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1、浅析激光发射光学系统总体设计（作者：唐黎明 张廷华发表时间：2014年月）光学设计激光发射光学系统总体设计激光探测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。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
2、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45 mrad.
3、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)h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*=2x1010cm-H乙2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Prmino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Qt为发射激光束发散角Qs为反射光束发散角,0.838是
4、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,PS是镜头目标的反射系数,Tt为发射光学系统的透过率,T为激光单 程大气透过率,TS为目标光学系统透过率,Tr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 pW,发射功率P0=20 MW,接收系统的光学镜头的面积Altt/16,目标光学镜头的有效接收面积As=tt/100,镜头目标的反射系数ps=0.02,发射光学系统的透过率t t二06激光单程大气透过率t二0.
5、5(垂射0.92),目标光学系统透过率t s=0.6,接收光学系统的透过率Tr=0.6,后向发散角主要受镜头目标所控制，取10 mrad,计得0t=O.1165 mrado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 kg发 射光学系统最后口径小于0.5 m,工作距离小于1 mo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
6、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; 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
7、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(2.44x焦距x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
8、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1.5-10o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5o整体扩束比达到1.5-50均匀可调。参考文献：谷锁林，孙华燕，张永基，宋丰华.空中目标的激光主动探测. 激光与红外，2005, 35(7): 476-478.蔡常达.变焦距激光扩束系统的结构设计.激光与红外，1996, 26(1): 30-31.李晓彤，岑兆丰.几何光学？像差？光学设计.浙江：浙江大学 出版社,2003: 180-190.赵延仲，宋丰华，孙华燕.1.06 pm脉冲激光高倍率变焦的扩束发射光学系统设计.红外与激光工程,2007, 36(6): 891-895.
