激光發(fā)射光學系統(tǒng)總體設計
[論文關鍵詞] 光學設計激光發(fā)射光學系統(tǒng) 總體設計 激光探測
[論文摘要] 以遠距離激光探測為背景,針對1.06 ?m YAG調Q脈沖激光器,進行了其發(fā)射光學系統(tǒng)的總體設計。根據探測系統(tǒng)指標分析提出了發(fā)射光學系統(tǒng)需要達到的技術指標,歸納了其總體設計方法和流程。最后給出了發(fā)射光學系統(tǒng)設計方案。
1 引言
雖然激光器發(fā)出的激光束方向性很好,也就是光束發(fā)散度很小。但激光輸出是一個有限的孔徑,因此總存衍射現象,使得激光束不能構成發(fā)散度為零的理想平行光束。因此,無論何種激光器都有一定的發(fā)散角。針對遠距離目標的激光探測系統(tǒng)作用距離需要達到上百公里,那么,如何提高發(fā)射光束的質量,設計出一個性能良好合乎要求的激光發(fā)射系統(tǒng),以便提高作用距離來滿足主動探測的需要就顯得尤為重要。探測系統(tǒng)的作用距離首先取決于激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射的激光束質量,為了改善光束的方向性,將激光束攜帶的能量最大限度傳送到遠距離的目標上,就需要較大的光束寬度和較小的發(fā)散角,因此需要對其進行擴束。
2 系統(tǒng)整體設計與指標分析
進行系統(tǒng)設計之前,首先要明確系統(tǒng)需要達到的技術指標,下面主要分析擴束比等主要指標的要求。設計中針對的激光器為調Q脈沖Nd: YAG激光器,其參數如下:波長1064nm、平均功率4W、峰值功率20 MW、脈沖寬度10～20ns、轉換效率1～3%,發(fā)散角4～5 mrad、調Q電壓4000V、工作電壓800V。
激光接收系統(tǒng)中探測器探測的是能量,探測信號的能力以信噪比作為評價指標,信噪比表達式為
(1)
式中NEP為探測器等效噪聲功率,由探測率(探測靈敏度) D*決定
(2)
式中ST為探測器面積。最小可探測功率Prmin為
(3)
式中,D*=2×1010cm·Hz,Δf為電子放大線路的等效噪聲帶寬,Fmin為電子線路設計的最小噪聲系數。
為了確保探測到目標,后向反射光功率PAS應大于或等于激光接收系統(tǒng)探測器最小可探測功率Prmin。將上述各式進行整理,并設PAS=Prmin,則可以得到系統(tǒng)的最大探測距離Rmax為
(4)
式中,θt為發(fā)射激光束發(fā)散角,θs為反射光束發(fā)散角,0.838是分布在Airy斑第一個暗環(huán)內部的功能百分比,P0為激光發(fā)射功率,Ar為接收系統(tǒng)的光學鏡頭的面積,As為鏡面目標的光學鏡頭的有效接收面積,ρs是鏡頭目標的反射系數,τt為發(fā)射光學系統(tǒng)的透過率,τ為激光單程大氣透過率,τs為目標光學系統(tǒng)透過率,τr為接收光學系統(tǒng)的透過率。
根據需要,設最大作用距離Rmax=200 km,其他的參數取較為普遍的值,取最小可探測功率Prmin=0.05 μW,發(fā)射功率P0=20 MW,接收系統(tǒng)的光學鏡頭的面積Ar=π/16,目標光學鏡頭的有效接收面積As=π/100,鏡頭目標的反射系數ρs=0.02,發(fā)射光學系統(tǒng)的透過率τt=0.6,激光單程大氣透過率τ=0.5(垂射0.92),目標光學系統(tǒng)透過率τs=0.6,接收光學系統(tǒng)的透過率τr=0.6,后向發(fā)散角主要受鏡頭目標所控制,取10 mrad,計得θt=0.1165 mrad。因此,取其等于0.11 mrad,由于激光器輸出光束發(fā)散角為5 mrad,將擴束系統(tǒng)的擴束比可調范圍定為1～50。
其他參數選擇:最小發(fā)散角<0.11 mrad,最大作用距離200 km,發(fā)射光學系統(tǒng)最后口徑小于0.5 m,工作距離小于1 m。其他的基本指標及詳細確定需要在設計中結合系統(tǒng)要求合理的逐一確定。
3 設計方法與流程
進行光學系統(tǒng)設計,首先就是根據使用條件,來決定滿足使用要求的各種數據,即決定光學系統(tǒng)的性能參數、外形尺寸和各光組的結構等。一個完整的設計結果應該包括:
(1) 光學系統(tǒng)結構圖;
(2) 主要參數(焦距視場物像距);
(3) 結構參數:半徑、厚度、間隔、玻璃號、口徑、外徑;
(4) 成像質量:像差,像差曲線圖。
可以分為4個階段來進行,具體流程如圖1所示。
首先,進行系統(tǒng)方案設計及外形尺寸計算。在這個階段里設計擬定出光學系統(tǒng)的整體方案和原理圖,確定基本光學特性,使之滿足給定的技術要求。
然后,進行初始結構的計算和選擇。初始結構參數主要指的是光學系統(tǒng)中各個鏡子參數以及相對位置,主要包括曲率,口徑,焦距,玻璃材料,鏡子厚度,類型,鏡子間隔等。確定了初始結構參數,在此基礎上才能進行優(yōu)化設計。
再次,象差校正和平衡。初始結構選好后,在計算機上用光學計算程序進行光路計算,算出全部象差及各種象差曲線。從象差數據分析找出主要是哪些象差影響光學系統(tǒng)的成像質量,從而找出改進的辦法,開始進行象差校正,直到滿足成像質量要求為止。
最后,進行像質評價。像質評價指標主要包括瑞利判斷、點列圖、光學傳遞函數等。瑞利判斷是指實際波面與理想波面之間的最大波象差不超過1/4 波長,這是一種較為嚴格的象質評價方法。點列圖評價以airy斑為參考,airy斑是物理光學的一個概念,它指出在形成的彌散斑直徑在(2.44×焦距×主波長)以內的時候,該光學系統(tǒng)可以認為是理想光學系統(tǒng)。光學傳遞函數具有客觀、可靠的優(yōu)點,并且便于計算和測量,它不僅能用于光學設計結果的評價,還能控制光學系統(tǒng)設計的過程、鏡頭檢驗、光學總體設計等各方面。
4 結語
根據以上的指標分析和設計方法分析,由于系統(tǒng)要求的擴束比可調范圍較大,可采用二級擴束發(fā)射系統(tǒng),整體方案如圖2所示。一級擴束系統(tǒng)光束寬度較小,采用折射型式擴束系統(tǒng)并承擔擴束變焦的任務,使其擴束比達到1.5～10。二級擴束系統(tǒng)光束寬度較大,采用離軸反射型式,設計固定擴束比為5。整體擴束比達到1.5～50均勻可調。
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