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激光發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
[論文關(guān)鍵詞] 光學(xué)設(shè)計(jì)激光發(fā)射光學(xué)系統(tǒng) 總體設(shè)計(jì) 激光探測
[論文摘要] 以遠(yuǎn)距離激光探測為背景,針對1.06 ?m YAG調(diào)Q脈沖激光器,進(jìn)行了其發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。根據(jù)探測系統(tǒng)指標(biāo)分析提出了發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)需要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo),歸納了其總體設(shè)計(jì)方法和流程。最后給出了發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(xiàn)象,使得激光束不能構(gòu)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(yuǎn)距離目標(biāo)的激光探測系統(tǒng)作用距離需要達(dá)到上百公里,那么,如何提高發(fā)射光束的質(zhì)量,設(shè)計(jì)出一個(gè)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(dòng)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(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(yuǎn)距離的目標(biāo)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(kuò)束。
2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)與指標(biāo)分析
進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前,首先要明確系統(tǒng)需要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo),下面主要分析擴(kuò)束比等主要指標(biāo)的要求。設(shè)計(jì)中針對的激光器為調(diào)Q脈沖Nd: YAG激光器,其參數(shù)如下:波長1064nm、平均功率4W、峰值功率20 MW、脈沖寬度10～20ns、轉(zhuǎn)換效率1～3%,發(fā)散角4～5 mrad、調(diào)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(hào)的能力以信噪比作為評價(jià)指標(biāo),信噪比表達(dá)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(shè)計(jì)的最小噪聲系數(shù)。
為了確保探測到目標(biāo),后向反射光功率PAS應(yīng)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(jìn)行整理,并設(shè)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(gè)暗環(huán)內(nèi)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(xué)鏡頭的面積,As為鏡面目標(biāo)的光學(xué)鏡頭的有效接收面積,ρs是鏡頭目標(biāo)的反射系數(shù),τt為發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的透過率,τ為激光單程大氣透過率,τs為目標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)透過率,τr為接收光學(xué)系統(tǒng)的透過率。
根據(jù)需要,設(shè)最大作用距離Rmax=200 km,其他的參數(shù)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(xué)鏡頭的面積Ar=π/16,目標(biāo)光學(xué)鏡頭的有效接收面積As=π/100,鏡頭目標(biāo)的反射系數(shù)ρs=0.02,發(fā)射光學(xué)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(biāo)光學(xué)系統(tǒng)透過率τs=0.6,接收光學(xué)系統(tǒng)的透過率τr=0.6,后向發(fā)散角主要受鏡頭目標(biāo)所控制,取10 mrad,計(jì)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(kuò)束系統(tǒng)的擴(kuò)束比可調(diào)范圍定為1～50。
其他參數(shù)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(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(biāo)及詳細(xì)確定需要在設(shè)計(jì)中結(jié)合系統(tǒng)要求合理的逐一確定。
3 設(shè)計(jì)方法與流程
進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì),首先就是根據(jù)使用條件,來決定滿足使用要求的各種數(shù)據(jù),即決定光學(xué)系統(tǒng)的性能參數(shù)、外形尺寸和各光組的結(jié)構(gòu)等。一個(gè)完整的設(shè)計(jì)結(jié)果應(yīng)該包括:
(1) 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖;
(2) 主要參數(shù)(焦距視場物像距);
(3) 結(jié)構(gòu)參數(shù):半徑、厚度、間隔、玻璃號(hào)、口徑、外徑;
(4) 成像質(zhì)量:像差,像差曲線圖。
可以分為4個(gè)階段來進(jìn)行,具體流程如圖1所示。
首先,進(jìn)行系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及外形尺寸計(jì)算。在這個(gè)階段里設(shè)計(jì)擬定出光學(xué)系統(tǒng)的整體方案和原理圖,確定基本光學(xué)特性,使之滿足給定的技術(shù)要求。
然后,進(jìn)行初始結(jié)構(gòu)的計(jì)算和選擇。初始結(jié)構(gòu)參數(shù)主要指的是光學(xué)系統(tǒng)中各個(gè)鏡子參數(shù)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(jié)構(gòu)參數(shù),在此基礎(chǔ)上才能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
再次,象差校正和平衡。初始結(jié)構(gòu)選好后,在計(jì)算機(jī)上用光學(xué)計(jì)算程序進(jìn)行光路計(jì)算,算出全部象差及各種象差曲線。從象差數(shù)據(jù)分析找出主要是哪些象差影響光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量,從而找出改進(jìn)的辦法,開始進(jìn)行象差校正,直到滿足成像質(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(biāo)主要包括瑞利判斷、點(diǎn)列圖、光學(xué)傳遞函數(shù)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1/4 波長,這是一種較為嚴(yán)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)以內(nèi)的時(shí)候,該光學(xué)系統(tǒng)可以認(rèn)為是理想光學(xué)系統(tǒng)。光學(xué)傳遞函數(shù)具有客觀、可靠的優(yōu)點(diǎn),并且便于計(jì)算和測量,它不僅能用于光學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)果的評價(jià),還能控制光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程、鏡頭檢驗(yàn)、光學(xué)總體設(shè)計(jì)等各方面。
4 結(jié)語
根據(jù)以上的指標(biāo)分析和設(shè)計(jì)方法分析,由于系統(tǒng)要求的擴(kuò)束比可調(diào)范圍較大,可采用二級擴(kuò)束發(fā)射系統(tǒng),整體方案如圖2所示。一級擴(kuò)束系統(tǒng)光束寬度較小,采用折射型式擴(kuò)束系統(tǒng)并承擔(dān)擴(kuò)束變焦的任務(wù),使其擴(kuò)束比達(dá)到1.5～10。二級擴(kuò)束系統(tǒng)光束寬度較大,采用離軸反射型式,設(shè)計(jì)固定擴(kuò)束比為5。整體擴(kuò)束比達(dá)到1.5～50均勻可調(diào)。
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