一種人眼安全激光器光機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姚慶香　陳寶華　高雪萍　徐文

摘要：設(shè)計(jì)一種緊湊型人眼安全激光器的結(jié)構(gòu)裝置，并用Zemax軟件設(shè)計(jì)用于激光器發(fā)射和接收的光學(xué)系統(tǒng)。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，加工組裝方便，成本低廉，能夠?qū)崿F(xiàn)批量生產(chǎn)，光學(xué)系統(tǒng)很好地控制了激光發(fā)散角，滿足測距儀的性能要求。

關(guān)鍵詞：人眼安全激光器； 結(jié)構(gòu)裝置； 光學(xué)系統(tǒng)

中圖分類號： O 436 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.06.016

Abstract：A compact structure for an eyesafe laser， and the transmitting and receiving section of the optical system are designed by Zemax software. It can be easily assembled and mass produced based on a simple structure.The cost of this device is low. The optical system can control the divergence angle of the laser， and meet the performance requirements.

Keywords： eyesafe laser； structure device； optical system

引 言

目前廣泛使用的1.06 μm激光測距儀容易帶來人眼損傷甚至致盲的危險(xiǎn)，因此各國競相研制新的人眼安全激光測距儀[1]。研究表明：波長1.5～1.6 μm的激光在輻射人眼時(shí)大部分會(huì)被晶狀體吸收，只有小部分到達(dá)視網(wǎng)膜，對人眼損傷低，因此這一波段內(nèi)的激光被稱為人眼安全激光。為了攜帶方便和測距靈活，研制小型化、輕量化的人眼安全激光測距儀已成為國內(nèi)熱點(diǎn)，其中人眼安全激光器的結(jié)構(gòu)大小對測距儀整體尺寸有著較大影響，因此激光器結(jié)構(gòu)的研制在測距儀整個(gè)設(shè)計(jì)中占有重要的作用。

本文設(shè)計(jì)一種緊湊型人眼安全激光器的結(jié)構(gòu)裝置，該結(jié)構(gòu)選用鋁材，能夠減輕整體重量，裝置將調(diào)Q晶體Cr4+YAG、工作物質(zhì)NdYAG晶體和非線性晶體KTP緊密結(jié)合，有效減少了整體長度。用Zemax軟件設(shè)計(jì)用于激光器發(fā)射和接收的光學(xué)系統(tǒng)，將激光發(fā)散角控制在1 mrad以下。

1 原理

如圖1所示的1.57 μm人眼安全激光器工作原理圖[2]，從左至右分別為全反鏡，可飽和調(diào)Q晶體摻鉻釔鋁石榴石（Cr4+YAG），工作物質(zhì)摻釹釔鋁石榴石（NdYAG），泵浦源氙燈和倍頻晶體磷酸氧鈦鉀（KTP）。其中全反鏡鍍1.06 μm的全反膜，Cr4+YAG晶體的透過率為33%，KTP晶體的左表面鍍1.06 μm的增透膜和1.57 μm 的高反膜，右表面鍍1.06 μm的高反膜和1.57 μm 的半透膜。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，將Cr4+YAG晶體、NdYAG晶體和KTP晶體各部件緊密結(jié)合，縮短激光器的長度。

2 結(jié)構(gòu)

圖2和圖3所示為根據(jù)圖1各工作元件和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的緊湊、輕便型人眼安全激光器裝置 [3]。該結(jié)構(gòu)所選材料為鋁制。在圖3剖面視圖中，1為全反射鏡座固定部件，2為被動(dòng)調(diào)Q晶體Cr4+YAG和工作物質(zhì)NdYAG的連接件，3為激光器外殼，4是磷酸氧鈦鉀（KTP）晶體的固體部件。

圖4為人眼安全激光器各部件結(jié)構(gòu)圖，其中（a）為全反射鏡座的固定部件，101為全反射鏡的固定孔，102為調(diào)整墊，調(diào)整墊厚度易于打磨，可用于平行性調(diào)節(jié)，103為通孔，螺絲通過通孔將反射鏡座和被動(dòng)調(diào)Q和工作物質(zhì)連接件組裝在一起。201為Cr4+YAG的安放位置孔，202是NdYAG的固定孔，203為螺紋孔，204為通孔，螺絲通過通孔連接激光器外殼左側(cè)的內(nèi)置螺紋孔，并固定部件（b）和激光器外殼（c），205為氙燈固定槽。激光器外殼內(nèi)部安置氙燈，其中301為螺紋孔，連接KTP固定部件（d），302是氙燈引線孔。在圖4（d）中401為安放KTP晶體的方孔，402是通孔，螺絲通過通孔連接激光器外殼上右側(cè)的三個(gè)螺紋孔，并固定激光器外殼（c）和KTP固定部件（d）。KTP晶體兩面鍍膜，取代了一面諧振腔，從而進(jìn)一步壓縮了人眼安全激光器的整體長度，用鋁作為激光器外殼的材料，既控制了成本又減輕了激光器的重量。

3 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是將1.57 μm激光光束，5 mrad的發(fā)散角壓縮到1 mrad以下，而且該系統(tǒng)必須能夠很好地校正光束各類像差，如球差、彗差、像散以及垂軸色差等[4]。同時(shí)考慮到測距儀要求加工、組裝方便等特點(diǎn)，本文采用一個(gè)單透鏡和一組雙膠合透鏡的組合結(jié)構(gòu)作為激光器的發(fā)射和接收部分[5]，利用Zemax的優(yōu)化功能設(shè)計(jì)出如圖5的光學(xué)系統(tǒng)，從表1中可以看出各個(gè)透鏡都是常用玻璃且為球面，有利于機(jī)械加工和成本控制。

3.2 像質(zhì)評價(jià)

從系統(tǒng)點(diǎn)列圖和調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）評價(jià)設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)。

圖6點(diǎn)列圖中的艾里斑半徑為4.392 μm，從圖中可以看出系統(tǒng)各個(gè)視場的均方根半徑都小于3 μm，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)點(diǎn)列圖中彌散斑的80%集中于艾里斑半徑之內(nèi)，可以認(rèn)為系統(tǒng)是完善的。從圖7中可以看出，在50 lp/mm處的MTF為0.75，接近衍射極限。綜上所述該光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，加工容易，成本低廉，可以用于人眼安全激光器的發(fā)射和接收部分。

4 結(jié) 論

本文給出一種緊湊型人眼安全激光器的結(jié)構(gòu)裝置，該結(jié)構(gòu)選擇鋁作為材料，能夠減輕整體重量。此裝置將調(diào)Q晶體Cr4+YAG、工作物質(zhì)NdYAG晶體和非線性晶體KTP緊密結(jié)合，有效減少了整體長度，能夠?qū)崿F(xiàn)測距儀的小型化和輕量化。用Zemax軟件設(shè)計(jì)了激光器的光學(xué)系統(tǒng)，并通過分析得知該光學(xué)系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)符合測距儀的性能要求，可以用于人眼安全激光器的發(fā)射和接收。

參考文獻(xiàn)：

[1]時(shí)順森，金鋒，翟剛，等.二極管泵浦人眼安全1.57 μm OPO激光器[C].第十五屆全國紅外科學(xué)技術(shù)交流會(huì)暨全國光電技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)，2001.

[2]牛志強(qiáng)，李宇飛，孫渝明，等.1.57 μm內(nèi)腔式OPO激光輸出特性的研究[J].光電子·激光，2006，17（5）：641643.

[3]姚慶香，陳寶華，吳泉英，等.蘇州科技學(xué)院；蘇州億帝電子科技有限公司；蘇州一光儀器有限公司；一種人眼安全激光器的固定裝置[P].中國實(shí)用新型專利.江蘇；32，201420823344，201556.

[4]柳麗群，吳泉英，范君柳，等.對稱式人眼安全激光測距儀光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2013，50（6）：119124.

[5]遲澤英，陳文建.應(yīng)用光學(xué)與光學(xué)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].南京：東南大學(xué)出版社，2008.316318.

（編輯：張 磊）