一種基于偏轉(zhuǎn)鏡的激光空間合束方法研究

郭 豹， 張 兵， 黃 偉， 李衛(wèi)森， 鄭耀鋒

(中國電子科技集團公司第二十七研究所，鄭州 450047)

0 引言

光電精確制導(dǎo)武器在現(xiàn)代高科技局部戰(zhàn)爭中發(fā)揮著越來越重要的作用，同樣，戰(zhàn)術(shù)激光干擾武器、戰(zhàn)略高能激光毀傷武器的性能也隨著戰(zhàn)爭形勢的需求變化及光電技術(shù)的快速發(fā)展而得以顯著提升[1]，在此過程中，高功率/能量激光器作為激光武器系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，其技術(shù)水平能力顯得尤為重要。

目前單臺高功率/能量激光器對晶體、光學(xué)膜片、熱畸變控制等有著較高的技術(shù)要求，且體積龐大、成本高、周期長，直接限制了其在激光武器系統(tǒng)上的應(yīng)用，因此，在工程上為實現(xiàn)高功率/能量、高光束質(zhì)量激光輸出，通常采用合束的方法[2]。對脈沖激光而言，采用多臺激光器進行時域精密同步合成及空域光路合束設(shè)計，以實現(xiàn)峰值功率上的累加效應(yīng)和更遠(yuǎn)距離的作戰(zhàn)。對連續(xù)激光而言，采用多臺激光器進行空域合束為主，以實現(xiàn)在空間局部位置上的激光平均功率疊加，達(dá)到更好的作戰(zhàn)效果。

國內(nèi)外對激光合束做了大量的研究，提出了多種激光合束方案，如幾何光學(xué)法、鍍膜法等，廣泛應(yīng)用于光學(xué)實驗、材料及軍事科學(xué)，其中，幾何光學(xué)法主要包括:1) 平板玻璃法，適用于對多束激光合成及傳輸效率要求不高的實驗，其光學(xué)結(jié)構(gòu)簡單，但在未鍍膜的條件下理論最高合成及傳輸效率為50%；2) 缺角直角棱鏡法，適用于2束激光合成，其優(yōu)點是合成效率高，但要求各光束激光盡可能地靠近，在工程上對結(jié)構(gòu)及光學(xué)設(shè)計要求高，不適用于大口徑光束的合成；3) 小角度全反射棱鏡法，適用于多束激光合成，其合成和傳輸效率能夠達(dá)到85%，但對五角棱鏡頂點的加工要求很嚴(yán)格，光路設(shè)計復(fù)雜。鍍膜法是對幾何光學(xué)法的一種改進，主要針對多束不同波長的激光進行合成，利用先進的鍍膜工藝，設(shè)計不同的光學(xué)鏡組，如濾光片、棱鏡偏振分光鏡、平板偏振分光鏡、多面反射鏡、冰洲石雙窗OE雙輸出棱鏡等，結(jié)合組合透鏡進行調(diào)焦，實現(xiàn)遠(yuǎn)場的空間合成[3-4]。

本文針對多路相同波長的大功率、大口徑光纖激光束，通過對單光路進行高精度偏轉(zhuǎn)反射、聚焦的優(yōu)化設(shè)計，結(jié)合新型材料的鍍膜工藝降低鏡片的熱畸變，根據(jù)激光測距信息，自適應(yīng)調(diào)整與電視光軸的一致，實現(xiàn)在遠(yuǎn)場多路激光之間、激光軸與電視軸之間的自動合束調(diào)節(jié)。

1 空間合束原理

基于偏轉(zhuǎn)鏡的激光空間合束方法主要包括由反射鏡組件、調(diào)焦模塊、聚焦單元組成的光學(xué)部分及激光測距單元、電視成像單元等。以電視成像單元的視場中心軸為標(biāo)準(zhǔn)參考軸系，根據(jù)激光測距信息，分別計算并調(diào)節(jié)單路激光束的偏轉(zhuǎn)角度及聚焦距離，形成在遠(yuǎn)場目標(biāo)處的空間位置匯聚，同時，對電視圖像進行光斑采樣，分析激光光斑的質(zhì)心對應(yīng)于電視視場內(nèi)的角度位置，作為偏轉(zhuǎn)鏡的微調(diào)環(huán)節(jié)的反饋，實現(xiàn)激光光軸與電視視軸在測距位置上的精確交匯。

根據(jù)距離信息對偏轉(zhuǎn)鏡進行調(diào)節(jié),如圖1所示。

圖1 偏轉(zhuǎn)鏡調(diào)節(jié)示意圖Fig.1 Adjustment of deflection mirror

若激光光軸與電視視軸在同一個平面上，當(dāng)間距為h，測距信息為L，偏轉(zhuǎn)鏡調(diào)整角度為θ時，激光軸調(diào)整角度為2θ，其對應(yīng)的基本關(guān)系為

(1)

在工程設(shè)計上，受光學(xué)膜片加工精度、調(diào)焦偏差、安裝誤差等因素影響，激光軸與標(biāo)準(zhǔn)參考軸系一般不存在于同一個平面上，因此，往往需要對所設(shè)計的光學(xué)系統(tǒng)進行X，Y軸兩個方向上的標(biāo)定。

若標(biāo)定后的偏轉(zhuǎn)鏡在位置L0上對激光軸的調(diào)整量為θx0，θy0，則對應(yīng)在任一距離位置L，其X，Y軸方向上的調(diào)整量分別為

(2)

(3)

式中：hx，hy分別對應(yīng)激光光軸與標(biāo)準(zhǔn)參考軸系在X，Y軸方向上的間距；kx，ky分別為偏轉(zhuǎn)鏡在X，Y軸方向上的經(jīng)過匯聚單元后的擴束比系數(shù)，通常情況下kx=ky，但在工程應(yīng)用上，需分別計算kx，ky，即

(4)

式中：θx1，θy1分別為在第1個位置點上偏轉(zhuǎn)鏡的X，Y軸角度值；θx1′，θy1′分別為在第1個位置點上對應(yīng)電視視場內(nèi)激光光斑的X，Y軸角度值；θx2，θy2分別為在第2個位置點上偏轉(zhuǎn)鏡的X，Y軸角度值；θx2′，θy2′分別為在第2個位置點上對應(yīng)電視視場內(nèi)激光光斑的X，Y軸角度值。

2 設(shè)計與標(biāo)定

以2路大功率光纖激光為例，其遠(yuǎn)場空間合束設(shè)計如圖2所示，包括合束光路設(shè)計、調(diào)焦設(shè)計、偏轉(zhuǎn)鏡控制及標(biāo)定4部分。

圖2 2路激光空間合束設(shè)計示意圖Fig.2 Schematic diagram of 2 lasers’ beam combination

圖2中，單一激光光路根據(jù)安裝方式，采用反射、偏轉(zhuǎn)、匯聚3種光路轉(zhuǎn)換方式，并根據(jù)激光功率選擇目前先進的多層鍍膜工藝技術(shù)，反射鏡、偏轉(zhuǎn)鏡膜片反射率及調(diào)焦模塊聚焦單元膜片透過率均大于99.9%，保證了光學(xué)系統(tǒng)具有較小的熱畸變。

2.1 光學(xué)設(shè)計

聚焦單元采用多片透鏡組合的設(shè)計方式，如圖3所示。

圖3 聚焦單元設(shè)計Fig.3 Design of the focusing lens unit

根據(jù)幾何光學(xué)參數(shù)變換，可以知道聚焦單元組合焦距f為

f=f1*f2/Δ

(5)

音圈電機作為一種基于安培力原理制造的電磁力驅(qū)動直線運動電機，與其他直線驅(qū)動方式相比，具有體積小、驅(qū)動電壓低、運動精度高的優(yōu)點[5]，因此，采用高精度音圈電機作為聚焦鏡組的承載平臺，通過改變Δ的大小，改變聚焦單元的焦距，實現(xiàn)不同距離上的聚焦控制。

本文中選用的某音圈電機，最大加速度可達(dá)到 920 m/s2，總行程為 30 mm。驅(qū)動器的位置反饋來自于Heidenhain直線光柵反饋，經(jīng)過細(xì)分模塊，理論分辨率可達(dá)到 0.12 nm，同時，電機控制及驅(qū)動模塊根據(jù)激光測距信息，計算相應(yīng)的位移距離，實現(xiàn)聚焦鏡組的快速、準(zhǔn)確定位，通過對調(diào)焦及聚焦單元進行Zemax仿真分析，其理論聚焦光斑大小及調(diào)焦位置如表1所示，通過分析可知，50～1000 m焦距調(diào)整量為20.239 mm。

表1 調(diào)焦及聚焦分析

2.2 偏轉(zhuǎn)鏡控制

偏轉(zhuǎn)鏡組件主要包括擺鏡、壓電驅(qū)動器、控制器3部分，其中，擺鏡與驅(qū)動器采用一體式設(shè)計方式，與控制器之間通過線纜連接。

兩軸壓電陶瓷式精密偏轉(zhuǎn)鏡，以90°平分放置，每軸采用2個壓電陶瓷，以推拉模式形成偏擺運動，其原理如圖4所示。

通過橋式連接電路閉環(huán)控制方式，由過位電阻應(yīng)變片傳感器或電容傳感器對壓電陶瓷驅(qū)動器的輸出位移進行檢測、采樣，通過信號轉(zhuǎn)換和 A/D轉(zhuǎn)換送回控制系統(tǒng)，不斷朝設(shè)定值進行反饋校正，以提高精度[6]，同時，結(jié)合差分結(jié)構(gòu)設(shè)計方式，能夠在較寬的溫度范圍 (-10～50 ℃) 內(nèi)保持良好的角度穩(wěn)定性，具有較好的線性度、分辨率和定位精度。

選用3通道模擬和數(shù)字式偏轉(zhuǎn)鏡控制器，具備外部RS422通信功能，根據(jù)激光測距模塊的距離信息，實現(xiàn)對偏轉(zhuǎn)角度的分析與精確控制。

圖4 壓電陶瓷式偏轉(zhuǎn)鏡工作原理Fig.4 Principle of piezoelectric ceramic deflection mirror

偏轉(zhuǎn)鏡的控制流程如圖5所示。

圖5 偏轉(zhuǎn)鏡控制流程Fig.5 The control process of deflection mirror

2.3 標(biāo)定方法

光束控制作為激光武器系統(tǒng)中的重要組成部分，每個組件的加工與安裝誤差均會對合束精度造成重大的影響，因此，除了提高加工與安裝精度外，仍需對光學(xué)系統(tǒng)進行遠(yuǎn)場及近場的雙重標(biāo)定。

遠(yuǎn)場標(biāo)定是通過設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)的觀瞄系統(tǒng)，結(jié)合平行光管、氣動光學(xué)平臺等專業(yè)設(shè)備，依次對激光測距光軸、電視視場軸進行遠(yuǎn)場調(diào)整，將其與標(biāo)準(zhǔn)觀瞄系統(tǒng)軸處于平行狀態(tài)。

近場標(biāo)定主要是針對激光器光軸與電視視場軸之間的交叉標(biāo)定，采用2點標(biāo)校法進行標(biāo)定。首先控制偏轉(zhuǎn)鏡處于θx，θy兩個方向的中間位置點，通過微調(diào)結(jié)構(gòu)裝置，使2路激光光斑在所需的合束距離點L1上處于重合，此后，再選定一個不同的距離點L2，通過控制偏轉(zhuǎn)角度，使2路激光重合，記錄下2次的距離及偏轉(zhuǎn)角度信息，即可用于計算在X，Y兩軸方向上的擴束比系數(shù)，并實現(xiàn)根據(jù)距離信息的自動調(diào)節(jié)。

3 試驗結(jié)果分析

在某設(shè)備的研制中，針對2路同等功率的高能光纖激光，采用本文合束方法的試驗條件如下所述。

1) 調(diào)焦及合束距離點。

因試驗場地空間有限，通過激光測距機測量，其平視、通視最遠(yuǎn)距離為187 m，因此選擇184 m作為合束的第1個位置點，107 m位置點(最近極限合束位置)進行驗證；在仰視情況下，近處3層試驗樓可懸掛試驗材料的最遠(yuǎn)距離為275 m，因此選擇253 m作為合束的第2個位置點，在272 m位置點進行驗證。

2) 試驗材料。

在近距離位置，以大塊的木質(zhì)試驗板作為激光打擊材料，易固定，且可單板多次測試，在遠(yuǎn)距離位置，為方便試驗材料的固定，選擇在試驗樓外墻粘貼小塊塑料材質(zhì)試驗板。

3) 激光出光時間。

以激光在試驗材料上產(chǎn)生清晰可辨的光斑為準(zhǔn)，通過多次的測試，發(fā)現(xiàn)對木質(zhì)試驗材料，在設(shè)定激光功率一定的情況下，激光出光時間約3 s即出現(xiàn)明顯的燒蝕痕跡，同時可觀測；對塑料材質(zhì)試驗材料，在同等激光功率下，激光出光時間約1 s即出現(xiàn)明顯的燒蝕痕跡，同時可觀測。

調(diào)焦效果如圖6所示，通過鋼尺比對及測量，上述4個位置點上的聚焦光斑直徑分別為4.2 mm，6 mm，7.9 mm，8.4 mm，與表1的仿真結(jié)果相比具有較高的一致性和準(zhǔn)確性。

圖6 單路激光調(diào)焦效果Fig.6 Focusing effect of single laser

合束效果如圖7所示。因合束后的激光功率較強，在試驗板上灼燒形成的光斑邊界模糊，因此通過測量形心間距的方式，判斷合束精度。其中,木質(zhì)試驗板合束光斑中碳化較為嚴(yán)重的位置為形心，塑料材質(zhì)試驗板合束光斑中顏色發(fā)白處為形心。通過鋼尺比對及測量,上述4個位置點上的2束激光形心間距分別為3.5 mm，4.7 mm，5 mm，6 mm，考慮到高能激光在大氣傳輸中的影響，達(dá)到了預(yù)期的合束效果。

圖7 2路激光合束效果Fig.7 Beam-combining effect of 2 lasers

為進一步驗證合束前后的高能激光打擊效果，選擇深圳大疆公司的“精靈3”四旋翼無人機作為空中目標(biāo)，經(jīng)過對無人機的拆解，確定對易造成無人機墜落的關(guān)鍵部位(機翼與機身連接處，此處中空且線路密集，線路燒斷或塑料殼體大面積損傷均會造成無人機無法平衡而墜落)進行激光打擊試驗，打擊過程及效果如下所述。

1) 在430 m位置點上，無人機處于懸停狀態(tài)；

2) 在跟瞄轉(zhuǎn)臺穩(wěn)跟目標(biāo)后，開啟單路高能激光，26 s后，無人機墜落；

3) 在同樣的位置點和高度，升起第2架無人機并懸停；

4) 在跟瞄轉(zhuǎn)臺穩(wěn)跟目標(biāo)后，啟動合束功能，對準(zhǔn)相同的打擊位置，開啟2路高能激光，11 s后，無人機墜落。

對無人機的毀傷打擊效果如圖8所示。

圖8 高能激光對無人機毀傷效果Fig.8 The damaging of UAV by high-energy laser

通過上述對無人機的打擊過程及效果可以看出，合束后的激光功率、打擊能力得到顯著提升，對無人機的打擊時間減少了58%。

4 結(jié)論

本文設(shè)計并實現(xiàn)了基于偏轉(zhuǎn)鏡的2路激光合束裝置，實現(xiàn)了對高能光纖激光束的遠(yuǎn)場匯聚功能，通過外場的調(diào)焦、合束、打擊試驗，驗證了本文方法的準(zhǔn)確性和裝置的可行性，同時具有可擴展性，適用于多路激光的遠(yuǎn)場合束要求。但在調(diào)試過程中也暴露出了一些問題，如對光路的機械加工、安裝、光軸標(biāo)校精度要求較

高，以至于調(diào)試過程較為繁瑣、時間過長，因此，在今后的研究中仍需對此做進一步優(yōu)化。

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