激光扩束望远镜的光学设计.doc

激光扩束望远镜的光学设计文章编号t1672-8785(2007)08-0020-03激光扩束望远镜的光学设计樊丽娜1,朱爱敏1,刘琳2,吴泉英(1.苏州科技学院基础实验教学中心,苏州215009;2.苏州大学物理科学与技术学院,苏州215006)摘要:介绍激光扩束原理,阐述望远镜系统扩展高斯光束的规律.通过分析不同激光扩束望远镜系统的特性,选用卡塞格林系统来实现强脉冲激光发射系统的设计要求,设计结果不仅满足准直性要求,并且在目标距离处的光斑大小具有一定的可调节性.关键词:强脉冲激光;发射系统;扩束望远镜中图分类号:TN249文献标识码:AOpticalDesignofLaserBeamExpandingTelescopeFANLi.na.ZHUAi.rain,LIULin2.WUQuan.ying(1.LaboratoryCenter,UniversityofScienceandTechnology0fSuzhou,Suzhou215009,China;2.SchoolofPhysicalScienceandTechnology,SuzhouUniversity,Suzhou215006,China)Abstract:TheprincipleoflaserbeamexpasionispresentedandtheexpandingruleofaGuassbeamthroughatelescopesystemisexplained.Afterthecharacteristicsofseveraldifferentlaserbeamexpandingtelescopesystemsareanalyzed,theCassegrainsystemisselectedtomeetthedesignrequirementofanintensivepulsedlasertransmittersystem.ThedesignresulthasshownthatthisopticaldesignCannotonlymeettherequirementofcollimation,butalsohasatunabilityforthebeamwidthatacertaindistance.Keywords:intensivepulsedlaser;transmittersystem;beamexpandingtelescope1引言在激光发射系统中,为了增大作用距离,要求减小光束的发散角.因此,在发射系统中常采用扩束望远镜来扩展激光光束,达到系统的准直性要求.与一般的发射系统相比,强脉冲激光发射系统对光学系统的整体性能提出了更高的要求,不仅要求光学系统的准直性好,而且要求整个光学系统具有高抗光损阈值,高反射率,热变形小等特点.此外,在实际应用中还要求目标距离处的光斑尺寸具有可调节性.2望远镜系统的激光扩束原理激光扩束器的设计中常采用倒置的望远镜m=(击f+式中,2分别表示两镜的焦距,两镜间距f=fl+,2+A,其中A表示失调量,=一孚为望远镜的放大率.一设入射光束束腰为,焦参数为f=-._v0,物距为s,经望远镜系统后变为束腰为6,像距为s的高斯光束.收稿日期.2007-05-438基金项目:苏州科技学院院基金资助项目”新型激光扩柬器的研究”(Z857)作者简介t樊丽娜(19so),女,山西榆次人,助理实验师,硕士,主要从事光电器件和激光技术的研究.INFRARED(MONTHLY)/VOL.28,NO8,AUG2007图1激光通过扩束望远镜的传输对于调焦系统(A=0),有s=一(,1+,2)一s(2)u=IIu.(3)远场发散角与束腰间有反比关系,即1.高.(4)远场发散角被压缩JJ倍,且与物距和像距均无关.当8=,1时,8=,2,即像方激光束腰位于第二透镜L的后焦面上;当s,1+,2时,s一s,该望远镜系统的扩束比M=03o=IMTI(5)3几种激光扩束望远镜的特性分析3.1折射式扩束望远镜系统使用透镜作物镜的望远系统称为折射式望远镜,根据不同的目镜类型可分为伽利略望远镜系统(图2)和开普勒望远镜系统(图3).L2图2伽利略望远镜系统L2图3开普勒望远镜系统由于伽利略望远镜系统具有结构简单,筒长短,价格低等优点,一般低倍率的扩束镜都采用伽利略扩束原理制造,其局限性在于不能容纳空间滤波或进行大倍率的扩束.而开普勒望远镜系统可以配合空间滤波片使用,使非对称光束分布变为对称分布,并可使激光能量分布得更加均匀.3.2反射式扩束望远镜系统反射式望远镜系统是指用凹面反射镜作物镜的望远镜系统,与折射式望远镜系统相比具有大口径,无色差,传输效率高等优点,已得到广泛的应用.在激光扩束器设计和制造中应用较广的有无焦格里格利系统(图4)和无焦卡塞格林系统(图5),图中1代表次镜,2代表主镜.22图4格里格利系统图5卡塞格林系统反射式望远镜系统在光学性能方面的最大缺点是存在各种像差,应用中可采用非球面的不同组合,实现不同的消像差能力,激光扩束望远镜中最常用的是抛物面.采用主,次镜均为凹抛物面的无焦格里格利系统可同时消球差,彗差,像散和畸变【4】.而采用次镜为凸抛物面,主镜为凹抛物面的无焦卡塞格林系统无法完全消除畸变,但筒长具有可压缩的优点.4设计实例4.1设计要求强脉冲激光发射系统的工作波长为=10.6#m,入射光束口径D50ram,要求出射光束口径D=200mm,在距离激光器100m范围INFRARED(MONTHLY)/VOL.28,No.8,AuG2007童0:LLfli0_0;题0:_l0_.-一随内,激光光束的口径D250mm,在100m的目标距离处光斑大小具有一定的可调节性.4.2选型在强激光的传输中,可采用伽利略望远镜系统或无焦卡塞格林系统来避免产生实际的会聚点.由于出射光束直径较大,且反射系统便于进行冷却,故采用了图5所示的无焦卡塞格林系统.4.3分析与讨论根据输入光束和输出光束的参数确定扩束比为4,在确定了发射主镜的焦距后,两块抛物面反射镜的顶点半径和两镜间距即可由高斯光学计算出.考虑到光学系统的长度及非球面加工的因素,初步设定发射主镜的焦距为500mm,具体结构如图5所示,参数如表1所示.表1序号半径r(mm)间距d(mm)口径(mm)面形1250-37550抛物面21000200抛物面由于该发射系统是对强脉冲激光进行扩柬,因此对整个光学系统的加工工艺提出了较高的要求.光学面加工的面形误差要控制在工作波长的1/10以内.反射镜的材料选用光学加工性能好,热膨胀系数小,热导率高的单晶硅材料.在两块反射镜中,次镜的面积为主镜面积的1/4倍,因而次镜上的能量密度高于主镜,次镜的光学加工质量就显得更加重要.4.4设计结果与参数匹配目标距离处光斑大小的调节是通过微调主次镜间的距离来实现的.当束腰位置确定时,强脉冲激光发射系统的主镜焦距要和次镜的调节灵敏度互相匹配.由给出的输入光束的数据,以发散角为0.75mrad为例,若输入光束口径D=50mm,根据高斯光束传播规律可计算出入射光束的束腰大小为4.5mm,束腰位置在次镜左方约32797mm处.在上述束腰位置确定不变的情况下,通过微调次镜与主镜间的距离可以使100m处的光斑大小连续变化.由于扩束比一定,次镜焦距由主镜焦距确定,因此次镜调节引起光斑大小的变化速率与主镜的焦距有关,举例如下.表2给出了主镜焦距为600mm时的光学系统结构参数.表3给出厂主镜焦距为500mm时,即结构参数如表1所示时,次镜微调时lOOm处光斑大小变化的情况.表4给出了结构参数取表2中的参数时,微调次镜时100m处光斑大小变化的情况.对比表3和表4,可看到主镜焦距大小对次镜调节灵敏度的影响.在光学系统设计中需要考虑主镜焦距与次镜调节灵敏度的匹配.表2序号半径r(mm)间距d(mm)口径(mm)面形130045050抛物面21200200抛物面表3间距d(mm)光斑半径(mm)375.0118.76375.598.80376.078.84表4间距d(mm)光斑半径(mm)450.0118.82450.5104.96451.091.105结论根据激光扩束原理和望远镜系统扩展高斯光束的规律,设计了强脉冲激光发射系统,使用双抛物面反射镜的结构达到其要求的性能指标.设计分析表明,主镜焦距会影响次镜微调时目标距离处光斑大小的变化速率.因此,设计时两者需要互相匹配以满足准直性要求,并使目标距离处的光斑大小具有一定的可调节性.参考文献11吕百达.激光光学光束描述,传输变换与光腔技术物理1_北京:高等教育出版社,2003,133141