大视场反射式激光扩束系统光学设计_衣同胜 投稿:任共兲

第33卷第6期2012年11月应 用 光 学JournalofAliedOtics pppVol.33No.6Nov.2012()文章编号:10022082201206115606---大视场反射式激光扩束系统光学设计3,衣同胜1,吴从均2,颜昌翔2…

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第33卷第6期2012年11月应 用 光 学

JournalofAliedOtics   pppVol.33No.6

Nov.2012

()文章编号:10022082201206115606---

大视场反射式激光扩束系统光学设计

,衣同胜1,吴从均2,颜昌翔2,于 平2(辽宁省葫芦岛市3葫芦岛11.2941部队91分队,辽宁,25000;

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所空间光学部,吉林,长春12.30033;

)3.中国科学院研究生院北京100039

摘 要:激光扫描捕获系统通过对激光光源进行扩束变换,压缩光源的发散角度,可减少在远距离传输中的能量损失。为满足某通信实验需要,设计一种放大倍率为1光源扫描视场为0倍,的小型扩束系统。系统要求在1全48°×40°550nm、1064nm、800nm和632.8nm激光波段,  (,视场范围内波像差RMS不大于0.且无中心遮拦。通过计算初始结构参数,1=632.8nm)λλ

,利用Z采用4片反射式非球面进行设计,全系统体积约为9波emax软件优化,0×100×60mm

,像差最大为0.满足系统尺寸和像质要求,整个系统光能透过率约为9满足透过率大于0952%,λ85%的设计要求。

关键词:望远结构;激光通信;大视场;激光扩束;光学设计

:/中图分类号:TN24;TH703      文献标志码:A      doi10.5768JAO201233.0607003

Oticaldesinofwidefieldlaserbeam      pg

withreflectionmethodexander   p

12322

,YITonshenConunYANChanxianYUPin - - - gg,WUgjgg,g

(;1.Element91,Unit32941ofPLA,Huludao125000,China2.MinistrofSace     yp 

,,,;OticsChanchunInstituteofOticsFineMechanicsandPhsicsCAS,Chanchun130033,China       pgpy

,)3.GraduateUniversitofChineseAcademofSciencesBeiin100039,China    yyjg   

:,AbstractLaserbeamexanderisusedtocomressthelaserdiverenceanleinordertore             -ppggducetheenerlosininlondistancescanninacuisitionsstem.Tomeetthereuirements        gygggqyq    ,ofthelasercommunicationexerimentalaserbeamexandersstem wasdesined.Thess          -ppygy

,temhas10timesmanificationand48°×40°workinfieldwhichisusedin1550nm,1064           gg nm,800nmand632.8nmlaserwavebands(632.8nm wavebandismainlusedforsstem        yy ),.AfterthecalculationofstructrueandtheotimizationbZemaxtestrimararameters         pypyp  ,fourconicmirrorswereusedtocomosethesstem.Considerinthetolerencethesstems          pygy ((wavefrontaberrationWFE)is0.095=632.8nm)thatsatisfiesthereuirementofmaxium   λλ    q

3 

theRMSofWFE<0.1.Ithasatotalsizeof90×100×60mmandtransmissionofabout   λ         

92%,whichalsomeetsthe85%transmissiondemand.     

:;;;;Kewordstelescoestructurelasercommunicationwidefieldlaserbeamexanderotical     pppy desing

;收稿日期:2012070420120802-- 修回日期:--

,作者简介:衣同胜(辽宁葫芦岛人,硕士研究生,高级工程师,主要从事靶场测量总体工作。1964-):论文联系人:吴从均 E-mailwcun1002@yahoo.com.cnj

()应用光学 2等:大视场反射式激光扩束系统光学设计012,336 衣同胜,

·1157·

引言

激光光源具有单色性高、方向性好、相干性强、高能量等诸多优点,在激光通信、激光测速、激光测距、激光加工、激光准直、激光定位、激光

1]

。激光扩束系统雷达等领域内得到广泛应用[

远距离物空间扫描。当远距离传输的右端发现扫描信号后,会通过快速扫描镜面和相关的姿态调整设备实现双向瞄准,准确完成空间目标定位。上述过程类似于一般激光通信过程的简单模拟。在设计时必须保证系统的出瞳位置在出射光栏处。

通过变换激光的入射口径和视场大小,实现激光的高斯变换,从而在远距离传输中减少能量损失,是激光雷达、激光通信、激光扫描捕获等设备

23]-

,必不可少的光学系统[在一些设备中激光扩

束和激光压缩系统共用一套系统,同时实现激光的接收和发射,有些情况下为适应不同应用条件

45]-

。激光扩束结构还采用变焦形式的扩束系统[

图1 激光双向扫描捕获原理图

Fig.1 Princilediaramofdualdirectionscanninsstem   - pggy 

形式有伽利略和开普勒结构形式,二者都是望远镜结构形式的缩影。根据应用条件和扩束要求,扩束系统可以采用折射式、反射式或者折反射结

6]

。相比较而言,合的光学结构[折射结构设计简

1.2 设计指标要求

设计中视场要求受到快速扫描镜(转动FSM)根据所选用的F转动范围在两维空范围限制,SM,((,间范围内分别为4和4发8°X方向)0°Y方向)射激光为1mm口径而且激光发散角很小,可视为平行光对待,激光波段为632.8nm,810nm,1064 激光nm和1550nm,632.8nm为系统检测波长, 出射口径不小于1系统设0mm。根据上述分析,计指标如表1所示。

表1 光学设计参数

Table1 Desinarametersofoticalsstem     gppy激光波段发射口径出瞳位置视场出射口径透过率

632.8nm,810nm,1064nm,1550nm  

1mm±0.05mm物镜第一面前150mm以外

48°×40°10mm±0.5mm

85≥0.

加工装调都相对容易,但是实用口径小,反射单、

7]

;式多应用在大口径条件下[对于可以使用多个

激光波段的扩束结构而言,色差是系统最麻烦的一个问题,透射式结构必须采用复消色差结构对色差进行校正,这样会造成镜面数量增多,质量大等特点,反射式由于没有色差问题可以很好地满足多波长使用条件;随着非球面加工水平的提高,反式结构形式逐渐得到重视和应用,而且其成本也在逐渐降低。

开普勒形式扩束结构中间有实际像面可以很容易控制系统杂光,但是如果激光能量较高,容易改变空气的折射率造成击穿空气或者加热空气,

8]

,分布最终影响像质[伽利略结构没有中心像点

开普勒结构镜可以克服这一难点。相比较而言,

9]

。本文根据实筒较长,而伽利略结构相对较短[

实  表1中仅仅给出了一般常用的一级光学参数,

本系统像质要求不能际中必须对像质要求进行说明,

用一般的MT而是采用F或者点列斑形式进行评价,波像差分析,但是必须注意的是应尽量保证点斑形状使光学系统在二维空间的2个方向分辨率尽为圆形,

]10

。系统波像差要求见表2所示。量相等[

际应用设计一个用于1mm口径大小,10倍扩束比例使用于不同激光波段的扩束系统,该系统能够很好地满足应用条件。

1 设计指标

1.1 激光扩束扫描原理

激光双向扫描捕获系统的结构原理示意图如图1所示,整个系统由两套结构形式完全相同且应用对称组成。发射系统发射的光信号,在快)速扫描镜(的作用下,实现对faststeerinmirror g 

表2 光学系统像质要求

Table2 Imaeualitofoticalsstem    gqypy 视场位置中心视场边缘视场40°

边缘视场48°

/12λ

/10λ/8λ

波像差RMS 

PV/3λ

/2λ/2λ

·1158·

()应用光学 2等:大视场反射式激光扩束系统光学设计012,336 衣同胜,

2 光学系统设计

2.1 初始结构选型

扩束系统是一个倒置的无焦系统,也是由物镜和目镜构成。物镜的特点是口径大视场小,而目镜正好相反

[11]

波段,因此选择透射式形式色差是一个不可避免的问题,消除色差问题必须采用胶合镜面,而且这种色差校正也只能在几个特定的波段进行严格的校正,限制了本系统的实用范围,严格的复消色差设计方法,要求的镜面数量较多;反射式结构形式,由于没有色差问题的存在,给本设计提供了一个很好的思路,但要求中视场较大,给设计带来一定困难。本系统的孔径相对较小,采用非球面镜将目镜和物镜进行整体优化设计时能够对几面,

种像差进行一定程度的校正。因此选择反射结构进行系统设计。

。二者在设计时一般分别做优

化。目镜的设计采用倒置的形式进行像差校正分析,最后通过光瞳对接和视场匹配关系组合成完整的望远镜结构形式。很多文献、书籍中都对无焦系统进行过详细的设计分析,但是更多的是仅仅限于同轴情况下透射系统。离轴反射系统设计步骤和同轴系统基本一致,一般都是采用同轴设计方式建立像差和物象关系,通过计算确定初始结构,根据系统视场和孔径大小,系统采用视场或者孔径离轴的方式进行离轴优化分析得到满足像真正的离轴像差分析相对较难,采质要求的结果,

12]用离轴像质和物像关系确定初始结构[过程繁

3 光学系统设计分析

3.1 目镜和物镜优化设计

扩束系统是一个无焦系统的倒置形式,根据光的可逆性,设计时采用正向设计思路,首先对物镜进行设计分析,并对像质进行校正。很多离轴三反的形式可以作为初始模型,在文献[中,对13]于离轴三反给出了明确的设计方法,通过选择预可以得到同先设定的焦距和镜面间距进行计算,

轴三反形式的初始结构,再对系统的视场或者孔径进行离轴,实现无遮拦,最后利用非球面系数进行像差校正。

]采用文献[中的方法,选择初始结构,对系13设计得到物镜结构形式如统进行离轴优化设计,图3所示。

琐,实用性不大。另外,在离轴情况下光学软件给出的一些功能性说明也不够准确,例如畸变等。

一般设计中扩束和压扩系统都采用伽利略或者开普勒结构形式。伽利略和开普勒结构形式如图2所示。根据本系统设计特点出瞳在第一面物镜前方,入瞳位置在快速扫描镜位置。假设入瞳位置为要想使整个系统的出瞳位置在物镜前方,则通过l1,

,扩束系统后入瞳像面位置必须大于1通过简单50伽利略结构形式不可能实现的物像关系可以知道,

也就是系统的出瞳位置在第出瞳位置在物镜前方,

考虑本系统应用的激光光强大小,一面物镜的前方,

不至于造成空气击穿和加热等情况,因此设计中能够选择的结构形式为开普勒结构

图3 激光扩束系统物镜形式Fi.3 Obectlensofbeamexander    gjp

该物镜中存在一次像面,而这样做的主要目从而减小整体的尺的是通过增大主镜的光焦度,寸,最终设计结果的像质如图4所示。

从上面的设计结果可以看出,中心点波像差的RMS约为0.边缘点的波像差约为0.033λ,056。32.8nm)λ(λ=6

图2 光学结构Fi.2 Oticalstructure gp

目镜的设计不能单独优化,只需要根据要求的扩束比例计算出目镜的曲率半径即可。在上面的设计中,物镜的焦距大小为-2因此对于96mm,目镜的曲率半径约为510倍扩束要求,9.2mm。

2.2 光学结构分析

根据系统特点,系统要求使用在不同的激光

()应用光学 2等:

大视场反射式激光扩束系统光学设计012,336 衣同胜,

·1159·

出瞳距离四镜8mm,0mm左右。

图6 波像差

图4 波像差Fi.4 WFEg

Fi.6 WFEg

表3 激光扩束系统光学参数Table3 Parametersofbeamexander    p

镜面曲率半非球面元件离轴元件倾序号径/mm

系数

孔径孔径离轴

量/mm30.55.510-22.5

3.2 扩束系统整体优化

将上述目镜和物镜结合后适当调整离轴角避免光束之间的相互遮挡,采用非度和离轴量,

球面系数和半径作为变量,对系统进行优化设计分析,得到系统的整体光路结构形式如图5所得到的扩束系统是示。只是在这种设计情况下,倒逆形式。

()/量/mm斜量/°mm

0.3 2.3 0.3 

20 8 32 52

1-110.38-0.907-26 2-17.65-1.43

-26 

-42-0.145-26 

41.23-0.4-31.3335 6 6. 

3.4 像质分析

根据现有的加工水平,在表4中给出每一个镜面的面型加工误差。

表4 镜面的加工面型误差Table4 Surfaceerrorsoffourmirrors     

图5 激光扩束系统图

Fi.5 Wholeoticalsstemoflaserbeamexander      gpyp

镜面序号

1 

2 

3 

////面型(32.8nm)1801006550λ=6 1 1 1

。在上述结构形式中,视场离轴大小为1.75°像质情况如图6所示,从图6中可以看出,全视场内波像差最大值为0.中心点的波像差大小068λ,(),如图6所示,约为0.各b0081λ(32.8nm) λ=6个镜面的光学参数如表3所示(镜面序号根据光路。全系统(通过顺序编号)不含入瞳光栏面)尺寸

。系统入瞳距离主镜1约为90×100×60mm50

32.8nm、800  系统要求应用的激光波段在6

。1064nm、1550nm(632.8nm检测使用)nm、  根据波像差的均方根合成方法,整个系统的波像差可以根据下面的公式进行计算:

22222

()=1设计+加工+装调+环境+其他σσσσσσ

()式中每一项是由几个元件对系统波像差总贡1

·1160·

()应用光学 2等:大视场反射式激光扩束系统光学设计012,336 衣同胜,

献合成的,如机械加工带入系统的波像差可表示为

2222

加工1+加工2+加工3+加工4σσσσσ=[:Mal.OticaltechnicalmanualM].Beiinechani  -pjg,()calIndustrPress1987.inChinese  y 

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(下转第1184页)

()2

利用上面的分析,在没有考虑装调和环境变化以及其他影响下,系统设计和加工波像差计算结果如下式。必须指出的是系统镜面半径以及非球面系数、元件偏心和倾斜带来的加工误差,在精密装调下可以得到补偿。

22222140+150+130+125=中心=λ+0.008σ()

0.062λ

()3

22222140+150+130+125=边缘=λ+0.068σ()

0.091λ

()4

如果考虑环境和装调各引入0.02λ的波像差最终波像差大小如下:后,

+2×))0.0620.02=0.0685中心=σλλ((

22

)0.091+2×0.02=0.0956边缘=σλλ(()

从上面的设计结果和分析中可以看出满足)波像差的要求。系统单个反射镜的反0.1RMSλ(因此,总透过率约为9大于射率大于98%,2%,85%的透过率设计要求。

4 结论

文中根据实际应用需求,设计了一个扫面范围很大的扩束系统,给出了详细的光学设计过程和最终像质分析。通过像质分析可以看出,系统能够满足指标每次扫要求的波像差均方根为0.1λ。在实际应用中,描仅仅使用一个单独的视场,因此每一个镜面仅仅使用很小的一个范围,在这个很小的范围内面型会更加理想,文中给出的面型误差是整个镜面的面型加工误差,因此整个系统按照这样的要求加工和装调以后,在实际应用中波像差会更小。因此不管从设计的角度还是从实际应用角度来讲,该系统都能满足上述扫描要求。透过率约为9远大于82%,5%的设计要求。必须说明的是,上述系统仅仅使用在激光光强较小系统中,而对于4片非球面反射镜的装调则是实际应用中的一个最大难题。参考文献:

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(上接第1160页)

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