激光擴束望遠鏡的光學變焦設計1

科技信息○機械與電子○SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION2009年第11期激光擴束望遠鏡的光學變焦設計趙娜劉群華（西安工業(yè)大學陜西省薄膜技術與光學檢測重點實驗室陜西西安710032）【摘要】本文論述了連續(xù)變焦的激光測距望遠鏡的光學系統(tǒng)設計方法，針對λ=1.064μm的YAG激光擴束發(fā)射光學系統(tǒng)進行了具體分析，給出了入射角為5mrad，放大倍率2~10倍連續(xù)可調(diào)的激光擴束器系統(tǒng)的光學系統(tǒng)結構參數(shù)和像質評價結果。【關鍵詞】變焦；激光；擴束望遠鏡systemisanalyzedanddesigned.Onebeamexpanderisgivenwithangleofincidence5mrad,Moreover,the2to10times′rangeofhighratevariablefocusoftheexpandingisachievedbasedonsomecollimationperformance.Imageevaluationandsystemparameterareshownatsametime.【Keywords】Zooming;Laser;Laserbeamexpanding0．引言在激光發(fā)射系統(tǒng)中，為了增大作用距離，就要提高發(fā)射系統(tǒng)的精度，要達到此目的，一方面要提高激光光束的發(fā)散角，另一方面靠提高擴束器發(fā)射系統(tǒng)發(fā)散角的精度，擴束器的倍率越高，發(fā)射系統(tǒng)的精度也越高；為了減小發(fā)射系統(tǒng)的體積和重量，就要增大擴束器物鏡的孔徑角來壓縮筒長，就得要采用高倍率及大孔徑擴束器，這對光學系統(tǒng)的設計、加工和裝配都是非常困難的［1，2，3］。本文對激光器波長λ=1.064μm，放大倍率Γ=2~10連續(xù)可調(diào)，發(fā)散角α=2.5~0.5mrad，口徑Φ=5mm，相對口徑D/f=1/3的擴束器光學系統(tǒng)進行設計，發(fā)射系統(tǒng)的精度要求波面像差優(yōu)于λ/4。對光學系統(tǒng)的設計方法作了論述，并且給出了該系統(tǒng)的設計結構參數(shù)和各種像質評價的結果。在調(diào)焦系統(tǒng)（△=0），有s=-MT(f1+f2)-MT2s'（2）（3）（4）ω0'=MTω0遠場發(fā)散角θ0與束腰間有反比關系，即θ02=1θ01T遠場發(fā)散角被壓縮MT倍，且與物距和像距均無關。當s=f1時，s'=f2，即像方激光束腰位于第二透鏡L2的后焦面上；當s'＞＞f2+f時，s'≈-MT2s，該望遠鏡系統(tǒng)的擴速比：M=ω0'=MT（5）1．設計方案激光擴束系統(tǒng)有2種基本結構，即開普勒擴束器和伽利略擴束器，如圖1（a）和1（b）所示。其中，圖1（a）中前組透鏡的后焦點F1′與后組透鏡的前焦點F2重合；圖1（b）中前組透鏡的前焦點F1與后組透鏡的前焦點F2相重合。實際應用中，除空間濾波必須采用開普勒結構外，一般采用伽利略結構，這種結構不僅結構簡單，能縮小外形尺寸，而且在強功率激光束的場合，由于通過負目鏡時光束發(fā)散，故可避免因正目鏡會聚而產(chǎn)生的空氣擊穿現(xiàn)象和透鏡的損傷［4，5］。一般低倍率的擴束系統(tǒng)都采用伽利略結構來設計。結合望遠系統(tǒng)的激光擴束原理，通過改進紅外變焦距系統(tǒng)來實現(xiàn)，為使結構簡單，只取前固定組、變焦組和補償組三個組元。當變焦組相對于固定組移動時，變焦組與固定組的等效焦距就連續(xù)改變，產(chǎn)生新的焦點。將補償組也設計成可移動的，當變焦組移動到某一位置時，補償組也移動到相應的位置，使新的焦點穩(wěn)定在補償組的焦點上，組合成新的擴束比的擴束系統(tǒng)。綜上，在這里的變焦擴束系統(tǒng)采用相似于伽利略式的結構形式，將各組元定為正負透鏡的組合，使激光束不能過分會聚，同時也縮短了系統(tǒng)的工作距離。同時，為了較好地校正球差、彗差以及帶球差，并考慮到高能激光會對膠合面損傷而不宜采用膠合透鏡，將變焦組和補償組鏡片設計成雙分離式，利用玻璃選擇和空氣間隙的微量變化來校正像差。2．設計實例本文以波長為1.064μm，光束發(fā)散角小于5mrad，光束直徑為5mm。材料選用K9和ZF2玻璃，為獲得系統(tǒng)倍率2～10×連續(xù)可調(diào)，根據(jù)高斯分析及指標要求，設定三個鏡組焦距依次為145、-135、130mm，運用ZEMAX軟件進行光學設計［9］。首先根據(jù)上面這些高斯參數(shù)設定初始結構參數(shù)，先分別進行單個透鏡的優(yōu)化設計，然后組合給出一個可以進行光線追跡的合理光學系統(tǒng)，最后附加一理想拋物面反射鏡來參與整體的像差優(yōu)化和成像質量評價，結合多重結構進行優(yōu)化，得出該擴束光學系統(tǒng)的結構如圖3所示（1）（a）開普勒擴束器（b）伽利略擴束器圖1擴束器的基本結構形式［6］高斯光束通過望遠鏡系統(tǒng)的變換矩陣為［7，8］：m=△△△△△△△△△△MT+△1-△12l1+△T2△△△△△△△△△△式中f1、f2分別表示兩鏡的焦距，兩鏡間距l(xiāng)=f1+f2+△，其中△表示失調(diào)量，MT=-f為望遠鏡的放大率。設入射光束束腰為ω0，焦參數(shù)為f=πω0，物距為s,經(jīng)望遠鏡系統(tǒng)2后變?yōu)槭鼮棣?'、像距為s'的高斯光束。圖3優(yōu)化后的最終光學結構圖2激光通過擴束望遠鏡的傳輸由于激光擴束系統(tǒng)是小像差系統(tǒng)，所以一般用波像差和光學傳遞函數(shù)(MTF)來評價系統(tǒng)的成像質量。設置0°和0.2°兩個視場?？梢钥闯觯瑑蓚€視場點列圖所顯示的彌散斑直徑均遠小于愛里斑直徑，光學傳遞函數(shù)曲線接近了衍射極限，最大波像差均小于0.25波長，全口徑93科技信息○機械與電子○SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION2009年第11期內(nèi)球差小于0.01mm，可見系統(tǒng)像差得到很好的校正，系統(tǒng)像質達到衍射極限。表1優(yōu)化后各組元的結構參數(shù)組別前固定組1,2,3變倍組4,5,6補償組7,8,9目鏡組10求，采用了材料常見、加工簡單的10片普通透鏡來實現(xiàn)2~10×連續(xù)可調(diào)的擴束倍率。該系統(tǒng)具有結構簡單，制作難度小，成本低等優(yōu)點，是一種可被廣泛采用的變焦距激光擴束望遠鏡?？啤緟⒖嘉墨I】圖4點列圖圖5光學傳遞函數(shù)圖60.2°視場時的波像差圖7軸上球差曲線3．結論本文從望遠系統(tǒng)的激光擴束原理入手，結合高斯光學和系統(tǒng)要Dopplerlidar[J].OpticsLetters,2000,25(17):1231-1233.［2］SHEALYDL,CHAOSH.Geometricoptics-baseddesignoflaserbeamshapers[J].OpticalEngineering,2003,42(11):3123-3138.［3］張良.中波紅外變焦距系統(tǒng)的光學設計［J］.應用光學，2006，27(1)：32-34.ZHANGLiang.Opticaldesignformiddleinfraredzoomsystem［J］.JournalofAppliedOptics.2006,27(1)：32-34.［4］李剛，張恒金.紅外兩檔變倍光學系統(tǒng)設計［J］.紅外與激光工程，2006，35(4)：472-475.LIGang,ZHANGHengjin.Designoftheinfraredswitch-zoomopticalsystem［J］.InfraredandLaserEngineering,2006,35(4):472-475.［5］樊麗娜，朱愛敏，劉琳等.激光擴束望遠鏡的光學設計［J］.紅外，2007，28(8)：20-22.FANLi-na,ZHUAi-min,LIULin,etal.Opticaldesignoflaserbeamexpandingtelescope［J］.Infrared,2007,28(8):20-22.［6］鄭盼，楊應平，郜洪云等.基于伽利略結構的二級激光擴束系統(tǒng)的設計［J］.應用光.2008，29(3)：347-350.ZHENGPan,YANGYing-ping,GAOHong-yun,etal.Designoftwo-levellaserbeamexpanderbasedonGalileanstructur［J］.JournalofAppliedOptic.2008,29(3):347-350.［7］呂百達.激光光學光束描述、傳輸變換與光腔技術物理［M］.北京：高等教育出版社，2003，133-141.［8］程潔，孫年春，王正興等.激光擴束望遠鏡的失調(diào)和擴束比［J］.激光技術，1995，19(1)：57-60.［9］ZEMAXDevelopmentCorporation.ZEMAXOpticalDesignProgramUser’sGuide[EB/OL]..2005-02-03.［責任編輯：韓銘］●（上接第55頁）石單晶，它們是經(jīng)觸媒的催化作用，在高溫、高壓下合成的，金剛石的性能在很大程度上取決于晶體的完整性。金剛石屬于脆性材料，對內(nèi)部缺陷，表面狀態(tài)很敏感，在一定溫度下會發(fā)生石墨化轉變，所以，大尺寸的金剛石經(jīng)二次受熱后強度水平的降低程度比小尺寸的金剛石大，鑒于此，合成金剛石時，提高晶粒的完整性，使之具有良好的晶形，減少內(nèi)部缺陷，提高純凈度，不但會相應提高強度水平，更重要的會提高金剛石的穩(wěn)定性，減少缺陷敏感度。2.2用燒結加熱后金剛石強度下降程度嚴重于焊接加熱中的強度下降率，說明了燒結工藝的重要性，在燒結中，燒結溫度、保溫時間、燒結壓力這三要素中，以燒結溫度的影響為最，因而，設計合理的燒結溫度并嚴格準確地控制燒結中的真實溫度，有利于減少金剛石強度的損失。當然也不可忽視高頻焊接對強度的影響，焊接中應盡力減少焊接時間。2.3在實際生產(chǎn)中，從強度因素考慮金剛石的選用時，有必要研究分析金剛石受熱前后強度的損失情況，找出受熱后實際強度同原始名義強度值的差異，以便于根據(jù)實際情況合理選用金剛石的強度，發(fā)揮金剛石的切削性能，降低成本，提高刀具的使用壽命。2.4在實際生產(chǎn)應用中，刀頭因連續(xù)切割也將產(chǎn)生高溫，將會破壞金剛石的強度，因此，實際應用中應注意對刀具的冷卻降溫，才能提高刀具的使用壽命。由于同一粒度范圍內(nèi)的金剛石顆粒尺寸大小存在差異，金剛石性能的各向異性，晶粒完整性，強度測試顆粒數(shù)目即取樣等原因，使靜壓強度測試值的重復性、精度受到一定影響，雖然就目前國內(nèi)金剛石合成技術水平、測試手段來看，普遍采用的GB64063—86中規(guī)定的靜壓強度值的測定方法簡單、經(jīng)濟，仍不失為一種可行的測試方法，但就長遠來看，測試方法應進一步改進完善，以更接近實際生產(chǎn)情況。因國標GB64063—86的方法，測得的金剛石強度值是金剛石完全破碎時所承受的壓力，是一種靜強度，與動態(tài)下金剛石強度值差別較大，在實際生產(chǎn)使用的斷續(xù)切削過程中，金剛石顆粒受到多次沖擊，當受到一定程度時，金剛石產(chǎn)生裂紋，裂紋擴展失穩(wěn)，最終失去切割作用，基于這一實際情況，認為應用沖擊韌性這一指標來反映金剛石的強度水平則與金剛石的真實強度水平較貼近，若能繪出受力時金剛石的應力—應變曲線，則更直接地體現(xiàn)出金剛石的動態(tài)情況，有關這一方面的問題，目前還有待于進一步深入探討和研究?？啤瘛緟⒖嘉墨I】［1］Man-Ma