一種目標回光能力值校準新型光源發射系統的製作方法

2024-01-28 19:58:15 1

本發明屬於光電跟蹤技術領域，涉及一種目標回光能力值校準新型光源發射系統。

背景技術：

隨著光電跟蹤系統在軍事領域的廣泛應用，針對光電系統的偵察與告警技術也逐步發展起來。光電系統具有一個共同的特性，即對入射光有較強的按原路返回的特性，且回波能量比漫反射目標要高出102～104倍，此即光電系統的貓眼效應，運用光電系統的貓眼效應，可實現對敵方目標的有效偵察與探測，而目標回光能力值RC這是用於評價光電系統貓眼效應的最主要參數。

但是，目前國際國內對回光能力值RC來測量時採用的是基於高斯光束的雷射，這種光束波前分布不均勻，光強分布呈高斯分布，與實際目標入射光差距較大，不適合作為回光能力值校準裝置的光源。而且國內相似多數光束控制系統僅能單對光強分布或者波前分布進行控制，不能對光強和波前進行聯合控制。國內國際對光強分布著勻化處理的過程中，採用別的方法通常會破壞雷射的相干性或者波前分布，難於同時兼顧光強與波前分布。

技術實現要素：

(一)發明目的

本發明的目的是：針對上述現有技術無法科學的產生能夠用於目標回光能力值校準的光源發射系統，以及傳統的發射系統不能很好的描述實際目標工作狀態下的入射光的特性，提出一種新型的目標回光能力值校準的新型光源發射系統。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本發明提供一種目標回光能力值校準新型光源發射系統，其包括：光纖雷射器1、反射準直器2、衰減器3、偏振控制器4、偏振分光鏡5同軸布置；偏振分光鏡5的全反射側布置同軸的第一λ/4波片6和波前控制器7；與第一λ/4波片6和波前控制器7相對的另一側同軸布置變倍擴束器11、光束整形器12、二級擴束器13；與光纖雷射器1、反射準直器2、衰減器3和偏振控制器4相對的另一側布置同軸的第二λ/4波片8、透反射鏡9、波前探測器10。

其中，所述光纖雷射器1放置於一個埠上，出射多波長雷射，光束質量M2優於1.4、功率100mW、波長0.632um、1.06um和0.808um，功率的穩定性優於0.5％，波長的半帶寬優於5nm。

其中，所述光纖雷射器1出射的光束通過發射準直器2進行擴束壓縮發散角，準直後的光束進入衰減器3進行光強衰減，衰減器3採用可更換式中性衰減片，衰減倍率0dB～100dB變化。

其中，所述衰減後的光束經過偏振控制器4進行偏振選擇，經選擇的偏振光進入偏振分光鏡5後被全反射，反射光束通過第一λ/4波片6後入射到波前控制器7。

其中，所述波前控制器7包括液晶調製器和控制系統，液晶調製器採用高精度純相位空間光調製器。

其中，光束通過波前控制器7調製新的光束波前後被反射，反射光再次經過第一λ/4波片6後通過偏振分光鏡5，透射後的光束經過第二λ/4波片8後被透反射鏡9部分反射，部分透射。

其中，所述透反射鏡9前表面鍍反射率α1為90％的反射膜，後表面鍍α2為99.8％的增透膜，透過光束經過波前探測器10進行波前探測。

其中，所述波前探測器10的前端光學系統包括雙膠合透鏡16和單透鏡，後端光學系統包括目鏡18和哈特曼傳感器19；當測量波長為0.632um的光束時，前端光學系統和後端光學系統之間放入補償板17。

其中，所述透反射鏡9的反射光束再次經過第二λ/4波片8後改變偏振方向，經過偏振分光鏡5反射進入變倍擴束器11進行光束的擴展，經過變倍率擴展的光束進入光束整形器12進行光強勻化處理，經過整形的光束進入二級擴束器13，實現多波長下工作

其中，所述變倍擴束器11包括同軸設置的變倍組透鏡20、固定組透鏡21和補償組透鏡22；光束整形器12採用克卜勒型非球面鏡組整形原理，包括第一非球面透鏡14和第二非球面透鏡15；二級擴束器13放大倍率為6×，主鏡為雙分離透鏡，次鏡為單負透鏡，次鏡將固定在電動步進位移臺上，以實現精確控制次鏡與主鏡間距離。

(三)有益效果

上述技術方案所提供的目標回光能力值校準新型光源發射系統，採用了變倍率光學設計、波前控制設計、光束勻化設計、多級放大設計和波前閉環控制設計等，使得出射光束到達波前均勻分布，光強呈平頂高斯分布；通過波前測量和閉環控制，不僅可以提高波前均勻的效果，還可以控制面與出射面的共軛關係。

附圖說明

圖1是本發明目標回光能力值校準的新型光源發射系統結構示意圖。

圖中：1-光纖雷射器，2-反射準直器，3-衰減器，4-偏振控制器，5-偏振分光鏡，6-第一λ/4波片，7-波前控制器，8-第二λ/4波片，9-透反射鏡，10-波前探測器，11-變倍擴束器，12-光束整形器，13-二級擴束器。

圖2是本發明光束整形的示意圖。

圖中：14-第一非球面透鏡，15-第二非球面透鏡。

圖3是本發明波前探測系統的示意圖。

圖中：16-雙膠合透鏡，17-補償板，18-目鏡，19-哈特曼傳感器。

圖4是本發明波前探測系統光學波前畸變測量示意圖。

圖5是本發明變倍率擴束系統光路示意圖。

圖中：20-變倍組透鏡，21-固定組透鏡，22-補償組透鏡。

圖6是本發明的二級擴束器的光學示意圖。

圖7是本發明光強均勻性測量結果。

圖8是本發明光束波前均勻性測量結果。

具體實施方式

為使本發明的目的、內容和優點更加清楚，下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。

參閱圖1。在以下描述的一個最佳實施例中，目標回光能力值校準新型光源發射系統包括：光纖雷射器1、反射準直器2、衰減器3、偏振控制器4、偏振分光鏡5、2個λ/4波片6和8、波前控制器7、透反射鏡9、波前探測器10、變倍擴束器11、光束整形器12、二級擴束器13。

具體地，光纖雷射器1、反射準直器2、衰減器3、偏振控制器4、偏振分光鏡5同軸布置；偏振分光鏡5的全反射側布置同軸的第一λ/4波片6和波前控制器7；與第一λ/4波片6和波前控制器7相對的另一側同軸布置變倍擴束器11、光束整形器12、二級擴束器13；與光纖雷射器1、反射準直器2、衰減器3和偏振控制器4相對的另一側布置同軸的第二λ/4波片8、透反射鏡9、波前探測器10。

光纖雷射器1放置於一個埠上，出射多波長雷射，光束質量M2優於1.4、功率100mW、波長0.632um、1.06um和0.808um，功率的穩定性優於0.5％，波長的半帶寬優於5nm。

光纖雷射器1出射的光束通過發射準直器2進行擴束壓縮發散角，被擴束後口徑為10mm，通光口徑值16mm；反射鏡NA值0.36。光強分布為高斯分布。準直後的光束進入衰減器進行光強衰減，衰減器採用的是可更換式中性衰減片，衰減倍率0dB～100dB變化。

衰減後的光束經過偏振控制器4進行偏振選擇，經選擇的偏振光進入偏振分光鏡5後被全反射，反射率大於94％。反射光束通過第一λ/4波片6後入射到波前控制器7。波前控制器7主要是由液晶調製器和控制系統組成，液晶調製器採用PLUTO(BB)高精度純相位空間光調製器，直接通過計算機的圖形顯卡的DVI或VGA接口加載波前圖像。有效面積：15.36mm×8.64mm，波前變化頻率：60Hz，響應時間優於30ms，相位調製範圍：2π，空間解析度8um，初始的波前調節量為W0(xn,yn)，此時的光場分布如公式(1)所示。

A1(x,y)＝A(x0,y0)exp[-ikW0(xn,yn)] (1)

其中為雷射器的光場分布，以高斯光束為例，如公式(2)所示。

其中z是傳輸距離，ω0是束腰半徑，k是波數，ω0＝ω0[1+(z/z0)]1/2，R(z)＝z0×(z/z0+z0/z)。

光束通過波前控制器7調製新的光束波前後被反射，反射光再次經過第一λ/4波片6後通過偏振分光鏡5，透射後的光束經過第二λ/4波片8後被透反射鏡9部分反射，部分透射。

透反射鏡9前表面鍍反射率α1為90％的反射膜，後表面鍍α2為99.8％的增透膜，透過光束經過波前探測器10進行波前探測。波前探測器如圖3所示，前端光學系統主要由雙膠合透鏡16和單透鏡組成，後端包括目鏡18和哈特曼傳感器19。當測量波長為0.632um的光束時，放入補償板17。入射有效口徑大於Ф20mm，縮束倍率為2.5x，測量範圍大於5λ，光學系統波前畸變優於λ/17，如圖4所示。此時測量得到的波前相位分布為Wm(xn,yn)。

透反射鏡9的反射光束再次經過第二λ/4波片8後改變偏振方向，經過偏振分光鏡5反射進入變倍擴束器11進行光束的擴展，變倍擴束器11包括同軸設置的變倍組透鏡20、固定組透鏡21和補償組透鏡22，如圖5所示。變倍擴束器連續變倍N1的範圍為1.2×～2.5×，不同組態度波像差均小於λ/4。系統採用多重結構設計，保證在雙波長、不同倍率下都有良好的光學質量。變焦組的焦距為64mm，固定組焦距為-20mm，補償組的焦距為112mm。變焦組與固定組間距離變化範圍為8mm～32mm，固定組與補償組間距離變化範圍為56mm～79mm。此位置的光場分布如公式(3)所示。

A1(x1,y1)＝F-1{F[A1(x/N1,y/N1)]×H(fx,fy,z1)} (3)

其中F-1{…}是離散傅立葉逆變換，F{…}是離散傅立葉變換。H(..,z1)是角譜傳遞函數，z1是傳輸的距離，如公式(4)所示。

經過變倍率擴展的光束進入光束整形器12進行光強勻化處理。光束整形器12採用克卜勒型非球面鏡組整形原理，包括第一非球面透鏡14和第二非球面透鏡15，理論主要基於幾何光學的光線追跡和能量守恆定律。如圖2所示，坐標(r,z)與(R,Z)分別為兩凸非球面鏡上的坐標，則垂度曲線即為z(r)、z(R)。利用能量守恆定律，還可得到r與R之間另一關係式，即克卜勒型非球面鏡的追跡函數，如公式(5)所示。

利用公式(5)，可以計算得到兩個非球面鏡的面形曲線的數值計算表示式(6)和(7)。

利用公式(6)和公式(7)可以計算得到兩個分球面的曲率，利用光學軟體計算可以得到兩個非球面鏡的非球面度。兩個非球面透鏡的曲率半徑均為-56.66mm，第一個非球面透鏡的Conic為-41.1258，第二個非球面透鏡的Conic為-452.3604。經過理論分析此時高斯光束變化平頂光束，能量均勻度理論結果優於95％。兩個非球面引入的波前相位分別為W(Zr)和W(ZR)，光束一共傳輸的距離為z2，此時光場分布為公式(8)所示。

A2(x2,y2)＝F-1{F[A1(x1,y1)W(Zr)]×H(fx,fy,z2)}×W(ZR) (8)

經過整形的光束進入二級擴束器13，如圖6所示。擴束系統放大倍率為6×，主鏡為雙分離透鏡，焦距約為1000mm，次鏡為單負透鏡，焦距約為-167mm。次鏡將固定在電動步進位移臺上，通過精確控制次鏡與主鏡間距離來實現多波長下工作。各個波長的光學畸變均優於λ/6。此時的光場分布為公式(9)所示。

A3(x3,y3)＝F-1{F[A2(x2/N2,y2/N2)]H(fx,fy,z3)H(fx,fy,z4)} (9)

光學畸變小引入的誤差可以在公式(9)忽略不計，z3是光束傳輸的距離，z4是需要出現波前均勻分布的面距離二級擴束器出瞳面的距離。此時要到達要求的波前均勻分布，則需要滿足公式(10)，

將公式(1)～(4)、(8)和(9)代入公式(10)，可以得到此時需要代入的波前畸變量為Wz(xn,yn)，則此時波前控制器8需要進行疊加的量如公式(11)所示。

ΔW(xn,yn)＝W0(xn,yn)-Wz(xn,yn) (11)而此時波前探測系統應該顯示的波前測量值應該為公式(12)所示。

Wmn(xn,yn)＝Wm(xn,yn)+ΔW(xn,yn) (12)

本發明根據以上理論計算結果和實驗數據分析，該新型光源發射系統的出射光口徑達到Φ72mm～Φ150mm，波前控制範圍為0～5λ，光功率衰減倍率為0～100dB，光強均勻性最優能夠到達87％，如圖7所示。波前均勻性最優能夠到達λ/9，如圖8所示。波前相位分布閉環控制最大帶寬能夠到達20Hz以上。

由以上技術方案可以看出，本發明具有以下顯著特點：

本發明通過採用了第一非球面透鏡14和第二非球面透鏡15組成的普勒型形式的光束整形器，生成光強分布為平頂高斯光束，而且在光強勻化的過程中不會導致波前均勻分布的惡化，以及雷射相干性的退化。

本發明通過使用了採用了聯合設計的波前控制器和波前探測系統構成閉環控制，能夠使得出射光束的波前分布近似均勻分布，更接近實際使用狀態。同時能夠通過波前控制器疊加不同的波前相位，使得均勻分布的波前出現的位置面可以進行精確的控制。

本發明通過對波前控制器和光束整形器的聯合設計，使得在出瞳面位置能夠同時滿足光強呈平頂高斯分布，波前呈均勻分布。

本發明通過設計變倍擴束器和二級擴束器的兩級擴束，使得光束能夠在72mm～150mm變化，最大程度的對光束進行了有效的利用，避免因為使用光闌進行光束口徑的變化而導致的衍射效應。

本發明通過設計了監控的功率計和回光功率測量的功率計，通過計算兩者的比值獲的回光能力值，降低了因為入射光功率起伏導致的誤差，也提高了測量重複性。通過該方法可以優化因為單個功率計量值溯源問題而導致的測量不確定度分量。

本發明針對目標回光能力值校準使用的光源光強和波前分布的問題，獨創性地設計研製了目標回光能力值新型發射系統。該發射光源可以閉環的產生口徑尺寸不同、光強呈高斯平頂分布、波前呈均勻分布的光束。實現多波長72mm～150mm口徑光束的輸出，光功率衰減範圍0dB～100dB；波前控制範圍到達2π，閉環控制精度優於λ/6，測量帶寬優於；光強分布呈平頂高斯分布，均勻性優於84.5％；該發射系統自動化高，採用閉環控制設計，嚴格按照實際應用進行光源光強和波前分布設計，控制精度高、重複性好、可靠性高，控制範圍大，可以廣泛用於目標回光能力值校準的光源使用。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本發明的保護範圍。