激光發射光學系統總體設計
[論文關鍵詞] 光學設計激光發射光學系統 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,進行了其發射光學系統的總體設計。根據探測系統指標分析提出了發射光學系統需要達到的技術指標,歸納了其總體設計方法和流程。最后給出了發射光學系統設計方案。
1 引言
雖然激光器發出的激光束方向性很好,也就是光束發散度很小。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散角。針對遠距離目標的激光探測系統作用距離需要達到上百公里,那么,如何提高發射光束的質量,設計出一個性能良好合乎要求的激光發射系統,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。探測系統的作用距離首先取決于激光發射系統發射的激光束質量,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散角,因此需要對其進行擴束。
2 系統整體設計與指標分析
進行系統設計之前,首先要明確系統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%,發散角4～5 mrad、調Q電壓4000V、工作電壓800V。
激光接收系統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,則可以得到系統的最大探測距離Rmax為
(4)
式中,θt為發射激光束發散角,θs為反射光束發散角,0.838是分布在Airy斑第一個暗環內部的功能百分比,P0為激光發射功率,Ar為接收系統的光學鏡頭的面積,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為發射光學系統的透過率,τ為激光單程大氣透過率,τs為目標光學系統透過率,τr為接收光學系統的透過率。
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,發射功率P0=20 MW,接收系統的光學鏡頭的面積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,發射光學系統的透過率τt=0.6,激光單程大氣透過率τ=0.5(垂射0.92),目標光學系統透過率τs=0.6,接收光學系統的透過率τr=0.6,后向發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散角為5 mrad,將擴束系統的擴束比可調范圍定為1～50。
其他參數選擇:最小發散角<0.11 mrad,最大作用距離200 km,發射光學系統最后口徑小于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要求合理的逐一確定。
3 設計方法與流程
進行光學系統設計,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,該光學系統可以認為是理想光學系統。光學傳遞函數具有客觀、可靠的優點,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,由于系統要求的擴束比可調范圍較大,可采用二級擴束發射系統,整體方案如圖2所示。一級擴束系統光束寬度較小,采用折射型式擴束系統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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