激光發(fā)射光學(xué)系統總體設計
[論文關(guān)鍵詞] 光學(xué)設計激光發(fā)射光學(xué)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(jìn)行了其發(fā)射光學(xué)系統的總體設計。根據探測系統指標分析提出了發(fā)射光學(xué)系統需要達到的技術(shù)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(xué)系統設計方案。
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(gè)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(wú)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(zhì)量,設計出一個(gè)性能良好合乎要求的激光發(fā)射系統,以便提高作用距離來(lái)滿(mǎn)足主動(dòng)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(fā)射系統發(fā)射的激光束質(zhì)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(jìn)行擴束。
2 系統整體設計與指標分析
進(jìn)行系統設計之前,首先要明確系統需要達到的技術(shù)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(cháng)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(jià)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(xiàn)路的等效噪聲帶寬,Fmin為電子線(xiàn)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(jìn)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(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A(yíng)iry斑第一個(gè)暗環(huán)內部的功能百分比,P0為激光發(fā)射功率,Ar為接收系統的光學(xué)鏡頭的面積,As為鏡面目標的光學(xué)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(xué)系統的透過(guò)率,τ為激光單程大氣透過(guò)率,τs為目標光學(xué)系統透過(guò)率,τr為接收光學(xué)系統的透過(guò)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,接收系統的光學(xué)鏡頭的面積Ar=π/16,目標光學(xué)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(xué)系統的透過(guò)率τt=0.6,激光單程大氣透過(guò)率τ=0.5(垂射0.92),目標光學(xué)系統透過(guò)率τs=0.6,接收光學(xué)系統的透過(guò)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(xué)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(jìn)行光學(xué)系統設計,首先就是根據使用條件,來(lái)決定滿(mǎn)足使用要求的各種數據,即決定光學(xué)系統的性能參數、外形尺寸和各光組的結構等。一個(gè)完整的設計結果應該包括:
(1) 光學(xué)系統結構圖;
(2) 主要參數(焦距視場(chǎng)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(zhì)量:像差,像差曲線(xiàn)圖。
可以分為4個(gè)階段來(lái)進(jìn)行,具體流程如圖1所示。
首先,進(jìn)行系統方案設計及外形尺寸計算。在這個(gè)階段里設計擬定出光學(xué)系統的整體方案和原理圖,確定基本光學(xué)特性,使之滿(mǎn)足給定的技術(shù)要求。
然后,進(jìn)行初始結構的計算和選擇。初始結構參數主要指的是光學(xué)系統中各個(gè)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(lèi)型,鏡子間隔等。確定了初始結構參數,在此基礎上才能進(jìn)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(xué)計算程序進(jìn)行光路計算,算出全部象差及各種象差曲線(xiàn)。從象差數據分析找出主要是哪些象差影響光學(xué)系統的成像質(zhì)量,從而找出改進(jìn)的辦法,開(kāi)始進(jìn)行象差校正,直到滿(mǎn)足成像質(zhì)量要求為止。
最后,進(jìn)行像質(zhì)評價(jià)。像質(zhì)評價(jià)指標主要包括瑞利判斷、點(diǎn)列圖、光學(xué)傳遞函數等。瑞利判斷是指實(shí)際波面與理想波面之間的最大波象差不超過(guò)1/4 波長(cháng),這是一種較為嚴格的象質(zhì)評價(jià)方法。點(diǎn)列圖評價(jià)以airy斑為參考,airy斑是物理光學(xué)的一個(gè)概念,它指出在形成的彌散斑直徑在(2.44×焦距×主波長(cháng))以?xún)鹊臅r(shí)候,該光學(xué)系統可以認為是理想光學(xué)系統。光學(xué)傳遞函數具有客觀(guān)、可靠的優(yōu)點(diǎn),并且便于計算和測量,它不僅能用于光學(xué)設計結果的評價(jià),還能控制光學(xué)系統設計的過(guò)程、鏡頭檢驗、光學(xué)總體設計等各方面。
4 結語(yǔ)
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(fā)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(wù),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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