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用于高能激光系统的共孔径光学装置设计

邓万涛 赵刚 张茂 陈翔

邓万涛, 赵刚, 张茂, 陈翔. 用于高能激光系统的共孔径光学装置设计[J]. 中国光学(中英文), 2020, 13(1): 165-178. doi: 10.3788/CO.20201301.0165
引用本文: 邓万涛, 赵刚, 张茂, 陈翔. 用于高能激光系统的共孔径光学装置设计[J]. 中国光学(中英文), 2020, 13(1): 165-178. doi: 10.3788/CO.20201301.0165
DENG Wan-tao, ZHAO Gang, ZHANG Mao, CHEN Xiang. Design of optical device with co-aperture for high energy laser system[J]. Chinese Optics, 2020, 13(1): 165-178. doi: 10.3788/CO.20201301.0165
Citation: DENG Wan-tao, ZHAO Gang, ZHANG Mao, CHEN Xiang. Design of optical device with co-aperture for high energy laser system[J]. Chinese Optics, 2020, 13(1): 165-178. doi: 10.3788/CO.20201301.0165

用于高能激光系统的共孔径光学装置设计

doi: 10.3788/CO.20201301.0165
基金项目: 

国防科学技术预先研究基金项目 No.301040310

详细信息
    作者简介:

    邓万涛(1987-), 男, 贵州黔南人, 博士研究生, 工程师, 2010年于中国计量大学获得学士学位, 2013年于浙江大学获得硕士学位, 主要从事高能激光光束控制与传输方面的工作。E-mail:dengwantao@sohu.com

    赵 刚(1967—),男,四川巴中人,博士,研究员,主要从事高能激光系统总体设计方面的工作。E-mail:zhao_209@sohu.com

  • 中图分类号: TN249

Design of optical device with co-aperture for high energy laser system

Funds: 

Supported by Advanced Research Foundation of Defense Science and Technology No.301040310

More Information
  • 摘要: 高能激光系统的主要工作方式是利用其精跟踪模块将发射激光传输聚焦至闭环跟踪条件下的目标上,使之受到毁伤或失效。为实现该工作方式,本文研究设计了一套共孔径光学收发装置。该装置的发射系统主要由离轴两反式主望远镜模块、伽利略透射式调焦望远镜模块和光束馈送模块共同组成二级扩束系统,接收系统主要由离轴两反式主望远镜模块、精跟踪成像模块和光束馈送模块共同组成长焦距光学系统,其中光束馈送模块由二向色镜、快速反射镜等光学元件组成。以非相干空间合束的基模高斯光作为激光光源,利用光学设计软件对该装置进行了优化设计。对于发射系统,获得了激光经过调焦望远镜模块不同的调焦量调制后,传输至0.5~5 km处的光斑分布情况,且激光波前像差RMS值均优于λ/20;对于接收系统,由各模块一同构成的成像光学系统的性能经优化后接近衍射极限,其中系统传递函数在70 lp/mm时大于0.6,最后通过样机实验也验证了设计的正确性。本文的设计和实验结果证实了该共孔径光学收发装置结构合理,性能可靠,满足高能激光系统的工程应用需求。

     

  • 图 1  共孔径光学装置结构示意图

    Figure 1.  Schematic diagram of optical device with co-aperture

    图 2  理想光学系统物象位置关系示意图

    Figure 2.  Relationship diagram of position between object and image in ideal optical system

    图 3  聚焦距离与调焦量的关系(fp在100~1 000 mm时)

    Figure 3.  Relationship of focusing adjustment quantity and focusing distance(fp is from 100 mm to 1 000 mm)

    图 4  物镜组焦距与调焦量的变化关系

    Figure 4.  Relationship of focal length of objective lens group and focusing adjustment quantity

    图 5  发射系统模型

    Figure 5.  Model of emitting system

    图 6  入射激光光斑分布

    Figure 6.  Spot distribution of incident laser

    图 7  聚焦激光光斑分布图

    Figure 7.  Spot distributions after focusing laser at different focusing distances

    图 8  M2因子与η关系

    Figure 8.  Relationship between M2 and η

    图 9  激光传输聚焦性能与M2的对应关系

    Figure 9.  Relationship between performance of laser propagation and M2

    图 10  精跟踪成像模块模型

    Figure 10.  Model of fine tracking imaging module

    图 11  接收系统模型

    Figure 11.  Model of receiving system

    图 12  不同物距对应的MTF图

    Figure 12.  MTF corresponding to different object distances

    图 13  不同物距对应的点列图

    Figure 13.  SPTs corresponding to different object distances

    图 14  1 km处光斑分布测量结果

    Figure 14.  Measurement of spot distribution at 1 km

    图 15  1 km处无人机跟踪图像

    Figure 15.  Tracking image of UAV at 1 km

    表  1  优化后各聚焦距离下的d, Δ, RMS

    Table  1.   d, Δ and RMS values corresponding to different focusing distances after optimizing

    参数类型 参数值
    L/km 0.5 1 2 3 4 5
    d/mm 137.78 125.91 119.96 117.98 116.99 116.39 114
    Δ/mm 23.78 11.91 5.96 3.98 2.99 2.39 0
    RMS 0.019 0.016 0.013 0.012 0.011 0.011 0.009
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    表  2  入射激光参数

    Table  2.   Parameters of incident laser

    参数类型 参数值
    合束激光数目 7
    合束激光直径/mm 60
    设计波长/nm 1 070~1 090
    单束激光发散角/mrad 0.12
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    表  3  成像接收系统参数

    Table  3.   Parameters of imaging receiving system

    参数类型 参数值
    视场/(′) ±6.6
    入瞳直径/mm 320
    设计波长/nm 780~840
    有效焦距/mm 1 200
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    表  4  不同物距对应的弥散圆半径最大值

    Table  4.   Maximum RMS radius corresponding to different object distances

    L/km 0.5 1 2 3 4 5
    RMS Radius/μm 2.203 0.976 0.961 0.837 0.782 0.753
    Airy Radius/μm 3.7 3.7 3.7 3.7 3.7 3.7
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    表  5  激光发射系统公差分析

    Table  5.   Tolerance analysis of emitting system

    公差类型 公差名称 聚焦望远镜模块 光束馈送模块 望远镜模块
    各透镜 快反镜 分色镜 主反射镜 次反射镜
    加工公差 折射率 0.001
    阿贝数 1%
    光圈数 1 1 1 0.5 0.5
    不规则度 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
    厚度 0.03 mm 0.03 mm 0.03 mm 0.01 mm 0.01 mm
    X轴偏心 0.02 mm
    Y轴偏心 0.02 mm
    X轴倾斜 42″
    Y轴倾斜 42″
    装调公差 X轴偏心 0.02 mm 0.02 mm 0.02 mm 0.01 mm 0.01 mm
    Y轴偏心 0.02 mm 0.02 mm 0.02 mm 0.01 mm 0.01 mm
    X轴倾斜 42″ 42″ 42″ 30″ 16″
    Y轴倾斜 42″ 42″ 42″ 30″ 16″
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    表  6  成像接收系统公差分析

    Table  6.   Tolerance analysis of receiving system

    公差类型 公差名称 精跟踪成像模块 光束馈送模块 望远镜模块
    透镜各表面 快反镜 分色镜 主反射镜 次反射镜
    加工公差 折射率 0.001 0.001
    阿贝数 1% 1%
    光圈数 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
    不规则度 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
    厚度 0.04 mm 0.03 mm 0.03 mm 0.01 mm 0.01 mm
    X轴偏心 0.02 mm 0.03 mm
    Y轴偏心 0.02 mm 0.03 mm
    X轴倾斜 42″ 42″
    Y轴倾斜 42″ 42″
    装调公差 X轴偏心 0.03 mm 0.03 mm 0.03 mm 0.01 mm 0.01 mm
    Y轴偏心 0.03 mm 0.03 mm 0.03 mm 0.01 mm 0.01 mm
    X轴倾斜 42″ 42″ 42″ 30″ 16″
    Y轴倾斜 42″ 42″ 42″ 30″ 16″
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    表  7  聚焦光斑直径

    Table  7.   Diameter of focusing spot

    L(km) k (Dx, Dy)
    (测量值)
    (Dx, Dy)
    (实际值)
    (Dx, Dy)
    (设计值)
    1 22 (1127 μm, 1156 μm) (24.79 mm, 25.43 mm) (23.6 mm, 23.6 mm)
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-05-06
  • 修回日期:  2019-07-01
  • 刊出日期:  2020-02-01

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