冲宽度10～20ns、转换效率1～3%,发散角4～5 mrad、调Q电压4000V、工作电压800V。

激光接收系统中探测器探测的是能量,探测信号的能力以信噪比作为评价指标,信噪比表达式为
(1)
式中NEP为探测器等效噪声功率,由探测率(探测灵敏度) D*决定
(2)
式中ST为探测器面积。

最小可探测功率Prmin为
(3)
式中,D*=2×1010cm·Hz,Δf为电子放大线路的等效噪声带宽,Fmin为电子线路设计的最小噪声系数。

为了确保探测到目标,后向反射光功率PAS应大于或等于激光接收系统探测器最小可探测功率Prmin。

将上述各式进行整理,并设PAS=Prmin,则可以得到系统的最大探测距离Rmax为
(4)
式中,θt为发射激光束发散角,θs为反射光束发散角,0.838是分布在Airy斑第一个暗环内部的功能百分比,P0为激光发射功率,Ar为接收系统的光学镜头的面积,As为镜面目标的光学镜头的有效接收面积,ρs是镜头目标的反射系数,τt为发射光学系统的透过率,τ为激光单程大气透过率,τs为目标光学系统透过率,τr为接收光学系统的透过率。

根据需要,设最大作用距离Rmax=200 km,其他的参数取较为普遍的值,取最小可探测功率Prmin=0.05 μW,发射功率P0=20 MW,接收系统的光学镜头的面积Ar=π/16,目标光学镜头的有效接收面积As=π/100,镜头目标的反射系数ρs=0.02,发射光学系统的透过率τt=0.6,激光单程大气透过率τ=0.5(垂射0.92),目标光学系统透过率τs=0.6,接收光学系统的透过率τr=0.6,后向发散角主要受镜头目标所控制,取10 mrad,计得θt=0.1165 mrad。

因此,取其等于0.11 mrad,由于激光器输出光束发散角为5 mrad,将扩束系统的扩束比可调范围定为1～50。

其他参数选择:最小发散角<0.11 mrad,最大作用距离200 km,发射光学系统最后口径小于0.5 m,工作距离小于1 m。

其他的基本指标及详细确定需要在设计中结合系统要求合理的逐一确定。

3 设计方法与流程
进行光学系统设计,首先就是根据使用条件,来决定满足使用要求的各种数据,即决定光学系统的性能参数、外形尺寸和各光组的结构等。

一个完整的设计结果应该包括:
(1) 光学系统结构图;
(2) 主要参数(焦距视场物像距);
(3) 结构参数:半径、厚度、间隔、玻璃号、口径、外径;
(4) 成像质量:像差,像差曲线图。

可以分为4个阶段来进行,具体流程如图1所示。

首先,进行系统方案设计及外形尺寸计算。

在这个阶段里设计拟定出光学系统的整体方案和原理图,确定基本光学特性,使之满足给定的技术要求。

然后,进行初始结构的计算和选择。

初始结构参数主要指的是光学系统中各
个镜子参数以及相对位置,主要包括曲率,口径,焦距,玻璃材料,镜子厚度,类型,镜子间隔等。

确定了初始结构参数,在此基础上才能进行优化设计。

再次,象差校正和平衡。

初始结构选好后,在计算机上用光学计算程序进行光路计算,算出全部象差及各种象差曲线。

从象差数据分析找出主要是哪些象差影响光学系统的成像质量,从而找出改进的办法,开始进行象差校正,直到满足成像质量要求为止。

最后,进行像质评价。

像质评价指标主要包括瑞利判断、点列图、光学传递函数等。

瑞利判断是指实际波面与理想波面之间的最大波象差不超过1/4 波长,这是一种较为严格的象质评价方法。

点列图评价以airy斑为参考,airy斑是物理光学的一个概念,它指出在形成的弥散斑直径在(2.44×焦距×主波长)以内的时候,该光学系统可以认为是理想光学系统。

光学传递函数具有客观、可靠的优点,并且便于计算和测量,它不仅能用于光学设计结果的评价,还能控制光学系统设计的过程、镜头检验、光学总体设计等各方面。

4 结语
根据以上的指标分析和设计方法分析,由于系统要求的扩束比可调范围较大,可采用二级扩束发射系统,整体方案如图2所示。

一级扩束系统光束宽度较小,采用折射型式扩束系统并承担扩束变焦的任务,使其扩束比达到1.5～10。

二级扩束系统光束宽度较大,采用离轴反射型式,设计固定扩束比为5。

整体扩束比达到1.5～50均匀可调。

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