激光准直特性在主动式激光侦察告警系统设计中的应用探讨

李广东，张海庄，王德飞，刘志林

(1.中国人民解放军63893部队，河南 洛阳 471003;2.中国人民解放军63889部队，河南 孟州 454750)

0 引言

随着激光技术的广泛应用，激光束传输与变换已经成为激光光学中的一个重要研究课题［1-8］，越来越多的激光物理试验对激光高斯光束的指向稳定性提出了严格的要求［9-17］。在许多实际应用技术中，需要在一定范围内调节高斯光束准直光斑的大小。例如，主动式激光侦察告警系统在探测远距离目标时的作用距离，首先取决于激光发射系统发射的激光束质量［18］。为改善光束的方向性，提高远距离目标处的激光能量密度，需要压缩高斯光束发散角，使其与探测系统的跟踪精度相匹配。在满足发散角和光束宽度的前提下，要求系统的准直倍率具有可调性，以便于探测系统能够根据距离远近来完成相应的光斑尺寸的调节。针对主动式激光侦察告警系统的设计，从理论上探讨了光斑调节方法，其输出近似为基横模高斯光束，能够在一定范围内调节准直光斑大小，即通过沿光轴移动望远镜系统位置来改变光斑的准直倍率，以满足激光探测系统的调节需要。

1 主动式激光侦察告警系统效应模型

主动式激光侦察告警系统的工作原理是:主动发射准直高斯激光束对作战区域扫描，光波直接作用到敌方光电探测设备光敏面上，利用敌方探测系统存在的“猫眼”效应，即入射光束经光学系统到达“眼底”(探测器光敏面)后，由于“眼底”的反射作用，使反射光束沿入射方向返回，对敌方光电探测设备的工作特征进行识别分析。主动式激光侦察告警系统一般配有回波信号处理装置和测距装置，根据回波信号的强度并结合测距信息，可区分敌方光电探测设备是离焦系统还是焦平面系统，离焦系统多用于激光导引头和激光角跟踪设备，焦平面系统多用于成像探测设备。

根据激光的准直特性和远场传播特性，可将激光束视为平行光束，“猫眼”光学系统可简化为单透镜和一个平面反射镜组成的理想光学系统，根据平面反射的对称特性作轴向展开，其光束传播路径如图1所示。图1中实线表示探测器光敏面，虚线表示焦平面位置，阴影区域为损耗部分，其余区域为通过光学系统并有效反射的部分。设探测器光敏面与焦平面的位置偏差(即离焦量)为δ，定义光敏面位于焦平面左侧时，δ＜0，反之 δ＞0。图1中分别绘出了离焦量 δ=0、δ＜0、δ＞0的3种情形。显然，δ=0时，光束原路返回，δ＜0及δ＞0时，光束发散。

图1 “猫眼”系统光学传播路径Fig.1 Optical transmission path of“Cat Eye”system

入射光束与接收系统轴向夹角为φ，口径为D，焦距为f，光敏面尺寸为d，则焦平面系统视场角为

对于离焦系统，定义光敏面上光斑外缘与光敏面外缘重合时的入射光束圆锥角为视场角，则其视场角为

假定入射光束在“猫眼”光学系统视场内，且入射光为严格的平行光，可利用几何光学的光线追迹［19］理论，得到“猫眼”光学系统的光束能量通过率η、出射光束发散角θ1。

2 主动式激光侦察告警系统高斯光束准直倍率的影响因素

所谓高斯光束的准直，就是改善光束的方向性，压缩光束的发散角。高斯光束的远场发散角θ与光束束腰半径 ω0的关系为［20］

式中:λ为入射激光的波长;π为常数。由式(3)可知，束腰半径越大，远场发散角越小。由高斯光束聚焦特点可知，当入射光的束腰处在透镜的焦距附近时，出射光的束腰半径和入射光的束腰半径成反比［20］。因此，如果预先用一个短焦距的透镜将高斯光束聚焦，以便获得极小的光斑，然后再用一个长焦距的透镜来改善其方向性，就可得到很好的准直效果。图2所示的第1个透镜是短焦距的凸透镜，利用它先把入射光束的束腰半径由ω0缩小到ω0'。第2个透镜是长焦距凸透镜，它的焦平面近似与ω0'的位置重合。由于ω0'＜ω0，故这样得到的ω0″比直接用第2个透镜将ω0进行变换所得到的结果要大。

图2 主动式激光侦察告警系统对高斯光束的变换Fig.2 Transformation of Gaussian beam in active laser detection and warning system

设透镜1、2的焦距分别为f1、f2。f1为短焦距透镜(称为副镜)的焦距，当满足条件l＞＞f1时，可将物镜高斯光束聚焦于副镜后焦面上，得一极小光斑为

式中:l为入射光束束腰与副镜之间的距离;ω(l)为入射在副镜表面上的光斑半径。由于ω0'近似落在长焦距透镜(主镜)的前焦面上，所以腰斑为ω0'的高斯光束将被主镜很好地准直。整个系统的准直倍率可被计算如下。

以θ表示入射高斯光束的发散角，θ'表示经过副镜后的高斯光束的发散角，θ″表示出射高斯光束的发散角，则该望远镜对高斯光束的准直倍率M定义为

式中，M'=f2f1为望远镜的准直倍率(或称几何压缩比)。

一个望远镜中 f1=2.5 cm，f2=20 cm，λ =0.6328 μm，ω0=0.28 mm，80 cm≤l≤90 cm;由式(5)可知，18.2858≤M≤20.1541。因此，一个给定望远镜对高斯光束的准直倍率M不仅与望远镜本身的结构参数有关，而且还与入射高斯光束的结构参数以及其腰斑与副镜的距离有关。通过调节l可以在一定范围内改变准直光斑的大小。在满足l＞＞f1的条件下，M与l的关系曲线如图3所示。另外，f2＞f1，所以M≥M'＞1。即 θ″=θM'＜θ。这说明出射光束的发散角比入射光束的发散角小了。M'越大，准直效果越好。

图3 M与l的关系示意图Fig.3 Relationship between M and l

在不满足l＞＞f1的条件下，由薄透镜对高斯光束的变换特点可知，望远镜对高斯光束的准直倍率M与入射高斯光束的l之间的关系更加清晰完整［21］;高斯光束通过薄透镜的变换可以在满足薄透镜假设的基础上，用薄透镜的成像公式进行计算。在l和ω0确定的情况下，只要将长焦距凸透镜(主镜)的前焦面调节到近似与ω0'的位置重合，同样能够得到好的准直效果。就长焦距凸透镜(主镜)的前焦面与ω0'的位置偏差x对于高斯光束的准直倍率M的影响进行了仿真分析，见图4。

图4 主镜的前焦面与高斯光束腰斑的位置偏差对准直倍率的影响Fig.4 The effect of position deviation between the front focal plane of primary mirror and the Gaussian beam waist on the rate of alignment

假设l=10 cm，f1=2.5 cm，f2=20 cm，λ =0.6328 μm，ω0=0.28 mm;当 -0.7 cm≤x≤0.7 cm 时，可以得到8.2388≤M≤8.2598。

3 装调误差对主动式激光侦察告警系统高斯光束准直光斑尺寸影响的仿真

设计高斯光束准直光学系统时，透镜装调误差是一个很重要的影响因素。透镜装调误差往往存在两个方面，即水平方向的装调误差和竖直方向的装调误差。由于高斯光束的光强集中在中心部分，并且高斯光束准直光学系统往往由多个透镜组成，因此舍弃透镜边缘的小部分。这里重点分析一下由两个透镜组成的望远镜系统的水平方向的装调误差α对高斯光束准直光斑尺寸的影响，多个透镜组成的高斯光束准直光学系统与此类似。根据薄透镜对高斯光束的变换特点可知［22］，水平方向透镜装调误差α和高斯光束出射光斑ω0″的大小之间存在以下联系。

其中:ω0'为入射高斯光束经望远镜副镜后的光束腰斑半径;f2为望远镜主镜的焦距大小;(f2+α)为ω0'与望远镜主镜的距离。不失一般性，假定 λ=1.06 μm，ω0'=0.03 m，-0.003 m≤α≤0.003 m，0.23 m≤f2≤0.31 m，在f2取不同数值的情况下，就水平方向装调误差α对出射光束腰斑ω0″大小的影响进行分析。仿真发现，在光源参数和准直光学系统一定的情况下，水平方向透镜装调误差α和出射光束腰斑ω0″之间近似成线性关系，如图5所示。

图5 水平方向透镜装调误差对高斯光束准直光斑大小的影响Fig.5 Effect of the horizontal alignment errors on the size of collimated Gaussian beam spot

装调误差α对输出光束准直性能的影响的定量分析需要考虑装调平行度对输出光束的影响，光束腰斑和发散角之间的关系等多种因素，这对高斯光束传输特性的应用研究更具现实意义，将在之后的工作中继续深入研究。

4 主动式激光侦察告警系统高斯光束准直光学系统的设计

4.1 高斯光束准直光学系统的组成及要求

高斯光束准直光学系统主要由透镜、透镜的支撑结构、镜座3部分组成。表面质量、平行度等是透镜的重要指标。表面质量应是透镜没有或少有刻痕及疵点;平行度应优于10″，否则，透镜将对高斯光束的透射产生影响，改变透射光的强度分布以及峰值强度的大小和位置;不平行度越大，影响越明显。军用激光器由于受体积和重量的限制，通常采用铝质整体骨架结构和紧凑的安装结构，整个支架常常用整块的金属加工而成。固体激光器的透镜都是安装在可以调整的镜座或调整架上的。好的镜座要求在两个方向的调节是互不影响、正交的。调整过程和调整好的镜座应是无间隙的，并有足够的分辨率。另外，设计镜座时必须考虑其稳定性，包括热稳定性和机械稳定性。

4.2 高斯光束准直光学系统的设计

高斯光束准直光学系统的设计主要是确定透镜组的焦距f1和f2，设计应根据具体应用需要而定，但在设计时必须考虑镜筒长度、透镜尺寸和装调误差的要求［23］。就实际工程的应用来说，镜筒的长度不应太大，主要由f1、f2决定。一般说来，尺寸超过1 m的透镜加工就很困难，当光斑等于或大于透镜的孔径时，要想通过提高准直倍率来无限制地压缩高斯光束的发散角是不可能的，这时出射光斑的发散角由透镜的孔径决定。

激光器出射高斯光束的发散角如图6所示，发散角越小，物方孔径角也就越小;发散角越大，物方孔径角也就越大。如果系统物方孔径角全部包容，则系统数值孔径就较大，那么系统的体积变得很大，使得像差校正更加困难。由于高斯光束的光强集中在中心部分，可以舍弃边缘的小部分，如图7所示。

图6 激光器发光示意图Fig.6 Schematic diagram of laser light

如果一个望远镜系统的准直效果不够理想，可以采用多个望远镜系统，使高斯光束得到多次的放大和准直。这时望远镜系统中的副镜宜采用凹透镜，这样可以使透镜系统更加紧凑。应当说明，对应激光等强光源，为避免因为聚焦而产生空气击穿现象，其光学系统应尽量避免具有实焦点。在保证准直的前提下，使用最合适的数值孔径，使得系统在准直性能发射效率以及体积等方面协调统一，获得一个满意的设计。

图7 高斯光束被切割示意图Fig.7 Schematic diagram when Gaussian beam is cut

5 结束语

随着激光技术应用的日益普及，激光高斯光束传输与变换的研究越来越深入。在满足发散角和光束宽度的前提下，要求系统的准直倍率具有可调性，以便于探测系统能够根据距离远近来完成相应的光斑尺寸的调节。研究结果对于激光准直光学系统的设计、装调及其在主动式激光侦察告警系统中的应用提供了理论依据，具有一定的工程实用价值。

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