复合式无遮拦激光扩束器的设计

卢政伟，邵 帅，马亚坤

(1.中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033；2.中国科学院大学，北京 100049)

1 引 言

在激光通讯，激光制导及激光武器等研究领域里，对发射激光功率要求越来越高。在大功率激光发射系统中，考虑到口径较大和能量吸收较少的特点，通常采用两片共轴使用的抛物面反射镜(即卡塞格林系统)，对激光进行准直，保证系统的入射光和出射光都是平行光并压缩激光的空间发散角[1-5]。双镜卡塞格林系统中，由于次镜的遮拦导致光束中心部分无法输出，光能传输效率降低的现象被称为中心遮拦问题。传统的双镜卡塞格林系统由于中心遮拦的存在，会导致20%～40%左右的光能得不到利用。目前解决这一问题常采用离轴光路设计或将入射光束通过多组镜片反射变成环形光束后入射到次镜上，避开中间遮拦区域[6]，以消除中心遮拦。

常用的离轴光路设计方法，使入射光束避开次镜中间的盲区，全部处在次镜通光口径内[7]。这种方法受到激光发射系统主发射口径大小的限制，尤其在实际工程应用中存在以下应用问题：(1)发射系统机械结构体积庞大；(2)受次镜口径限制扩束倍率不能达到预期要求；(3)过大的镜面使成本呈指数增加。国内其他学者也做过这方面的努力并提出了很多种消除手段，比如将入射光束通过多组特殊形状的镜片反射变成环形光束，然后入射到次镜上避开中间遮拦区域[6]，其弊端是镜组复杂，安装定位困难。或者是将两快抛物面反射镜离轴非对称放置[8-9]，虽解决了遮拦问题却使光路复杂，扩束结构变的庞大。所以在实际应用中急需更优的解决办法出现。

本文综合反射式扩束器和折射式扩束器的优点，在大功率长波激光发射模式设定下选择卡塞格林系统和伽利略扩束器并将其复合到一起，设计形成一种新型无遮拦扩束系统。

2 设计原理

为了使被次镜遮拦部分的激光得以发射，在双镜卡塞格林系统中次镜中心设计一个通孔，使被遮拦部分的长波激光直接穿过次镜。在次镜后设计小口径伽利略式扩束镜组。将中心光束进行扩束。这样原始入射光束被分为内外两部分，一部分经双镜卡塞格林系统发射，另一部分经小口径伽利略式扩束系统发射，两束光同轴发射。由于双反系统公差敏感性，必须保证大扩束系统光轴和小扩束光轴同轴度在某一公差范围内，激光远场光斑才能够达到预期要求[9]。图1为系统光路图。

图1 系统光路示意图 Fig.1 Layout of the system

3 光学系统设计

在某10.6 μm波长激光发射系统中，根据系统整体技术指标要求，设计一种复合式扩束器，用于对10.6 μm激光进行扩束。激光系统中激光到次镜的光束直径为100 mm。发射系统主镜通光口径为600 mm，扩束倍率5倍。考虑到系统中存在快速反射镜(如图2所示)，在一定范围内的角度转动导致入射到次镜上的光斑中心具有径向10 mm的移动范围，次镜直径为Φ140 mm，实际工作时通光口径为Φ120 mm。主镜直径为Φ620 mm。主镜中通心孔径取为Φ140 mm。

图2 尺寸示意图 Fig.2 Schematic diagram of lens parameters

设计主镜近轴曲率半径为1 500 mm，综合考虑机械支撑系统刚度对光学系统精度的影响、整体重量的限制、结构空间限制等因素，主次镜间距确定为600 mm。次镜的近轴曲率半径为300 mm。主、次镜均为抛物面。各参数见表1。

表1 反射扩束镜片尺寸参数(单位：mm)

主镜抛物面方程为：

(1)

次镜抛物面方程为：

(2)

根据遮拦系数：

(3)

在次镜后设计长波小口径扩束镜组，采用伽利略式，长波小口径扩束入射镜直径为37 mm,通光口径35 mm。出射镜直径为145 mm，通光口径140 mm。光束直径140 mm，次镜结构组件最大外径尺寸149 mm(镜筒厚2 m)<150 mm，对双镜卡式扩束发射激光不产生遮拦。

由以上结构限制推导出的小扩束透镜最大尺寸，可知小扩束倍率ε=140/35=4倍，虽小于卡塞格林系统扩束倍率，但在保证小扩束和卡塞格林扩束器的光轴重合情况下，远场光斑重叠，增强了远距离打击能力。系统近场出射光斑形状如图3所示。

图3 系统出射光斑图 Fig.3 Optical spots of two systems

序号注释曲面类型半径/mm厚度/mm材料模式通光口径/mm1(STO)Sphere223.812ZNSE_SPECIALRefract1402Sphere500200.65Refract1403Sphere-118.310ZNSE_SPECIALRefract364Sphere627.550Refract36IMAGESphereINFINITY09 756.037

小口径扩束系统镜片材料为硒化锌，对长波激光的透过率大于90%。为保证同轴度精度，小扩束与双镜卡塞格林的次镜安装到一起。小口径扩束各镜片参数见表2。光学系统及其成像质量如图4所示。

图4 光学系统及其成像质量 Fig.4 Refract light beam expanding system and image quality

系统发射激光为基模高斯光束，根据其在自由空间的传输特性，基模高斯光束在横截面内的场振幅分布按照高斯函数：

(4)

式中，r为距离光斑中心的距离，ω(z)为由幅值降落到中心值的1/e的点所定义的光斑半径。所描述的规律从中心(即传输轴线)向外平滑降落，通过计算横截面内的能量分布可得卡塞格林系统透过能量与遮拦比的关系图，如图2所示，在遮拦比为25%时，卡塞格林系统有约70%的能量透过[10-11]。当被遮挡的光束通过小扩束时，能量利用率提高30%。

图5 能量透过率和遮拦比图 Fig.5 Energy transmission ratio and masking modulus

4 机械结构设计

4.1 小扩束镜筒结构设计

根据光学系统设计参数，小扩束镜筒轴向尺寸为170 mm，两端径向尺寸分别为Φ140和Φ36。镜片通过螺纹压圈压靠在镜座中，通过调整透镜和镜座之间垫片厚度微调两透镜之间的距离。镜筒中间设计法兰盘，平衡自身重量。通过螺钉与卡塞格林扩束器连接，中间设计有调整垫片用于微调。与透镜接触的金属材料均为铸铁，与ZnSe材料镜片接触性能良好。小扩束镜筒结构如图6所示。

图6 小扩束结构图 Fig.6 Structure of small beam expander

4.2 连接结构设计

为保证小扩束和双镜卡式扩束光轴的重合度，设计小扩束和卡式双镜扩束器次镜安装在一起，整体固定在次镜支撑架上。如图4所示，小扩束通过螺钉安装在连接镜筒上，卡塞格林次镜通过压块和螺钉连接在镜座上，镜座通过螺钉连接在镜筒另一侧。连接镜筒通过次镜支撑架与大镜筒固联，连接方式为焊接，保证次镜结构的稳定性[12-14]。系统装配结构如图7所示。

图7 系统装配图 Fig.7 System assemble diagram

5 测量实验与结果

5.1 实验原理

激光在大气中的传输是一个多因素的综合问题，大气的温度、湿度、风向、风力、激光束引起的热晕等都会影响光束能量的损耗[15]。为保证测量数据更接近真实值，以及测量条件和可操作性，选择近场测量系统发射能量。利用能量计测得激光器原始输出能量W，计算经导光光路多次反射后进入扩束系统的能量W＇。然后进行两组单脉冲能量测试，第一组将小扩束镜头遮拦，第二组去除遮拦。分别测得传统卡塞格林扩束器和复合式扩束器条件下的系统发射能量W1和W2。然后求得系统在两种情况下的能量透过率η1=W1/W＇，η2=W2/W＇以及透过率增加量δ=η2-η1。

5.2 实验设计

采用设计好的支撑结构，安装并调试完成后，进行实验[16]。将复合扩束器安装在10.6 μm波长激光发射系统，采用单脉冲激光发射模式，经复合扩束器发射，出射光束直径500 mm。发射系统出口中心距离地面3 m。为减小大气对激光透过率的影响，尽量缩短测量距离，同时考虑发射系统俯仰极限，测量距离选为20 m。用能量计接受测量脉冲能量，能量计接收器的接收口径为35 mm×40 mm，为使光束全部收入并精确测量减小误差，需将光束直径汇聚减小至D<30 mm。在距离发射系统20 m处架设550 mm口径非球面凹面汇聚反射镜，其焦距为f=3 000 mm，反射镜中心距离地面1.5 m。经计算能量计放于镜前水平距离L=2.6 m处，此时能量计位于反射镜焦点附近，反射镜俯角为12.856°。为保证反射能量全部被能量计接收，试验前在能量计表面覆盖一层热敏纸，发射激光在热敏纸留下的烧灼痕迹确定能量计位置。实验原理图及现场图如图8所示。

图8 实验原理图及现场图 Fig.8 Test principle and scene photo

5.3 实验结果

表3为实验测得的两种情况下的透过能量以及激光器原始出口能量值。

表3 能量测量结果(单位：J )

由表3可知，无遮拦情况下，接收到的能量平均值为：

(5)

遮拦小扩束情况下，接收到的能量平均值为：

(6)

激光器出口能量均值为：

(7)

由激光器出口到进入复合扩束器以及经过凹面反射镜，光束共经过17次反射，实验测得反射镜对10.6 μm激光的反射率为0.939，光束进入扩束器能量：W′=W×0.93917=7.32 J。

传统卡塞格林扩束器能量透过率：

(8)

复合式扩束器能量透过率：

(9)

新型扩束器较原系统能量透过率增加22.12%。

5.4 实验误差分析

首先，根据光学成像原理，在凹面反射镜倾斜的情况下，光束沿着非垂直镜面的方向入射，反射系统的聚焦能力会减弱，汇聚光斑分布呈非对称弥散斑形式。因此，在这种测量条件下，汇聚光斑边缘能量有可能溢出能量计接收面范围。实际测量值较真值偏小。

其次，凹面镜作为靶标进行对准时，由于其本身无热量，激光器的瞄准系统无法使用，只能采用肉眼观察红外跟瞄光束在反射镜上的位置。因此凹面镜口径与系统发射口径存在对准偏差，同时凹面镜的尺寸与光束直径相差不大，有溢出凹面镜的可能，凹面反射镜接收能量较系统发射能量偏小。

同时，在实验操作过程中，光束经过多次反射，在控制范围内，镜片表面灰尘仍然会造成光束散射，多次累积后也会使得测量结果较真值偏小。因此，该复合式扩束器的能量透过率大于实验结果，即η≥95.21%。

6 结 论

本文基于卡塞格林扩束器和折射式扩束器理论，结合两者的优点，在卡塞格林系统次镜上设计通孔，后接伽利略式小扩束系统，设计得到一种新型复合式扩束器，有效消除传统卡塞格林发射系统的中心遮拦。应用在工程实际中，通过近场实验验证新型扩束器在能量透过率方面的性能。其实验结果与理论分析相吻合，在10.6 μm激光发射条件下，系统能量透过率大于95.12%，满足工程需要，达到预期目标。这种复合式扩束器在没有破坏卡带格林系统紧凑性的前提下，很好的解决了卡塞格林扩束器的中心遮拦问题，能量透过率比原系统提高22.12%。这些实验和数据将对目前和今后强激光发射系统的研究及其发展提供重要的参考。