激光拒止光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

柴利飛 鄭建鋒 黃偉

摘 要：根據(jù)目前激光武器的發(fā)展歷程和研制情況，針對其在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的優(yōu)勢和特點，對激光拒止的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。激光光源為光纖激光器，激光出射口徑3mm，波長1550nm，發(fā)散角小于300？滋rad，采用20倍擴(kuò)束聚焦光學(xué)系統(tǒng)，利用非球面消除光學(xué)系統(tǒng)中球差對遠(yuǎn)場聚焦光斑參數(shù)的影響，可實現(xiàn)50m～300m遠(yuǎn)場聚焦。設(shè)計結(jié)果滿足使用要求，可用于開展激光拒止的研制工作。

關(guān)鍵詞：激光拒止;激光擴(kuò)束;遠(yuǎn)場聚焦;光學(xué)設(shè)計

中圖分類號：TN241 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）15-0001-03

Abstract： According to the development course and development of laser weapon， according to its advantages and characteristics in modern war， the optical system of laser rejection is designed. The laser source is a fiber laser， the laser output aperture is 3 mm， the wavelength is 1550 nm， and the divergence angle is less than 300 μrad. a 20-fold beam expansion focusing optical system is adopted， and the aspheric surface is used to eliminate the influence of spherical aberration on the far-field focusing spot parameters in the optical system. 50m～300m far-field focusing can be realized. The design results meet the application requirements and can be used to carry out the development of laser rejection.

Keywords： laser rejection; laser beam expansion; far-field focusing; optical design

引言

激光技術(shù)在應(yīng)用于軍用儀器的同時，也直接作為武器在發(fā)展。激光武器從能量級別上分高能激光武器和低能激光武器兩類。高能激光武器，又叫強激光武器或激光炮。它是一種大型的或高效率的激光裝置，能發(fā)射極高的激光能量，主要用于摧毀敵方的衛(wèi)星、導(dǎo)彈、飛機和坦克等威力較大的軍事目標(biāo)或大型的武器裝置。低能激光武器，又叫激光輕武器或單兵激光武器。它所發(fā)射的激光能量一般都不太高，是一種小型的激光裝置，它主要用于射擊單個敵人，使之失明、死亡或使其衣服著火而喪失戰(zhàn)斗能力等。

當(dāng)前激光武器關(guān)注的一個熱點問題是關(guān)于激光聚焦特性的研究，激光聚焦特性主要包括實際焦距和幾何焦距（理想平行光焦距）的差異、焦斑大小和焦深的變化。激光束聚焦特性對激光武器有著極其重要的影響，理論與實驗上研究并解決這一關(guān)鍵問題，對激光拒止的研制具有十分重要的意義。

1 激光遠(yuǎn)場聚焦原理及特性

1.1 聚焦原理

激光遠(yuǎn)場聚焦原理如圖1所示。

激光器發(fā)出的激光束近似于平行光，其進(jìn)入凹透鏡發(fā)散后進(jìn)入凸透鏡，當(dāng)兩透鏡的焦點重合時出射平行光，即激光擴(kuò)束。激光擴(kuò)束能夠減小發(fā)散角，有利于激光遠(yuǎn)距離傳輸。激光聚焦系統(tǒng)的目的是將光斑在遠(yuǎn)場進(jìn)行聚焦，獲得較大的功率密度，通過調(diào)節(jié)兩透鏡之間的間距以滿足不同距離處聚焦要求。

距調(diào)整精度要求較高。

1.2 聚焦特性

在幾何光學(xué)的近似下，高斯光束的傳輸與通常傍軸光束的傳輸仍有明顯的差異，對高斯光束的聚焦也不同于幾何光學(xué)中平行光束的聚焦，主要影響是激光束通過聚焦系統(tǒng)后會產(chǎn)生焦點移動，使得聚焦光斑的光強極大值不一定與透鏡焦點重合，光斑大小和焦深也會有所變化。因此，有必要對制約聚焦光斑大小和功率的因素進(jìn)行研究。

1.2.2 大氣衰減

在激光傳輸過程中，激光束與大氣分子、氣溶膠粒子等發(fā)生相互作用，產(chǎn)生線性與非線性效應(yīng)。其中線性效應(yīng)主要有：大氣中的氣體分子和大氣氣溶膠粒子的吸收、散射導(dǎo)致的輻射能量損失，大氣湍流導(dǎo)致的激光束的擴(kuò)展與漂移以及相干變化;非線性效應(yīng)主要是大氣非線性熱畸變和受激拉曼散射。這些因素嚴(yán)重影響激光束的遠(yuǎn)場聚焦特性，使激光束產(chǎn)生漂移，焦距、焦深、焦點功率密度產(chǎn)生變化，對激光遠(yuǎn)場聚焦十分不利。

激光在地面大氣中傳輸，空氣中的氣溶膠以及大氣分子的吸收和散射造成的衰減可以大致模擬計算，我們選取中緯度夏季的大氣模型，氣溶膠類型為鄉(xiāng)村模型，海拔0.2km，傳輸路徑為水平，傳輸距離10km，能見度設(shè)定為3km23km，每隔1km計算一次，計算得到大氣透射率如圖2所示。

1.2.3 透鏡像差

在實際工作中，聚焦光學(xué)系統(tǒng)的像差會使波前發(fā)生畸變，從而導(dǎo)致光斑焦點彌散，光強分布發(fā)生變化。這種變化主要表現(xiàn)在像方光束參數(shù)（束寬、遠(yuǎn)場發(fā)散角和光束質(zhì)量因子（M2））偏離理想情況下的設(shè)計值。多種像差的綜合作用相當(dāng)復(fù)雜，對系統(tǒng)光路調(diào)整帶來極大困難，如果系統(tǒng)入射光線調(diào)整正好位于主軸上，此時球差占主要因素，如果偏離主軸，則是各種軸外像差綜合作用。

聚焦系統(tǒng)的像差是不可避免的，直接影響聚焦的最佳位置，圖3給出了聚焦系統(tǒng)受球差影響時聚焦能量與聚焦位置的關(guān)系。

總之，對于遠(yuǎn)場聚焦而言，影響激光能量耗散的3個主要因素中，大氣衰減無法克服，另外兩個因素可以通過人為進(jìn)行改善。在系統(tǒng)設(shè)計時保留各光學(xué)元件口徑余量，讓系統(tǒng)受限衍射孔盡量大;另一方面，聚焦光學(xué)系統(tǒng)的像差校正尤為重要，需要對變焦距系統(tǒng)進(jìn)行像差校正。

2 設(shè)計實例

激光光源選用光纖激光器，激光器波長1550nm，出光口徑3mm，發(fā)散角小于300？滋rad。我們對激光進(jìn)行20倍擴(kuò)束后再進(jìn)行聚焦，聚焦系統(tǒng)采用3片透鏡的伽利略結(jié)構(gòu)，為了校正像差系統(tǒng)中用到了一個非球面，鏡頭數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

系統(tǒng)中利用焦距為100mm的理想面對擴(kuò)束后光束進(jìn)行成像，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖6、圖7分別給出光學(xué)系統(tǒng)的MTF曲線和軸向像差曲線。為了保證聚焦光斑由很好聚焦特性，系統(tǒng)已經(jīng)對邊緣口徑的球差進(jìn)行額校正，MTF值接近衍射極限，如圖所示。

由聚焦原理可以知道，通過調(diào)整透鏡間的間隔能夠?qū)崿F(xiàn)光束在不同位置處聚焦。光學(xué)系統(tǒng)采用3片透鏡結(jié)構(gòu)，考慮到結(jié)構(gòu)等因素，我們通過調(diào)節(jié)第3片和第2片透鏡之間的距離來實現(xiàn)激光束聚焦。為了得到間距與聚焦位置的對應(yīng)關(guān)系我們采用操作數(shù)GENC（幾何包圍圓能量）對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。表1給出了第3片和第2片透鏡之間間距與聚焦位置的對應(yīng)關(guān)系。

3 系統(tǒng)仿真及試驗

依據(jù)設(shè)計的光學(xué)結(jié)構(gòu)及激光光束的參數(shù)，在LightTools軟件中對遠(yuǎn)場聚焦光斑進(jìn)行仿真計算，能夠得到不同距離處聚焦光斑的大小及能量分布情況，如圖8所示。圖9給出150m處對玻璃鋼材料進(jìn)行的毀傷試驗，針對光斑大小，試驗效果達(dá)到了仿真計算的結(jié)果。

4 結(jié)論

本文闡述了激光遠(yuǎn)場聚焦原理，并對其聚焦特性進(jìn)行了分析，進(jìn)而設(shè)計了一套激光拒止光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)50m～300m遠(yuǎn)場聚焦，并在150m進(jìn)行了驗證試驗，試驗結(jié)果理想，可對后續(xù)開展激光拒止工作提供參考和依據(jù)。

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