1.06μm脉冲激光高倍率变焦的扩束发射光学系统设计

　　0 引言

　　针对远距离目标的激光主动探测体制已经具备理论上的可行性, 通过发射强激光并接收“猫眼”目标镜头回射激光进行信息处理来实施[1]。探测系统的作用距离首先取决于激光发射系统发射的激光束质量,为了改善光束的方向性, 将激光束携带的能量最大限度传送到远距离的目标上, 需要较大的光束宽度和较小的发散角, 因此需要对其进行扩束。在满足发散角和光束宽度的前提下, 使系统的扩束比具有可调性,便于探测系统完成扫描搜索以及作用距离从远至近的跟踪测量任务。

　　1 设计方案

　　系统所采用的1.06 !m 调Q 脉冲激光器的峰值功率为20 MW, 发散角5 mrad, 输出光束宽度≤2.7 mm。由于系统要求的扩束比可调范围较大, 拟采用二级扩束发射系统。一级扩束系统光束宽度较小, 采用折射型式扩束系统并完成扩束变焦, 使其扩束比达到1.5~10。二级扩束系统光束宽度较大, 采用非球面离轴反射型式, 有效消除中心遮挡, 设计固定扩束比为5。两级扩束系统之间采用转镜进行切换, 在需要的扩束比超过10 时将反射镜嵌入光路使光束进入二级扩束系统, 整体扩束比达到1.5~50 均匀可调, 整体结构图如图1 所示。

　　系统所用激光器峰值功率高达20 MW, 属于强脉冲激光发射系统, 与一般的发射系统相比, 对光学系统的整体性能的要求更高, 因此需要对系统形式进行特殊分析, 与此同时还要求各个光学元件具有高抗光损阈值, 热变形小的特点, 对于反射系统还要求镀膜层有高反射率。

　　1.1 一级折射式变焦扩束系统方案设计

　　激光变焦扩束系统可以根据红外变焦距系统来进行改进[2- 3], 如图2 所示。

　　为了结构简单, 只取三个组元就能满足需求, 依次把其称为变焦组、固定组和补偿组。当变焦组相对于固定组移动时, 变焦组与固定组的等效焦距就连续改变, 产生新的焦点。将补偿组也设计成可移动的, 当变焦组移动到某一位置时, 补偿组也移动到相应的位置, 使新的焦点稳定在补偿组的焦点上, 组合成新的扩束比的扩束系统。

　　通常, 对激光进行扩束的折射结构形式有伽利略式和开普勒式两种。但是, 开普勒式系统具有实际光束聚焦点, 强脉冲激光过度聚焦时会导致光腰太小, 产生空气的击穿现象[4], 致使光学元件受到损伤。而伽利略式系统的共焦点为虚焦点, 避免了空气的击穿效应, 且光学系统的轴向尺寸小于开普勒式系统。

　　所以, 在这里的变焦扩束系统采用相似于伽利略式的结构形式, 将变焦组和固定组定为正负透镜的组合, 使激光束不能过分会聚, 同时也缩短了系统的工作距离。同时, 为了较好地校正球差、彗差以及带球差, 并考虑到高能激光会对胶合面损伤而不宜采用胶合透镜, 将补偿组镜片设计成双分离式, 利用玻璃选择和空气间隙的微量变化来校正像差。