近距離激光武器光學(xué)系統(tǒng)特性分析

劉 琳,李 林

(1.北京理工大學(xué),北京 100081;2.華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

2 利用橢球鏡的光學(xué)系統(tǒng)

近距離激光武器系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)如表1所示。

表1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)

根據(jù)系統(tǒng)的工作距離,需要在近距離具有最強的激光能量集中度。為了提高系統(tǒng)在設(shè)計工作距離的光斑能量集中度,設(shè)計應(yīng)從光學(xué)結(jié)構(gòu)形式上對發(fā)射系統(tǒng)進行優(yōu)化。分析采用主鏡為橢球鏡,次鏡為拋物面鏡的光學(xué)結(jié)構(gòu)。激光先經(jīng)拋物面次鏡反射,在焦點處形成完善像點,再入射至橢球面主鏡,以近似平行光出射,對1.5 km的目標(biāo)精確聚焦。這種結(jié)構(gòu)形式,理論上能在近距離目標(biāo)處很好地聚焦,從而提高在這些距離下,系統(tǒng)的毀傷能力,最大限度地發(fā)揮了高能激光的毀傷能力。

光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理參照圖1,橢球面反射鏡有一對共軛幾何焦點F1和F2,由F2發(fā)出的光線將嚴(yán)格會聚于F1,沒有像差[2]。非球面的方程為:

參照圖2,拋物面反射鏡有一對共軛幾何焦點F1′和無窮遠,由無窮遠發(fā)出的光線將嚴(yán)格會聚于F1′,沒有像差。非球面的方程為

基于3.2節(jié)得到的SAD項目加權(quán)知識超網(wǎng)絡(luò)模型，應(yīng)用本文提出的穩(wěn)定性研究方法對SAD項目CPIKN的穩(wěn)定性進行測度與分析。

圖1 橢球反射鏡成像原理

圖2 拋物面反射鏡成像原理

由橢球面和拋物面的設(shè)計得到,拋物面的焦點F1′(-247,0)與橢球面的焦點F2(-247,0)重合。由橢球面反射鏡作為主鏡,拋物面反射鏡作為次鏡,組成反射式激光擴束系統(tǒng)的參數(shù)如表2所示,光學(xué)系統(tǒng)如圖3所示。

表2 系統(tǒng)成像參數(shù)

圖3 光學(xué)系統(tǒng)原理圖

3 聚焦和成像特性分析

激光束束腰半徑為:

其中,λ為光束波長；b為不同結(jié)構(gòu)共振腔的激光共焦參數(shù)。

高斯光束經(jīng)過擴束器后,束腰位置為:

其中,l′為激光光束的傳輸距離[3]。

根據(jù)擴束光學(xué)系統(tǒng)和激光器的參數(shù),分別計算系統(tǒng)在激光器出射端、0.5 km、1 km、1.5 km、2 km和3 km處的激光光斑情況。由仿真的數(shù)據(jù)可以得到橢球面主鏡在不同距離處的光斑尺寸,如表3所示。

表3 橢球面主鏡在不同距離處的光斑尺寸

比較同樣指標(biāo)的拋物面主鏡在不同距離處的光斑尺寸如表4所示。

表4 拋物面主鏡在不同距離處的光斑尺寸

進一步比較拋物面主鏡和橢球面主鏡在不同距離處的光斑仿真情況。

主鏡為橢球的結(jié)構(gòu),對應(yīng)的光斑仿真如圖4所示。

圖4 橢球主鏡結(jié)構(gòu)在不同距離處 相同比例尺下光斑的仿真圖

光斑功率密度分布曲線如圖5所示。

圖5 在不同距離處激光光斑功率密度分布曲線

主鏡為拋物面的結(jié)構(gòu),對應(yīng)的光斑仿真如圖6所示。

圖6 拋物面主鏡結(jié)構(gòu)在不同距離處相同比例下光斑仿真圖

光斑功率密度分布曲線如圖7所示。

圖7 在不同距離處激光光斑功率密度分布曲線

4 外場實驗

系統(tǒng)在外場實驗中,對同樣條件下典型工作距離的激光光斑到靶功率和光斑大小進行測量,測量值和到靶功率密度計算結(jié)果如表5和表6所示。測試使用的激光發(fā)射功率為10 kW,大氣能見度6 km,大氣湍流較弱[4]。

表5 橢球面系統(tǒng)不同距離激光光斑的到靶功率密度和光斑大小

表6 拋物面系統(tǒng)不同距離激光光斑的到靶功率密度和光斑大小

對比表5和表6的數(shù)據(jù)可以看到,拋物面主鏡系統(tǒng),隨著距離的增加,到靶功率減少很多,光斑的尺寸也增加較多,功率密度下降接近一半；而橢球面主鏡系統(tǒng)在1.5 km處達到最大的到靶功率和最小的光斑尺寸,且與拋物面主鏡系統(tǒng)相比較,同樣的作用距離,到靶功率密度均有提高,最高達到原系統(tǒng)的4倍。說明在其他條件相同的情況下,橢球面主鏡的系統(tǒng)比拋物面主鏡的系統(tǒng)具有更小的到靶光斑尺寸和更高的到靶光斑功率密度,能夠最大限度地發(fā)揮系統(tǒng)的打擊性能。

5 結(jié) 論

通過比較,橢球面主鏡的結(jié)構(gòu)在目標(biāo)距離為500 m～3 km時,比拋物面主鏡的結(jié)構(gòu)具有更小的衍射光斑和更高的能量集中度[5]。因此,利用橢球鏡的強激光光學(xué)發(fā)射系統(tǒng),在近距離毀傷應(yīng)用中,可以最大限度的發(fā)揮高能激光的優(yōu)勢。

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