激光準(zhǔn)直特性在主動式激光偵察告警系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用探討

李廣東，張海莊，王德飛，劉志林

(1.中國人民解放軍63893部隊，河南 洛陽 471003;2.中國人民解放軍63889部隊，河南 孟州 454750)

0 引言

隨著激光技術(shù)的廣泛應(yīng)用，激光束傳輸與變換已經(jīng)成為激光光學(xué)中的一個重要研究課題［1-8］，越來越多的激光物理試驗對激光高斯光束的指向穩(wěn)定性提出了嚴(yán)格的要求［9-17］。在許多實際應(yīng)用技術(shù)中，需要在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)高斯光束準(zhǔn)直光斑的大小。例如，主動式激光偵察告警系統(tǒng)在探測遠距離目標(biāo)時的作用距離，首先取決于激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射的激光束質(zhì)量［18］。為改善光束的方向性，提高遠距離目標(biāo)處的激光能量密度，需要壓縮高斯光束發(fā)散角，使其與探測系統(tǒng)的跟蹤精度相匹配。在滿足發(fā)散角和光束寬度的前提下，要求系統(tǒng)的準(zhǔn)直倍率具有可調(diào)性，以便于探測系統(tǒng)能夠根據(jù)距離遠近來完成相應(yīng)的光斑尺寸的調(diào)節(jié)。針對主動式激光偵察告警系統(tǒng)的設(shè)計，從理論上探討了光斑調(diào)節(jié)方法，其輸出近似為基橫模高斯光束，能夠在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)準(zhǔn)直光斑大小，即通過沿光軸移動望遠鏡系統(tǒng)位置來改變光斑的準(zhǔn)直倍率，以滿足激光探測系統(tǒng)的調(diào)節(jié)需要。

1 主動式激光偵察告警系統(tǒng)效應(yīng)模型

主動式激光偵察告警系統(tǒng)的工作原理是:主動發(fā)射準(zhǔn)直高斯激光束對作戰(zhàn)區(qū)域掃描，光波直接作用到敵方光電探測設(shè)備光敏面上，利用敵方探測系統(tǒng)存在的“貓眼”效應(yīng)，即入射光束經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)到達“眼底”(探測器光敏面)后，由于“眼底”的反射作用，使反射光束沿入射方向返回，對敵方光電探測設(shè)備的工作特征進行識別分析。主動式激光偵察告警系統(tǒng)一般配有回波信號處理裝置和測距裝置，根據(jù)回波信號的強度并結(jié)合測距信息，可區(qū)分?jǐn)撤焦怆娞綔y設(shè)備是離焦系統(tǒng)還是焦平面系統(tǒng)，離焦系統(tǒng)多用于激光導(dǎo)引頭和激光角跟蹤設(shè)備，焦平面系統(tǒng)多用于成像探測設(shè)備。

根據(jù)激光的準(zhǔn)直特性和遠場傳播特性，可將激光束視為平行光束，“貓眼”光學(xué)系統(tǒng)可簡化為單透鏡和一個平面反射鏡組成的理想光學(xué)系統(tǒng)，根據(jù)平面反射的對稱特性作軸向展開，其光束傳播路徑如圖1所示。圖1中實線表示探測器光敏面，虛線表示焦平面位置，陰影區(qū)域為損耗部分，其余區(qū)域為通過光學(xué)系統(tǒng)并有效反射的部分。設(shè)探測器光敏面與焦平面的位置偏差(即離焦量)為δ，定義光敏面位于焦平面左側(cè)時，δ＜0，反之 δ＞0。圖1中分別繪出了離焦量 δ=0、δ＜0、δ＞0的3種情形。顯然，δ=0時，光束原路返回，δ＜0及δ＞0時，光束發(fā)散。

圖1 “貓眼”系統(tǒng)光學(xué)傳播路徑Fig.1 Optical transmission path of“Cat Eye”system

入射光束與接收系統(tǒng)軸向夾角為φ，口徑為D，焦距為f，光敏面尺寸為d，則焦平面系統(tǒng)視場角為

對于離焦系統(tǒng)，定義光敏面上光斑外緣與光敏面外緣重合時的入射光束圓錐角為視場角，則其視場角為

假定入射光束在“貓眼”光學(xué)系統(tǒng)視場內(nèi)，且入射光為嚴(yán)格的平行光，可利用幾何光學(xué)的光線追跡［19］理論，得到“貓眼”光學(xué)系統(tǒng)的光束能量通過率η、出射光束發(fā)散角θ1。

2 主動式激光偵察告警系統(tǒng)高斯光束準(zhǔn)直倍率的影響因素

所謂高斯光束的準(zhǔn)直，就是改善光束的方向性，壓縮光束的發(fā)散角。高斯光束的遠場發(fā)散角θ與光束束腰半徑 ω0的關(guān)系為［20］

式中:λ為入射激光的波長;π為常數(shù)。由式(3)可知，束腰半徑越大，遠場發(fā)散角越小。由高斯光束聚焦特點可知，當(dāng)入射光的束腰處在透鏡的焦距附近時，出射光的束腰半徑和入射光的束腰半徑成反比［20］。因此，如果預(yù)先用一個短焦距的透鏡將高斯光束聚焦，以便獲得極小的光斑，然后再用一個長焦距的透鏡來改善其方向性，就可得到很好的準(zhǔn)直效果。圖2所示的第1個透鏡是短焦距的凸透鏡，利用它先把入射光束的束腰半徑由ω0縮小到ω0'。第2個透鏡是長焦距凸透鏡，它的焦平面近似與ω0'的位置重合。由于ω0'＜ω0，故這樣得到的ω0″比直接用第2個透鏡將ω0進行變換所得到的結(jié)果要大。

圖2 主動式激光偵察告警系統(tǒng)對高斯光束的變換Fig.2 Transformation of Gaussian beam in active laser detection and warning system

設(shè)透鏡1、2的焦距分別為f1、f2。f1為短焦距透鏡(稱為副鏡)的焦距，當(dāng)滿足條件l＞＞f1時，可將物鏡高斯光束聚焦于副鏡后焦面上，得一極小光斑為

式中:l為入射光束束腰與副鏡之間的距離;ω(l)為入射在副鏡表面上的光斑半徑。由于ω0'近似落在長焦距透鏡(主鏡)的前焦面上，所以腰斑為ω0'的高斯光束將被主鏡很好地準(zhǔn)直。整個系統(tǒng)的準(zhǔn)直倍率可被計算如下。

以θ表示入射高斯光束的發(fā)散角，θ'表示經(jīng)過副鏡后的高斯光束的發(fā)散角，θ″表示出射高斯光束的發(fā)散角，則該望遠鏡對高斯光束的準(zhǔn)直倍率M定義為

式中，M'=f2f1為望遠鏡的準(zhǔn)直倍率(或稱幾何壓縮比)。

一個望遠鏡中 f1=2.5 cm，f2=20 cm，λ =0.6328 μm，ω0=0.28 mm，80 cm≤l≤90 cm;由式(5)可知，18.2858≤M≤20.1541。因此，一個給定望遠鏡對高斯光束的準(zhǔn)直倍率M不僅與望遠鏡本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，而且還與入射高斯光束的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及其腰斑與副鏡的距離有關(guān)。通過調(diào)節(jié)l可以在一定范圍內(nèi)改變準(zhǔn)直光斑的大小。在滿足l＞＞f1的條件下，M與l的關(guān)系曲線如圖3所示。另外，f2＞f1，所以M≥M'＞1。即 θ″=θM'＜θ。這說明出射光束的發(fā)散角比入射光束的發(fā)散角小了。M'越大，準(zhǔn)直效果越好。

圖3 M與l的關(guān)系示意圖Fig.3 Relationship between M and l

在不滿足l＞＞f1的條件下，由薄透鏡對高斯光束的變換特點可知，望遠鏡對高斯光束的準(zhǔn)直倍率M與入射高斯光束的l之間的關(guān)系更加清晰完整［21］;高斯光束通過薄透鏡的變換可以在滿足薄透鏡假設(shè)的基礎(chǔ)上，用薄透鏡的成像公式進行計算。在l和ω0確定的情況下，只要將長焦距凸透鏡(主鏡)的前焦面調(diào)節(jié)到近似與ω0'的位置重合，同樣能夠得到好的準(zhǔn)直效果。就長焦距凸透鏡(主鏡)的前焦面與ω0'的位置偏差x對于高斯光束的準(zhǔn)直倍率M的影響進行了仿真分析，見圖4。

圖4 主鏡的前焦面與高斯光束腰斑的位置偏差對準(zhǔn)直倍率的影響Fig.4 The effect of position deviation between the front focal plane of primary mirror and the Gaussian beam waist on the rate of alignment

假設(shè)l=10 cm，f1=2.5 cm，f2=20 cm，λ =0.6328 μm，ω0=0.28 mm;當(dāng) -0.7 cm≤x≤0.7 cm 時，可以得到8.2388≤M≤8.2598。

3 裝調(diào)誤差對主動式激光偵察告警系統(tǒng)高斯光束準(zhǔn)直光斑尺寸影響的仿真

設(shè)計高斯光束準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)時，透鏡裝調(diào)誤差是一個很重要的影響因素。透鏡裝調(diào)誤差往往存在兩個方面，即水平方向的裝調(diào)誤差和豎直方向的裝調(diào)誤差。由于高斯光束的光強集中在中心部分，并且高斯光束準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)往往由多個透鏡組成，因此舍棄透鏡邊緣的小部分。這里重點分析一下由兩個透鏡組成的望遠鏡系統(tǒng)的水平方向的裝調(diào)誤差α對高斯光束準(zhǔn)直光斑尺寸的影響，多個透鏡組成的高斯光束準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)與此類似。根據(jù)薄透鏡對高斯光束的變換特點可知［22］，水平方向透鏡裝調(diào)誤差α和高斯光束出射光斑ω0″的大小之間存在以下聯(lián)系。

其中:ω0'為入射高斯光束經(jīng)望遠鏡副鏡后的光束腰斑半徑;f2為望遠鏡主鏡的焦距大小;(f2+α)為ω0'與望遠鏡主鏡的距離。不失一般性，假定 λ=1.06 μm，ω0'=0.03 m，-0.003 m≤α≤0.003 m，0.23 m≤f2≤0.31 m，在f2取不同數(shù)值的情況下，就水平方向裝調(diào)誤差α對出射光束腰斑ω0″大小的影響進行分析。仿真發(fā)現(xiàn)，在光源參數(shù)和準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)一定的情況下，水平方向透鏡裝調(diào)誤差α和出射光束腰斑ω0″之間近似成線性關(guān)系，如圖5所示。

圖5 水平方向透鏡裝調(diào)誤差對高斯光束準(zhǔn)直光斑大小的影響Fig.5 Effect of the horizontal alignment errors on the size of collimated Gaussian beam spot

裝調(diào)誤差α對輸出光束準(zhǔn)直性能的影響的定量分析需要考慮裝調(diào)平行度對輸出光束的影響，光束腰斑和發(fā)散角之間的關(guān)系等多種因素，這對高斯光束傳輸特性的應(yīng)用研究更具現(xiàn)實意義，將在之后的工作中繼續(xù)深入研究。

4 主動式激光偵察告警系統(tǒng)高斯光束準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計

4.1 高斯光束準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的組成及要求

高斯光束準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)主要由透鏡、透鏡的支撐結(jié)構(gòu)、鏡座3部分組成。表面質(zhì)量、平行度等是透鏡的重要指標(biāo)。表面質(zhì)量應(yīng)是透鏡沒有或少有刻痕及疵點;平行度應(yīng)優(yōu)于10″，否則，透鏡將對高斯光束的透射產(chǎn)生影響，改變透射光的強度分布以及峰值強度的大小和位置;不平行度越大，影響越明顯。軍用激光器由于受體積和重量的限制，通常采用鋁質(zhì)整體骨架結(jié)構(gòu)和緊湊的安裝結(jié)構(gòu)，整個支架常常用整塊的金屬加工而成。固體激光器的透鏡都是安裝在可以調(diào)整的鏡座或調(diào)整架上的。好的鏡座要求在兩個方向的調(diào)節(jié)是互不影響、正交的。調(diào)整過程和調(diào)整好的鏡座應(yīng)是無間隙的，并有足夠的分辨率。另外，設(shè)計鏡座時必須考慮其穩(wěn)定性，包括熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性。

4.2 高斯光束準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計

高斯光束準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計主要是確定透鏡組的焦距f1和f2，設(shè)計應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用需要而定，但在設(shè)計時必須考慮鏡筒長度、透鏡尺寸和裝調(diào)誤差的要求［23］。就實際工程的應(yīng)用來說，鏡筒的長度不應(yīng)太大，主要由f1、f2決定。一般說來，尺寸超過1 m的透鏡加工就很困難，當(dāng)光斑等于或大于透鏡的孔徑時，要想通過提高準(zhǔn)直倍率來無限制地壓縮高斯光束的發(fā)散角是不可能的，這時出射光斑的發(fā)散角由透鏡的孔徑?jīng)Q定。

激光器出射高斯光束的發(fā)散角如圖6所示，發(fā)散角越小，物方孔徑角也就越小;發(fā)散角越大，物方孔徑角也就越大。如果系統(tǒng)物方孔徑角全部包容，則系統(tǒng)數(shù)值孔徑就較大，那么系統(tǒng)的體積變得很大，使得像差校正更加困難。由于高斯光束的光強集中在中心部分，可以舍棄邊緣的小部分，如圖7所示。

圖6 激光器發(fā)光示意圖Fig.6 Schematic diagram of laser light

如果一個望遠鏡系統(tǒng)的準(zhǔn)直效果不夠理想，可以采用多個望遠鏡系統(tǒng)，使高斯光束得到多次的放大和準(zhǔn)直。這時望遠鏡系統(tǒng)中的副鏡宜采用凹透鏡，這樣可以使透鏡系統(tǒng)更加緊湊。應(yīng)當(dāng)說明，對應(yīng)激光等強光源，為避免因為聚焦而產(chǎn)生空氣擊穿現(xiàn)象，其光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)盡量避免具有實焦點。在保證準(zhǔn)直的前提下，使用最合適的數(shù)值孔徑，使得系統(tǒng)在準(zhǔn)直性能發(fā)射效率以及體積等方面協(xié)調(diào)統(tǒng)一，獲得一個滿意的設(shè)計。

圖7 高斯光束被切割示意圖Fig.7 Schematic diagram when Gaussian beam is cut

5 結(jié)束語

隨著激光技術(shù)應(yīng)用的日益普及，激光高斯光束傳輸與變換的研究越來越深入。在滿足發(fā)散角和光束寬度的前提下，要求系統(tǒng)的準(zhǔn)直倍率具有可調(diào)性，以便于探測系統(tǒng)能夠根據(jù)距離遠近來完成相應(yīng)的光斑尺寸的調(diào)節(jié)。研究結(jié)果對于激光準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計、裝調(diào)及其在主動式激光偵察告警系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)，具有一定的工程實用價值。

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