激光拒止光學系統設計

柴利飛 鄭建鋒 黃偉

摘 要：根據目前激光武器的發展歷程和研制情況，針對其在現代戰爭中的優勢和特點，對激光拒止的光學系統進行設計。激光光源為光纖激光器，激光出射口徑3mm，波長1550nm，發散角小于300？滋rad，采用20倍擴束聚焦光學系統，利用非球面消除光學系統中球差對遠場聚焦光斑參數的影響，可實現50m～300m遠場聚焦。設計結果滿足使用要求，可用于開展激光拒止的研制工作。

關鍵詞：激光拒止;激光擴束;遠場聚焦;光學設計

中圖分類號：TN241 ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：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

激光技術在應用于軍用儀器的同時，也直接作為武器在發展。激光武器從能量級別上分高能激光武器和低能激光武器兩類。高能激光武器，又叫強激光武器或激光炮。它是一種大型的或高效率的激光裝置，能發射極高的激光能量，主要用于摧毀敵方的衛星、導彈、飛機和坦克等威力較大的軍事目標或大型的武器裝置。低能激光武器，又叫激光輕武器或單兵激光武器。它所發射的激光能量一般都不太高，是一種小型的激光裝置，它主要用于射擊單個敵人，使之失明、死亡或使其衣服著火而喪失戰斗能力等。

當前激光武器關注的一個熱點問題是關于激光聚焦特性的研究，激光聚焦特性主要包括實際焦距和幾何焦距（理想平行光焦距）的差異、焦斑大小和焦深的變化。激光束聚焦特性對激光武器有著極其重要的影響，理論與實驗上研究并解決這一關鍵問題，對激光拒止的研制具有十分重要的意義。

1 激光遠場聚焦原理及特性

1.1 聚焦原理

激光遠場聚焦原理如圖1所示。

激光器發出的激光束近似于平行光，其進入凹透鏡發散后進入凸透鏡，當兩透鏡的焦點重合時出射平行光，即激光擴束。激光擴束能夠減小發散角，有利于激光遠距離傳輸。激光聚焦系統的目的是將光斑在遠場進行聚焦，獲得較大的功率密度，通過調節兩透鏡之間的間距以滿足不同距離處聚焦要求。

距調整精度要求較高。

1.2 聚焦特性

在幾何光學的近似下，高斯光束的傳輸與通常傍軸光束的傳輸仍有明顯的差異，對高斯光束的聚焦也不同于幾何光學中平行光束的聚焦，主要影響是激光束通過聚焦系統后會產生焦點移動，使得聚焦光斑的光強極大值不一定與透鏡焦點重合，光斑大小和焦深也會有所變化。因此，有必要對制約聚焦光斑大小和功率的因素進行研究。

1.2.2 大氣衰減

在激光傳輸過程中，激光束與大氣分子、氣溶膠粒子等發生相互作用，產生線性與非線性效應。其中線性效應主要有：大氣中的氣體分子和大氣氣溶膠粒子的吸收、散射導致的輻射能量損失，大氣湍流導致的激光束的擴展與漂移以及相干變化;非線性效應主要是大氣非線性熱畸變和受激拉曼散射。這些因素嚴重影響激光束的遠場聚焦特性，使激光束產生漂移，焦距、焦深、焦點功率密度產生變化，對激光遠場聚焦十分不利。

激光在地面大氣中傳輸，空氣中的氣溶膠以及大氣分子的吸收和散射造成的衰減可以大致模擬計算，我們選取中緯度夏季的大氣模型，氣溶膠類型為鄉村模型，海拔0.2km，傳輸路徑為水平，傳輸距離10km，能見度設定為3km23km，每隔1km計算一次，計算得到大氣透射率如圖2所示。

1.2.3 透鏡像差

在實際工作中，聚焦光學系統的像差會使波前發生畸變，從而導致光斑焦點彌散，光強分布發生變化。這種變化主要表現在像方光束參數（束寬、遠場發散角和光束質量因子（M2））偏離理想情況下的設計值。多種像差的綜合作用相當復雜，對系統光路調整帶來極大困難，如果系統入射光線調整正好位于主軸上，此時球差占主要因素，如果偏離主軸，則是各種軸外像差綜合作用。

聚焦系統的像差是不可避免的，直接影響聚焦的最佳位置，圖3給出了聚焦系統受球差影響時聚焦能量與聚焦位置的關系。

總之，對于遠場聚焦而言，影響激光能量耗散的3個主要因素中，大氣衰減無法克服，另外兩個因素可以通過人為進行改善。在系統設計時保留各光學元件口徑余量，讓系統受限衍射孔盡量大;另一方面，聚焦光學系統的像差校正尤為重要，需要對變焦距系統進行像差校正。

2 設計實例

激光光源選用光纖激光器，激光器波長1550nm，出光口徑3mm，發散角小于300？滋rad。我們對激光進行20倍擴束后再進行聚焦，聚焦系統采用3片透鏡的伽利略結構，為了校正像差系統中用到了一個非球面，鏡頭數據結構如圖4所示。

系統中利用焦距為100mm的理想面對擴束后光束進行成像，其系統結構如圖5所示。

圖6、圖7分別給出光學系統的MTF曲線和軸向像差曲線。為了保證聚焦光斑由很好聚焦特性，系統已經對邊緣口徑的球差進行額校正，MTF值接近衍射極限，如圖所示。

由聚焦原理可以知道，通過調整透鏡間的間隔能夠實現光束在不同位置處聚焦。光學系統采用3片透鏡結構，考慮到結構等因素，我們通過調節第3片和第2片透鏡之間的距離來實現激光束聚焦。為了得到間距與聚焦位置的對應關系我們采用操作數GENC（幾何包圍圓能量）對結構進行優化。表1給出了第3片和第2片透鏡之間間距與聚焦位置的對應關系。

3 系統仿真及試驗

依據設計的光學結構及激光光束的參數，在LightTools軟件中對遠場聚焦光斑進行仿真計算，能夠得到不同距離處聚焦光斑的大小及能量分布情況，如圖8所示。圖9給出150m處對玻璃鋼材料進行的毀傷試驗，針對光斑大小，試驗效果達到了仿真計算的結果。

4 結論

本文闡述了激光遠場聚焦原理，并對其聚焦特性進行了分析，進而設計了一套激光拒止光學系統，該系統可實現50m～300m遠場聚焦，并在150m進行了驗證試驗，試驗結果理想，可對后續開展激光拒止工作提供參考和依據。

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