二元光学在激光测距中的应用

　　一、问题的提出

　　二元光学是指基于光波的衍射理论,利用计算机辅助设计,使用超大规模集成电路制作工艺,在片基上(或传统光学器件表面)刻蚀产生两个或多个台阶深度的浮雕结构,形成纯相位、同轴再现,是具有极高衍射效率的一类新型衍射光学元件。二元光学器件除具有体积小,重量轻,容易复制等优点外,还具有高衍射效率,独特的色散性能。在二元光学器件中,可通过滤光片的位置、槽宽、槽深及槽形结构的改变产生一般传统光学元件所不能实现的光学波面,如非球面、环状面、锥面等。

　　在某型装甲侦察车上,激光测距机距地面为2·5m,激光器的输出脉冲光束发散角为2mrad。在水平测距时,距车3km处就有大面积地面回波,通过选通的办法不能完全消除地面回波带来的误差,因此不能满足测距20km的指标。因此该型侦察车在平原地带使用时,必须将激光束发散角减小。要减小激光光束的发散角,就需要将高斯光束的波面变换为平面波。工程中利用一般光束波前变换所需的位相元件大多为复杂的曲面透镜,设计与制作均非常困难。采用二元光学器件则不但设计与制作比较容易,而且能减小光学系统的体积和重量。对解决侦察车的发散角过大的问题也较方便,只需在原光路中加入一片二元器件即可。这种方法是否可行,取决于以下两个方面的问题:

　　1·二元波面变形器件能否将激光测距机光束发散角减小。

　　2·脉冲光束通过二元光学器件后,透过器件的能量能否满足测距指标要求。

　　二、二元光学系统波面变换计算

　　对二元透镜波面变换结果可以用叠加积分衍射进行分析。由图1所示,物点O坐标为(0,h,0),像点I坐标为(xi,hi,d+i),二元器件面(与z轴垂直)B点坐标为(rsinθ,rcosθ,d),其中θ为二元器件面上过B点半径与y轴的夹角。设从O点发出的球面波传播距离为d时振幅为1,位相值为0,则传播到B点处的复振幅及位相值分别为Axy=d/r01,Pxy=2πr01/λ,r01为物点O与B点间距。

　　若忽略二元器件非位相调节的厚度,则透过二元器件面的位相值为

　　式中k为B点所处的二元透镜的环带数; n为二元器件的相位阶数,即阶梯数[2]。传播到像点I的振幅A和位相P分别为

　　在像面上复振幅分布由取不同的I点得到衍射波面。利用上面的方法计算二元光学器件将高斯光束变换为平面波光束的结果。侦察车激光器为掺铷钇铝石榴石Nd:YAG激光器,平平腔腔长为45mm。波长λ=1·06μm,脉冲峰值功率为3MW。由于是被动调Q激光器,所以波面重复性很好,可以用二元光学器件进行调制。这里为了便于计算只对输出的高斯光束进行调制计算。该激光器发出的高斯光束束腰ω0=1·999996mm位于腔中间位置,以距其22·5mm处为输入二元光学器件的波面,光斑半径为2mm,等相位面为一球面,半径R=6238·98m,可以近似认为入射到二元器件表面的光束为从距二元器件d=6238·98m处的点光源发出的球面波。