一種人眼安全激光器光機系統設計

姚慶香　陳寶華　高雪萍　徐文

摘要：設計一種緊湊型人眼安全激光器的結構裝置，并用Zemax軟件設計用于激光器發射和接收的光學系統。該裝置結構簡單，加工組裝方便，成本低廉，能夠實現批量生產，光學系統很好地控制了激光發散角，滿足測距儀的性能要求。

關鍵詞：人眼安全激光器； 結構裝置； 光學系統

中圖分類號： O 436 文獻標志碼： A doi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.06.016

Abstract：A compact structure for an eyesafe laser， and the transmitting and receiving section of the optical system are designed by Zemax software. It can be easily assembled and mass produced based on a simple structure.The cost of this device is low. The optical system can control the divergence angle of the laser， and meet the performance requirements.

Keywords： eyesafe laser； structure device； optical system

引 言

目前廣泛使用的1.06 μm激光測距儀容易帶來人眼損傷甚至致盲的危險，因此各國競相研制新的人眼安全激光測距儀[1]。研究表明：波長1.5～1.6 μm的激光在輻射人眼時大部分會被晶狀體吸收，只有小部分到達視網膜，對人眼損傷低，因此這一波段內的激光被稱為人眼安全激光。為了攜帶方便和測距靈活，研制小型化、輕量化的人眼安全激光測距儀已成為國內熱點，其中人眼安全激光器的結構大小對測距儀整體尺寸有著較大影響，因此激光器結構的研制在測距儀整個設計中占有重要的作用。

本文設計一種緊湊型人眼安全激光器的結構裝置，該結構選用鋁材，能夠減輕整體重量，裝置將調Q晶體Cr4+YAG、工作物質NdYAG晶體和非線性晶體KTP緊密結合，有效減少了整體長度。用Zemax軟件設計用于激光器發射和接收的光學系統，將激光發散角控制在1 mrad以下。

1 原理

如圖1所示的1.57 μm人眼安全激光器工作原理圖[2]，從左至右分別為全反鏡，可飽和調Q晶體摻鉻釔鋁石榴石（Cr4+YAG），工作物質摻釹釔鋁石榴石（NdYAG），泵浦源氙燈和倍頻晶體磷酸氧鈦鉀（KTP）。其中全反鏡鍍1.06 μm的全反膜，Cr4+YAG晶體的透過率為33%，KTP晶體的左表面鍍1.06 μm的增透膜和1.57 μm 的高反膜，右表面鍍1.06 μm的高反膜和1.57 μm 的半透膜。在結構設計中，將Cr4+YAG晶體、NdYAG晶體和KTP晶體各部件緊密結合，縮短激光器的長度。

2 結構

圖2和圖3所示為根據圖1各工作元件和結構設計的緊湊、輕便型人眼安全激光器裝置 [3]。該結構所選材料為鋁制。在圖3剖面視圖中，1為全反射鏡座固定部件，2為被動調Q晶體Cr4+YAG和工作物質NdYAG的連接件，3為激光器外殼，4是磷酸氧鈦鉀（KTP）晶體的固體部件。

圖4為人眼安全激光器各部件結構圖，其中（a）為全反射鏡座的固定部件，101為全反射鏡的固定孔，102為調整墊，調整墊厚度易于打磨，可用于平行性調節，103為通孔，螺絲通過通孔將反射鏡座和被動調Q和工作物質連接件組裝在一起。201為Cr4+YAG的安放位置孔，202是NdYAG的固定孔，203為螺紋孔，204為通孔，螺絲通過通孔連接激光器外殼左側的內置螺紋孔，并固定部件（b）和激光器外殼（c），205為氙燈固定槽。激光器外殼內部安置氙燈，其中301為螺紋孔，連接KTP固定部件（d），302是氙燈引線孔。在圖4（d）中401為安放KTP晶體的方孔，402是通孔，螺絲通過通孔連接激光器外殼上右側的三個螺紋孔，并固定激光器外殼（c）和KTP固定部件（d）。KTP晶體兩面鍍膜，取代了一面諧振腔，從而進一步壓縮了人眼安全激光器的整體長度，用鋁作為激光器外殼的材料，既控制了成本又減輕了激光器的重量。

3 光學系統設計

3.1 系統設計

光學系統設計的目標是將1.57 μm激光光束，5 mrad的發散角壓縮到1 mrad以下，而且該系統必須能夠很好地校正光束各類像差，如球差、彗差、像散以及垂軸色差等[4]。同時考慮到測距儀要求加工、組裝方便等特點，本文采用一個單透鏡和一組雙膠合透鏡的組合結構作為激光器的發射和接收部分[5]，利用Zemax的優化功能設計出如圖5的光學系統，從表1中可以看出各個透鏡都是常用玻璃且為球面，有利于機械加工和成本控制。

3.2 像質評價

從系統點列圖和調制傳遞函數（MTF）評價設計的光學系統。

圖6點列圖中的艾里斑半徑為4.392 μm，從圖中可以看出系統各個視場的均方根半徑都小于3 μm，根據設計經驗，當點列圖中彌散斑的80%集中于艾里斑半徑之內，可以認為系統是完善的。從圖7中可以看出，在50 lp/mm處的MTF為0.75，接近衍射極限。綜上所述該光學系統設計合理，加工容易，成本低廉，可以用于人眼安全激光器的發射和接收部分。

4 結 論

本文給出一種緊湊型人眼安全激光器的結構裝置，該結構選擇鋁作為材料，能夠減輕整體重量。此裝置將調Q晶體Cr4+YAG、工作物質NdYAG晶體和非線性晶體KTP緊密結合，有效減少了整體長度，能夠實現測距儀的小型化和輕量化。用Zemax軟件設計了激光器的光學系統，并通過分析得知該光學系統各項指標符合測距儀的性能要求，可以用于人眼安全激光器的發射和接收。

參考文獻：

[1]時順森，金鋒，翟剛，等.二極管泵浦人眼安全1.57 μm OPO激光器[C].第十五屆全國紅外科學技術交流會暨全國光電技術學術交流會，2001.

[2]牛志強，李宇飛，孫渝明，等.1.57 μm內腔式OPO激光輸出特性的研究[J].光電子·激光，2006，17（5）：641643.

[3]姚慶香，陳寶華，吳泉英，等.蘇州科技學院；蘇州億帝電子科技有限公司；蘇州一光儀器有限公司；一種人眼安全激光器的固定裝置[P].中國實用新型專利.江蘇；32，201420823344，201556.

[4]柳麗群，吳泉英，范君柳，等.對稱式人眼安全激光測距儀光學系統的設計[J].激光與光電子學進展，2013，50（6）：119124.

[5]遲澤英，陳文建.應用光學與光學設計基礎[M].南京：東南大學出版社，2008.316318.

（編輯：張 磊）