復合式無遮攔激光擴束器的設計

盧政偉，邵 帥，馬亞坤

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

1 引 言

在激光通訊，激光制導及激光武器等研究領域里，對發射激光功率要求越來越高。在大功率激光發射系統中，考慮到口徑較大和能量吸收較少的特點，通常采用兩片共軸使用的拋物面反射鏡(即卡塞格林系統)，對激光進行準直，保證系統的入射光和出射光都是平行光并壓縮激光的空間發散角[1-5]。雙鏡卡塞格林系統中，由于次鏡的遮攔導致光束中心部分無法輸出，光能傳輸效率降低的現象被稱為中心遮攔問題。傳統的雙鏡卡塞格林系統由于中心遮攔的存在，會導致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計或將入射光束通過多組鏡片反射變成環形光束后入射到次鏡上，避開中間遮攔區域[6]，以消除中心遮攔。

常用的離軸光路設計方法，使入射光束避開次鏡中間的盲區，全部處在次鏡通光口徑內[7]。這種方法受到激光發射系統主發射口徑大小的限制，尤其在實際工程應用中存在以下應用問題：(1)發射系統機械結構體積龐大；(2)受次鏡口徑限制擴束倍率不能達到預期要求；(3)過大的鏡面使成本呈指數增加。國內其他學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形光束，然后入射到次鏡上避開中間遮攔區域[6]，其弊端是鏡組復雜，安裝定位困難。或者是將兩快拋物面反射鏡離軸非對稱放置[8-9]，雖解決了遮攔問題卻使光路復雜，擴束結構變的龐大。所以在實際應用中急需更優的解決辦法出現。

本文綜合反射式擴束器和折射式擴束器的優點，在大功率長波激光發射模式設定下選擇卡塞格林系統和伽利略擴束器并將其復合到一起，設計形成一種新型無遮攔擴束系統。

2 設計原理

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

圖1 系統光路示意圖 Fig.1 Layout of the system

3 光學系統設計

在某10.6 μm波長激光發射系統中，根據系統整體技術指標要求，設計一種復合式擴束器，用于對10.6 μm激光進行擴束。激光系統中激光到次鏡的光束直徑為100 mm。發射系統主鏡通光口徑為600 mm，擴束倍率5倍。考慮到系統中存在快速反射鏡(如圖2所示)，在一定范圍內的角度轉動導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

設計主鏡近軸曲率半徑為1 500 mm，綜合考慮機械支撐系統剛度對光學系統精度的影響、整體重量的限制、結構空間限制等因素，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。各參數見表1。

表1 反射擴束鏡片尺寸參數(單位：mm)

主鏡拋物面方程為：

(1)

次鏡拋物面方程為：

(2)

根據遮攔系數：

(3)

在次鏡后設計長波小口徑擴束鏡組，采用伽利略式，長波小口徑擴束入射鏡直徑為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，次鏡結構組件最大外徑尺寸149 mm(鏡筒厚2 m)<150 mm，對雙鏡卡式擴束發射激光不產生遮攔。

由以上結構限制推導出的小擴束透鏡最大尺寸，可知小擴束倍率ε=140/35=4倍，雖小于卡塞格林系統擴束倍率，但在保證小擴束和卡塞格林擴束器的光軸重合情況下，遠場光斑重疊，增強了遠距離打擊能力。系統近場出射光斑形狀如圖3所示。

圖3 系統出射光斑圖 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

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

圖4 光學系統及其成像質量 Fig.4 Refract light beam expanding system and image quality

系統發射激光為基模高斯光束，根據其在自由空間的傳輸特性，基模高斯光束在橫截面內的場振幅分布按照高斯函數：

(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的點所定義的光斑半徑。所描述的規律從中心(即傳輸軸線)向外平滑降落，通過計算橫截面內的能量分布可得卡塞格林系統透過能量與遮攔比的關系圖，如圖2所示，在遮攔比為25%時，卡塞格林系統有約70%的能量透過[10-11]。當被遮擋的光束通過小擴束時，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 機械結構設計

4.1 小擴束鏡筒結構設計

根據光學系統設計參數，小擴束鏡筒軸向尺寸為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，通過調整透鏡和鏡座之間墊片厚度微調兩透鏡之間的距離。鏡筒中間設計法蘭盤，平衡自身重量。通過螺釘與卡塞格林擴束器連接，中間設計有調整墊片用于微調。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。小擴束鏡筒結構如圖6所示。

圖6 小擴束結構圖 Fig.6 Structure of small beam expander

4.2 連接結構設計

為保證小擴束和雙鏡卡式擴束光軸的重合度，設計小擴束和卡式雙鏡擴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。連接鏡筒通過次鏡支撐架與大鏡筒固聯，連接方式為焊接，保證次鏡結構的穩定性[12-14]。系統裝配結構如圖7所示。

圖7 系統裝配圖 Fig.7 System assemble diagram

5 測量實驗與結果

5.1 實驗原理

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、風向、風力、激光束引起的熱暈等都會影響光束能量的損耗[15]。為保證測量數據更接近真實值，以及測量條件和可操作性，選擇近場測量系統發射能量。利用能量計測得激光器原始輸出能量W，計算經導光光路多次反射后進入擴束系統的能量W＇。然后進行兩組單脈沖能量測試，第一組將小擴束鏡頭遮攔，第二組去除遮攔。分別測得傳統卡塞格林擴束器和復合式擴束器條件下的系統發射能量W1和W2。然后求得系統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 實驗設計

采用設計好的支撐結構，安裝并調試完成后，進行實驗[16]。將復合擴束器安裝在10.6 μm波長激光發射系統，采用單脈沖激光發射模式，經復合擴束器發射，出射光束直徑500 mm。發射系統出口中心距離地面3 m。為減小大氣對激光透過率的影響，盡量縮短測量距離，同時考慮發射系統俯仰極限，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。在距離發射系統20 m處架設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，試驗前在能量計表面覆蓋一層熱敏紙，發射激光在熱敏紙留下的燒灼痕跡確定能量計位置。實驗原理圖及現場圖如圖8所示。

圖8 實驗原理圖及現場圖 Fig.8 Test principle and scene photo

5.3 實驗結果

表3為實驗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)

由激光器出口到進入復合擴束器以及經過凹面反射鏡，光束共經過17次反射，實驗測得反射鏡對10.6 μm激光的反射率為0.939，光束進入擴束器能量：W′=W×0.93917=7.32 J。

傳統卡塞格林擴束器能量透過率：

(8)

復合式擴束器能量透過率：

(9)

新型擴束器較原系統能量透過率增加22.12%。

5.4 實驗誤差分析

首先，根據光學成像原理，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。實際測量值較真值偏小。

其次，凹面鏡作為靶標進行對準時，由于其本身無熱量，激光器的瞄準系統無法使用，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發射口徑存在對準偏差，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發射能量偏小。

同時，在實驗操作過程中，光束經過多次反射，在控制范圍內，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果較真值偏小。因此，該復合式擴束器的能量透過率大于實驗結果，即η≥95.21%。

6 結 論

本文基于卡塞格林擴束器和折射式擴束器理論，結合兩者的優點，在卡塞格林系統次鏡上設計通孔，后接伽利略式小擴束系統，設計得到一種新型復合式擴束器，有效消除傳統卡塞格林發射系統的中心遮攔。應用在工程實際中，通過近場實驗驗證新型擴束器在能量透過率方面的性能。其實驗結果與理論分析相吻合，在10.6 μm激光發射條件下，系統能量透過率大于95.12%，滿足工程需要，達到預期目標。這種復合式擴束器在沒有破壞卡帶格林系統緊湊性的前提下，很好的解決了卡塞格林擴束器的中心遮攔問題，能量透過率比原系統提高22.12%。這些實驗和數據將對目前和今后強激光發射系統的研究及其發展提供重要的參考。