激光拒止光学系统设计

柴利飞 郑建锋 黄伟

摘 要：根据目前激光武器的发展历程和研制情况，针对其在现代战争中的优势和特点，对激光拒止的光学系统进行设计。激光光源为光纤激光器，激光出射口径3mm，波长1550nm，发散角小于300？滋rad，采用20倍扩束聚焦光学系统，利用非球面消除光学系统中球差对远场聚焦光斑参数的影响，可实现50m～300m远场聚焦。设计结果满足使用要求，可用于开展激光拒止的研制工作。

关键词：激光拒止;激光扩束;远场聚焦;光学设计

中图分类号：TN241        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）15-0001-03

Abstract： According to the development course and development of laser weapon， according to its advantages and characteristics in modern war， the optical system of laser rejection is designed. The laser source is a fiber laser， the laser output aperture is 3 mm， the wavelength is 1550 nm， and the divergence angle is less than 300 μrad. a 20-fold beam expansion focusing optical system is adopted， and the aspheric surface is used to eliminate the influence of spherical aberration on the far-field focusing spot parameters in the optical system. 50m～300m far-field focusing can be realized. The design results meet the application requirements and can be used to carry out the development of laser rejection.

Keywords： laser rejection; laser beam expansion; far-field focusing; optical design

引言

激光技术在应用于军用仪器的同时，也直接作为武器在发展。激光武器从能量级别上分高能激光武器和低能激光武器两类。高能激光武器，又叫强激光武器或激光炮。它是一种大型的或高效率的激光裝置，能发射极高的激光能量，主要用于摧毁敌方的卫星、导弹、飞机和坦克等威力较大的军事目标或大型的武器装置。低能激光武器，又叫激光轻武器或单兵激光武器。它所发射的激光能量一般都不太高，是一种小型的激光装置，它主要用于射击单个敌人，使之失明、死亡或使其衣服着火而丧失战斗能力等。

当前激光武器关注的一个热点问题是关于激光聚焦特性的研究，激光聚焦特性主要包括实际焦距和几何焦距（理想平行光焦距）的差异、焦斑大小和焦深的变化。激光束聚焦特性对激光武器有着极其重要的影响，理论与实验上研究并解决这一关键问题，对激光拒止的研制具有十分重要的意义。

1 激光远场聚焦原理及特性

1.1 聚焦原理

激光远场聚焦原理如图1所示。

激光器发出的激光束近似于平行光，其进入凹透镜发散后进入凸透镜，当两透镜的焦点重合时出射平行光，即激光扩束。激光扩束能够减小发散角，有利于激光远距离传输。激光聚焦系统的目的是将光斑在远场进行聚焦，获得较大的功率密度，通过调节两透镜之间的间距以满足不同距离处聚焦要求。

距调整精度要求较高。

1.2 聚焦特性

在几何光学的近似下，高斯光束的传输与通常傍轴光束的传输仍有明显的差异，对高斯光束的聚焦也不同于几何光学中平行光束的聚焦，主要影响是激光束通过聚焦系统后会产生焦点移动，使得聚焦光斑的光强极大值不一定与透镜焦点重合，光斑大小和焦深也会有所变化。因此，有必要对制约聚焦光斑大小和功率的因素进行研究。

1.2.2 大气衰减

在激光传输过程中，激光束与大气分子、气溶胶粒子等发生相互作用，产生线性与非线性效应。其中线性效应主要有：大气中的气体分子和大气气溶胶粒子的吸收、散射导致的辐射能量损失，大气湍流导致的激光束的扩展与漂移以及相干变化;非线性效应主要是大气非线性热畸变和受激拉曼散射。这些因素严重影响激光束的远场聚焦特性，使激光束产生漂移，焦距、焦深、焦点功率密度产生变化，对激光远场聚焦十分不利。

激光在地面大气中传输，空气中的气溶胶以及大气分子的吸收和散射造成的衰减可以大致模拟计算，我们选取中纬度夏季的大气模型，气溶胶类型为乡村模型，海拔0.2km，传输路径为水平，传输距离10km，能见度设定为3km23km，每隔1km计算一次，计算得到大气透射率如图2所示。

1.2.3 透镜像差

在实际工作中，聚焦光学系统的像差会使波前发生畸变，从而导致光斑焦点弥散，光强分布发生变化。这种变化主要表现在像方光束参数（束宽、远场发散角和光束质量因子（M2））偏离理想情况下的设计值。多种像差的综合作用相当复杂，对系统光路调整带来极大困难，如果系统入射光线调整正好位于主轴上，此时球差占主要因素，如果偏离主轴，则是各种轴外像差综合作用。

聚焦系统的像差是不可避免的，直接影响聚焦的最佳位置，图3给出了聚焦系统受球差影响时聚焦能量与聚焦位置的关系。

總之，对于远场聚焦而言，影响激光能量耗散的3个主要因素中，大气衰减无法克服，另外两个因素可以通过人为进行改善。在系统设计时保留各光学元件口径余量，让系统受限衍射孔尽量大;另一方面，聚焦光学系统的像差校正尤为重要，需要对变焦距系统进行像差校正。

2 设计实例

激光光源选用光纤激光器，激光器波长1550nm，出光口径3mm，发散角小于300？滋rad。我们对激光进行20倍扩束后再进行聚焦，聚焦系统采用3片透镜的伽利略结构，为了校正像差系统中用到了一个非球面，镜头数据结构如图4所示。

系统中利用焦距为100mm的理想面对扩束后光束进行成像，其系统结构如图5所示。

图6、图7分别给出光学系统的MTF曲线和轴向像差曲线。为了保证聚焦光斑由很好聚焦特性，系统已经对边缘口径的球差进行额校正，MTF值接近衍射极限，如图所示。

由聚焦原理可以知道，通过调整透镜间的间隔能够实现光束在不同位置处聚焦。光学系统采用3片透镜结构，考虑到结构等因素，我们通过调节第3片和第2片透镜之间的距离来实现激光束聚焦。为了得到间距与聚焦位置的对应关系我们采用操作数GENC（几何包围圆能量）对结构进行优化。表1给出了第3片和第2片透镜之间间距与聚焦位置的对应关系。

3 系统仿真及试验

依据设计的光学结构及激光光束的参数，在LightTools软件中对远场聚焦光斑进行仿真计算，能够得到不同距离处聚焦光斑的大小及能量分布情况，如图8所示。图9给出150m处对玻璃钢材料进行的毁伤试验，针对光斑大小，试验效果达到了仿真计算的结果。

4 结论

本文阐述了激光远场聚焦原理，并对其聚焦特性进行了分析，进而设计了一套激光拒止光学系统，该系统可实现50m～300m远场聚焦，并在150m进行了验证试验，试验结果理想，可对后续开展激光拒止工作提供参考和依据。

参考文献：

[1]张合勇.激光远场聚焦特性实验研究[J].中国激光，2011，38（3）：156-161.

[2]李现勤.激光束在大气中长距离传输特性的研究[J].光学学报，2001，21（3）：324-329.

[3]何毅，吴建.相干式CO2激光边缘跟踪雷达系统[J].中国激光，1998，A25（7）：667-671.

[4]J.C.Ricklin.W.B.Miller.Optical turbulence effects on focused laser beams：new results[C].SPIE，1994，2312：145-154.

[5]Fedor V. Shugaev， Evgeni N. Terentiev， Ludmila S. Shtemenko The effect of the strong turbulence regime on the laser beam propagation and focusing[C].SPIE，2008，7108：71080A.