復(fù)合式無遮攔激光擴(kuò)束器的設(shè)計

盧政偉，邵 帥，馬亞坤

(1.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

1 引 言

在激光通訊，激光制導(dǎo)及激光武器等研究領(lǐng)域里，對發(fā)射激光功率要求越來越高。在大功率激光發(fā)射系統(tǒng)中，考慮到口徑較大和能量吸收較少的特點(diǎn)，通常采用兩片共軸使用的拋物面反射鏡(即卡塞格林系統(tǒng))，對激光進(jìn)行準(zhǔn)直，保證系統(tǒng)的入射光和出射光都是平行光并壓縮激光的空間發(fā)散角[1-5]。雙鏡卡塞格林系統(tǒng)中，由于次鏡的遮攔導(dǎo)致光束中心部分無法輸出，光能傳輸效率降低的現(xiàn)象被稱為中心遮攔問題。傳統(tǒng)的雙鏡卡塞格林系統(tǒng)由于中心遮攔的存在，會導(dǎo)致20%～40%左右的光能得不到利用。目前解決這一問題常采用離軸光路設(shè)計或?qū)⑷肷涔馐ㄟ^多組鏡片反射變成環(huán)形光束后入射到次鏡上，避開中間遮攔區(qū)域[6]，以消除中心遮攔。

常用的離軸光路設(shè)計方法，使入射光束避開次鏡中間的盲區(qū)，全部處在次鏡通光口徑內(nèi)[7]。這種方法受到激光發(fā)射系統(tǒng)主發(fā)射口徑大小的限制，尤其在實(shí)際工程應(yīng)用中存在以下應(yīng)用問題：(1)發(fā)射系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)體積龐大；(2)受次鏡口徑限制擴(kuò)束倍率不能達(dá)到預(yù)期要求；(3)過大的鏡面使成本呈指數(shù)增加。國內(nèi)其他學(xué)者也做過這方面的努力并提出了很多種消除手段，比如將入射光束通過多組特殊形狀的鏡片反射變成環(huán)形光束，然后入射到次鏡上避開中間遮攔區(qū)域[6]，其弊端是鏡組復(fù)雜，安裝定位困難?；蛘呤菍煽鞉佄锩娣瓷溏R離軸非對稱放置[8-9]，雖解決了遮攔問題卻使光路復(fù)雜，擴(kuò)束結(jié)構(gòu)變的龐大。所以在實(shí)際應(yīng)用中急需更優(yōu)的解決辦法出現(xiàn)。

本文綜合反射式擴(kuò)束器和折射式擴(kuò)束器的優(yōu)點(diǎn)，在大功率長波激光發(fā)射模式設(shè)定下選擇卡塞格林系統(tǒng)和伽利略擴(kuò)束器并將其復(fù)合到一起，設(shè)計形成一種新型無遮攔擴(kuò)束系統(tǒng)。

2 設(shè)計原理

為了使被次鏡遮攔部分的激光得以發(fā)射，在雙鏡卡塞格林系統(tǒng)中次鏡中心設(shè)計一個通孔，使被遮攔部分的長波激光直接穿過次鏡。在次鏡后設(shè)計小口徑伽利略式擴(kuò)束鏡組。將中心光束進(jìn)行擴(kuò)束。這樣原始入射光束被分為內(nèi)外兩部分，一部分經(jīng)雙鏡卡塞格林系統(tǒng)發(fā)射，另一部分經(jīng)小口徑伽利略式擴(kuò)束系統(tǒng)發(fā)射，兩束光同軸發(fā)射。由于雙反系統(tǒng)公差敏感性，必須保證大擴(kuò)束系統(tǒng)光軸和小擴(kuò)束光軸同軸度在某一公差范圍內(nèi)，激光遠(yuǎn)場光斑才能夠達(dá)到預(yù)期要求[9]。圖1為系統(tǒng)光路圖。

圖1 系統(tǒng)光路示意圖 Fig.1 Layout of the system

3 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

在某10.6 μm波長激光發(fā)射系統(tǒng)中，根據(jù)系統(tǒng)整體技術(shù)指標(biāo)要求，設(shè)計一種復(fù)合式擴(kuò)束器，用于對10.6 μm激光進(jìn)行擴(kuò)束。激光系統(tǒng)中激光到次鏡的光束直徑為100 mm。發(fā)射系統(tǒng)主鏡通光口徑為600 mm，擴(kuò)束倍率5倍?？紤]到系統(tǒng)中存在快速反射鏡(如圖2所示)，在一定范圍內(nèi)的角度轉(zhuǎn)動導(dǎo)致入射到次鏡上的光斑中心具有徑向10 mm的移動范圍，次鏡直徑為Φ140 mm，實(shí)際工作時通光口徑為Φ120 mm。主鏡直徑為Φ620 mm。主鏡中通心孔徑取為Φ140 mm。

圖2 尺寸示意圖 Fig.2 Schematic diagram of lens parameters

設(shè)計主鏡近軸曲率半徑為1 500 mm，綜合考慮機(jī)械支撐系統(tǒng)剛度對光學(xué)系統(tǒng)精度的影響、整體重量的限制、結(jié)構(gòu)空間限制等因素，主次鏡間距確定為600 mm。次鏡的近軸曲率半徑為300 mm。主、次鏡均為拋物面。各參數(shù)見表1。

表1 反射擴(kuò)束鏡片尺寸參數(shù)(單位：mm)

主鏡拋物面方程為：

(1)

次鏡拋物面方程為：

(2)

根據(jù)遮攔系數(shù)：

(3)

在次鏡后設(shè)計長波小口徑擴(kuò)束鏡組，采用伽利略式，長波小口徑擴(kuò)束入射鏡直徑為37 mm,通光口徑35 mm。出射鏡直徑為145 mm，通光口徑140 mm。光束直徑140 mm，次鏡結(jié)構(gòu)組件最大外徑尺寸149 mm(鏡筒厚2 m)<150 mm，對雙鏡卡式擴(kuò)束發(fā)射激光不產(chǎn)生遮攔。

由以上結(jié)構(gòu)限制推導(dǎo)出的小擴(kuò)束透鏡最大尺寸，可知小擴(kuò)束倍率ε=140/35=4倍，雖小于卡塞格林系統(tǒng)擴(kuò)束倍率，但在保證小擴(kuò)束和卡塞格林?jǐn)U束器的光軸重合情況下，遠(yuǎn)場光斑重疊，增強(qiáng)了遠(yuǎn)距離打擊能力。系統(tǒng)近場出射光斑形狀如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)出射光斑圖 Fig.3 Optical spots of two systems

序號注釋曲面類型半徑/mm厚度/mm材料模式通光口徑/mm1(STO)Sphere223.812ZNSE_SPECIALRefract1402Sphere500200.65Refract1403Sphere-118.310ZNSE_SPECIALRefract364Sphere627.550Refract36IMAGESphereINFINITY09 756.037

小口徑擴(kuò)束系統(tǒng)鏡片材料為硒化鋅，對長波激光的透過率大于90%。為保證同軸度精度，小擴(kuò)束與雙鏡卡塞格林的次鏡安裝到一起。小口徑擴(kuò)束各鏡片參數(shù)見表2。光學(xué)系統(tǒng)及其成像質(zhì)量如圖4所示。

圖4 光學(xué)系統(tǒng)及其成像質(zhì)量 Fig.4 Refract light beam expanding system and image quality

系統(tǒng)發(fā)射激光為基模高斯光束，根據(jù)其在自由空間的傳輸特性，基模高斯光束在橫截面內(nèi)的場振幅分布按照高斯函數(shù)：

(4)

式中，r為距離光斑中心的距離，ω(z)為由幅值降落到中心值的1/e的點(diǎn)所定義的光斑半徑。所描述的規(guī)律從中心(即傳輸軸線)向外平滑降落，通過計算橫截面內(nèi)的能量分布可得卡塞格林系統(tǒng)透過能量與遮攔比的關(guān)系圖，如圖2所示，在遮攔比為25%時，卡塞格林系統(tǒng)有約70%的能量透過[10-11]。當(dāng)被遮擋的光束通過小擴(kuò)束時，能量利用率提高30%。

圖5 能量透過率和遮攔比圖 Fig.5 Energy transmission ratio and masking modulus

4 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 小擴(kuò)束鏡筒結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)，小擴(kuò)束鏡筒軸向尺寸為170 mm，兩端徑向尺寸分別為Φ140和Φ36。鏡片通過螺紋壓圈壓靠在鏡座中，通過調(diào)整透鏡和鏡座之間墊片厚度微調(diào)兩透鏡之間的距離。鏡筒中間設(shè)計法蘭盤，平衡自身重量。通過螺釘與卡塞格林?jǐn)U束器連接，中間設(shè)計有調(diào)整墊片用于微調(diào)。與透鏡接觸的金屬材料均為鑄鐵，與ZnSe材料鏡片接觸性能良好。小擴(kuò)束鏡筒結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 小擴(kuò)束結(jié)構(gòu)圖 Fig.6 Structure of small beam expander

4.2 連接結(jié)構(gòu)設(shè)計

為保證小擴(kuò)束和雙鏡卡式擴(kuò)束光軸的重合度，設(shè)計小擴(kuò)束和卡式雙鏡擴(kuò)束器次鏡安裝在一起，整體固定在次鏡支撐架上。如圖4所示，小擴(kuò)束通過螺釘安裝在連接鏡筒上，卡塞格林次鏡通過壓塊和螺釘連接在鏡座上，鏡座通過螺釘連接在鏡筒另一側(cè)。連接鏡筒通過次鏡支撐架與大鏡筒固聯(lián)，連接方式為焊接，保證次鏡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[12-14]。系統(tǒng)裝配結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)裝配圖 Fig.7 System assemble diagram

5 測量實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

5.1 實(shí)驗(yàn)原理

激光在大氣中的傳輸是一個多因素的綜合問題，大氣的溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)力、激光束引起的熱暈等都會影響光束能量的損耗[15]。為保證測量數(shù)據(jù)更接近真實(shí)值，以及測量條件和可操作性，選擇近場測量系統(tǒng)發(fā)射能量。利用能量計測得激光器原始輸出能量W，計算經(jīng)導(dǎo)光光路多次反射后進(jìn)入擴(kuò)束系統(tǒng)的能量W＇。然后進(jìn)行兩組單脈沖能量測試，第一組將小擴(kuò)束鏡頭遮攔，第二組去除遮攔。分別測得傳統(tǒng)卡塞格林?jǐn)U束器和復(fù)合式擴(kuò)束器條件下的系統(tǒng)發(fā)射能量W1和W2。然后求得系統(tǒng)在兩種情況下的能量透過率η1=W1/W＇，η2=W2/W＇以及透過率增加量δ=η2-η1。

5.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

采用設(shè)計好的支撐結(jié)構(gòu)，安裝并調(diào)試完成后，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[16]。將復(fù)合擴(kuò)束器安裝在10.6 μm波長激光發(fā)射系統(tǒng)，采用單脈沖激光發(fā)射模式，經(jīng)復(fù)合擴(kuò)束器發(fā)射，出射光束直徑500 mm。發(fā)射系統(tǒng)出口中心距離地面3 m。為減小大氣對激光透過率的影響，盡量縮短測量距離，同時考慮發(fā)射系統(tǒng)俯仰極限，測量距離選為20 m。用能量計接受測量脈沖能量，能量計接收器的接收口徑為35 mm×40 mm，為使光束全部收入并精確測量減小誤差，需將光束直徑匯聚減小至D<30 mm。在距離發(fā)射系統(tǒng)20 m處架設(shè)550 mm口徑非球面凹面匯聚反射鏡，其焦距為f=3 000 mm，反射鏡中心距離地面1.5 m。經(jīng)計算能量計放于鏡前水平距離L=2.6 m處，此時能量計位于反射鏡焦點(diǎn)附近，反射鏡俯角為12.856°。為保證反射能量全部被能量計接收，試驗(yàn)前在能量計表面覆蓋一層熱敏紙，發(fā)射激光在熱敏紙留下的燒灼痕跡確定能量計位置。實(shí)驗(yàn)原理圖及現(xiàn)場圖如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)原理圖及現(xiàn)場圖 Fig.8 Test principle and scene photo

5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3為實(shí)驗(yàn)測得的兩種情況下的透過能量以及激光器原始出口能量值。

表3 能量測量結(jié)果(單位：J )

由表3可知，無遮攔情況下，接收到的能量平均值為：

(5)

遮攔小擴(kuò)束情況下，接收到的能量平均值為：

(6)

激光器出口能量均值為：

(7)

由激光器出口到進(jìn)入復(fù)合擴(kuò)束器以及經(jīng)過凹面反射鏡，光束共經(jīng)過17次反射，實(shí)驗(yàn)測得反射鏡對10.6 μm激光的反射率為0.939，光束進(jìn)入擴(kuò)束器能量：W′=W×0.93917=7.32 J。

傳統(tǒng)卡塞格林?jǐn)U束器能量透過率：

(8)

復(fù)合式擴(kuò)束器能量透過率：

(9)

新型擴(kuò)束器較原系統(tǒng)能量透過率增加22.12%。

5.4 實(shí)驗(yàn)誤差分析

首先，根據(jù)光學(xué)成像原理，在凹面反射鏡傾斜的情況下，光束沿著非垂直鏡面的方向入射，反射系統(tǒng)的聚焦能力會減弱，匯聚光斑分布呈非對稱彌散斑形式。因此，在這種測量條件下，匯聚光斑邊緣能量有可能溢出能量計接收面范圍。實(shí)際測量值較真值偏小。

其次，凹面鏡作為靶標(biāo)進(jìn)行對準(zhǔn)時，由于其本身無熱量，激光器的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)無法使用，只能采用肉眼觀察紅外跟瞄光束在反射鏡上的位置。因此凹面鏡口徑與系統(tǒng)發(fā)射口徑存在對準(zhǔn)偏差，同時凹面鏡的尺寸與光束直徑相差不大，有溢出凹面鏡的可能，凹面反射鏡接收能量較系統(tǒng)發(fā)射能量偏小。

同時，在實(shí)驗(yàn)操作過程中，光束經(jīng)過多次反射，在控制范圍內(nèi)，鏡片表面灰塵仍然會造成光束散射，多次累積后也會使得測量結(jié)果較真值偏小。因此，該復(fù)合式擴(kuò)束器的能量透過率大于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，即η≥95.21%。

6 結(jié) 論

本文基于卡塞格林?jǐn)U束器和折射式擴(kuò)束器理論，結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，在卡塞格林系統(tǒng)次鏡上設(shè)計通孔，后接伽利略式小擴(kuò)束系統(tǒng)，設(shè)計得到一種新型復(fù)合式擴(kuò)束器，有效消除傳統(tǒng)卡塞格林發(fā)射系統(tǒng)的中心遮攔。應(yīng)用在工程實(shí)際中，通過近場實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證新型擴(kuò)束器在能量透過率方面的性能。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析相吻合，在10.6 μm激光發(fā)射條件下，系統(tǒng)能量透過率大于95.12%，滿足工程需要，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。這種復(fù)合式擴(kuò)束器在沒有破壞卡帶格林系統(tǒng)緊湊性的前提下，很好的解決了卡塞格林?jǐn)U束器的中心遮攔問題，能量透過率比原系統(tǒng)提高22.12%。這些實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)將對目前和今后強(qiáng)激光發(fā)射系統(tǒng)的研究及其發(fā)展提供重要的參考。