CN102590800A - 2μm相干测风激光雷达预扩束系统 - Google Patents

Abstract

2μm相干测风激光雷达预扩束系统，涉及一种预扩束系统，它是为了解决现有的扩束系统的光能量损失大的问题。本发明根据激光测风雷达系统中发射激光束的发散角要求，采用单片非球面透镜产生的像差与单片负弯月形透镜产生的像差共扼的方法，构架了一种带有非球面的倒置伽利略望远镜形式的预扩束系统，解决了传统的扩束系统分别校正非球面物镜和负弯月形透镜像差而引起的镜片多，光能量损失大的问题。本发明的预扩束系统结构简单，且精度高。本发明适用于激光雷达、激光器准直系统。

Description

2μm相干测风激光雷达预扩束系统

技术领域

本发明涉及一种预扩束系统。

背景技术

在一些激光雷达、激光器准直系统中，经常应用扩束器来改变出射光口径，改善激光束的发散角。通常扩束系统是利用非球面物镜和负弯月形透镜分别校正像差，这样对于扩束倍率较大的系统，采用的镜片会很多，结构复杂，且光能量损失大。

发明内容

本发明是为了解决现有的扩束系统的光能量损失大的问题，从而提供一种2μm相干测风激光雷达预扩束系统。

2μm相干测风激光雷达预扩束系统，它包括负弯月形透镜和非球面物镜，所述负弯月形透镜和非球面物镜同轴设置。

负弯月形透镜和非球面物镜的初级像差理论为：

$S_1=h_1{P}_1+h_2{P}_2+h_2^{4}K,---\left(1\right)$

其中，

$P_j={\left(\frac{u_j^{\′}-u_j}{1/n^{\′}-1/n}\right)}^2(\frac{u_j^{\′}}{n^{\′}}-\frac{u_j}{n}),---\left(2\right)$

$K=-\frac{e^2}{R_0^3}(n^{\′}-n)$

式中：下标j＝1或2，S₁为像差系数，h₁表示入射光线在负弯月形透镜上的高度，h₂表示入射光线在非球面物镜上的高度，u₁和u′₁分别为负弯月形透镜的入射孔径角和出射孔径角，u₂和u′₂分别为非球面物镜的入射孔径角和出射孔径角，K为非球面物镜的非球面像差系数，e²为非球面物镜的二次曲面的偏心率，n为空间介质的折射率，n′为负弯月形透镜材料的折射率，R₀为非球面物镜中心曲率半径。

负弯月形透镜的焦距f₁和非球面物镜的焦距f₂的关系为：f₂＝-10f₁。

负弯月形透镜前表面的曲率半径r₁和其后表面的曲率半径r₂之间满足负弯月形透镜焦距公式：

$f_1=\frac{r_1{r}_2}{(n^{\′}-1)(r_2-r_1)}---\left(3\right)$

式中，f₁是负弯月形透镜的焦距。

非球面物镜为平凸非球面镜，其非球面中心曲率半径R₀为：

R₀＝(n′-1)f₂          (4)

式中，f₂是非球面物镜的焦距。

P_j值采用下述方法获得：利用预扩束系统光学特性有：

h₂＝h₁+du′₁，u′₂＝u₁＝0，u₂＝u′₁， $u_1^{\′}=\frac{h_2-h_1}{d},$ d＝f₂-f₁        (5)

其中，d为负弯月形透镜和非球面物镜之间的光学间隔；获得边缘光线在每个面上的入射角u和出射孔径角u′，代入公式(2)，获得非球面物镜各个面的P_j值。

将P和K代入式(1)中，并令S₁＝0即可计算出非球面物镜的非球面偏心率e²的大小即确定二次曲面的面型。只要知道了非球面物镜的曲率半径R₀和偏心率e²，则非球面物镜的结构就确定了。

负弯月形透镜和非球面物镜的材料均为石英玻璃，且折射率n′均为1.4505。

h₁＝0.5mm，h₂＝5mm。

负弯月形透镜和非球面物镜的材料均为对红外光高透的熔融石英玻璃。

负弯月形透镜前表面的曲率半径r₁＝180mm，焦距f₁＝-31mm，非球面物镜的二次曲面的偏心率e²＝0.2。

有益效果：本发明根据激光测风雷达系统中发射激光束的发散角要求，采用单片非球面透镜产生的像差与单片负弯月形透镜产生的像差共扼的方法，构架了一种带有非球面的倒置伽利略望远镜形式的预扩束系统，解决了传统的扩束系统分别校正物镜和负弯月形透镜像差而引起的镜片多，光能量损失大的问题。本发明的预扩束系统结构简单，且扩束精度高。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；图2本发明的预扩束系统的波相差分析示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式，2μm相干测风激光雷达预扩束系统，它包括负弯月形透镜1和非球面物镜2，所述负弯月形透镜1和非球面物镜2同轴设置。

负弯月形透镜1和非球面物镜2的初级像差理论为：

$S_1=h_1{P}_1+h_2{P}_2+h_2^{4}K,---\left(1\right)$

其中，

$P_j={\left(\frac{u_j^{\′}-u_j}{1/n^{\′}-1/n}\right)}^2(\frac{u_j^{\′}}{n^{\′}}-\frac{u_j}{n}),---\left(2\right)$

$K=-\frac{e^2}{R_0^3}(n^{\′}-n)$

式中：下标j＝1或2，S₁为像差系数，h₁表示入射光线在负弯月形透镜1上的高度，h₂表示入射光线在非球面物镜2上的高度，u₁和u′₁分别为负弯月形透镜1的入射孔径角和出射孔径角，u₂和u′₂分别为非球面物镜2的入射孔径角和出射孔径角，K为非球面物镜2的非球面像差系数，e²为非球面物镜2的二次曲面的偏心率，n为空间介质的折射率，n′为负弯月形透镜1材料的折射率，R₀为非球面物镜2中心曲率半径。

负弯月形透镜1的焦距f₁和非球面物镜2的焦距f₂的关系为：f₂＝-10f₁。

负弯月形透镜1前表面的曲率半径r₁和其后表面的曲率半径r₂之间满足负弯月形透镜1焦距公式：

$f_1=\frac{r_1{r}_2}{(n^{\′}-1)(r_2-r_1)}---\left(3\right)$

式中，f₁是负弯月形透镜(1)的焦距。

非球面物镜2为平凸非球面镜，其非球面中心曲率半径R₀为：

R₀＝(n′-1)f₂              (4)

式中，f₂是非球面物镜(2)的焦距。

P_j值采用下述方法获得：利用预扩束系统光学特性有：

h₂＝h₁+du′₁，u′₂＝u₁＝0，u₂＝u′₁， $u_1^{\′}=\frac{h_2-h_1}{d},$ d＝f₂-f₁          (5)

其中，d为负弯月形透镜1和非球面物镜2之间的光学间隔；获得边缘光线在每个面上的入射角u和出射孔径角u′，代入公式(2)，获得非球面物镜2各个面的P_j值。

公式(5)表示获得像差系数中符号P、K的方法，即：在得到P、K的基础上将P和K代入式(1)，且令S₁＝0计算出非球面物镜2非球面偏心率e²的值，知道这个值就可以确定非球面物镜2的面型。

负弯月形透镜1的入射光高度h₁和非球面物镜2的入射光高度h₂根据激光束光斑大小和扩束倍率决定。

本实施方式在实际搭建时：

1、由于激光束的发散角较小，所以只需校正轴上球差及正弦差；

2、结构宜简单，采用非球面单透镜，以尽量减少激光能量的损耗。

3、不宜用胶合面，因胶合面易受激光损坏。

4、应考虑到表面的多次反射像不要成在透镜内部，以免损伤玻璃。

5、不必校正色差，但应减小色球差，以兼顾几种不同波长。

工作原理：在2μm相干激光测风雷达系统中，激光器发散角为1mrad左右，激光光斑直径为1mm，波长为2μm，发射的激光束要求达到10km左右，为增强回波信号，提高信噪比，要求对发射激光束进行一定的预扩束，且预扩束后激光发散角小于0.1mrad。考虑加工和装调误差，扩束倍率选取10。为了防止高能量激光束在空气中会聚而产生电离，在扩束器中目镜采用负弯月形透镜，

预扩束镜一般为一个放大倍率固定的小望远镜系统，主要完成发射激光束的预先扩束。本发明采用伽利略式预扩束镜，主要考虑入射激光光束的有效口径和放大倍率两个技术指标。

预扩束镜的设计应该遵循的一个基本原则就是非球面物镜2与负弯月形透镜1具有相同的F数，这样可以保证平行光进平行光出。取半月形透镜1的前表面面曲率半径180mm，焦距f₁＝-31mm，计算得到非球面物镜2的二次曲面的偏心率e²＝0.2即表示二次曲面面型为椭球面。采用常用的ZEMAX光学设计软件来设计预扩束镜，设计的参数如表1所示。设计时采用的波长为2μm，材料选为对红外光高透的熔融石英。无特殊标记时下面表中的长度单位均采用毫米(mm)。

表1：

本实施方式中，选择有效入瞳口径为1mm，有效出瞳口径为10mm。考虑到最终系统的装调，两个镜片的实际半口径都选为6.35mm。预扩束镜系统的设计结果如图2所示，图2本发明的预扩束系统的波相差分析示意图，为了对平行光束进行评价加入了一个理想的参考平面，从结果可以看出，点列图均方根半径为0.485μm，均方根波相差为0.0085λ，达到了衍射极限水平。

对预扩束镜系统进行公差分析，结果见表2。从表中可以看出，系统的加工和装调误差对预扩束镜系统的影响，结果表明，TIRY4的误差对系统的影响最大，当公差级别变为0.1mm时，可以看出系统的结果完全满足设计要求。

表2：

检测方法：利用光束质量分析仪对光束发散角进行检测，设在其经过的光路上X₁处的光斑直径为D₁，然后移动光束质量分析仪的CCD探头到X₂处，测得光斑直径为D₂，则光束发散角为：

$\mathrm{\θ}=\frac{D_1-D_2}{X_1-X_2}---\left(6\right)$

实际测量过程中，将激光光轴与预扩束光轴精调重合，然后将光束质量分析仪的CCD探头安装在预扩束器发射光一侧的精密的导轨上，导轨上有测度，可以直接读出探头移动的距离，首先，将CCD探头固定在10cm处，测得光斑直径为10.125mm，然后移动CCD探头到210cm处，测得此处光斑直径为10.275mm，则根据(6)式可得光束发散角的大小为0.075mrad，可见该系统满足发散角使用的要求。

结论：本发明提出了非球面物镜2和负弯月形透镜1像差共扼的扩束器，构架了2μm相干测风激光雷达预扩束系统，该系统结构简单，相比同种结构球面扩束系统精度大大提高。本发明提出了利用光束质量分析仪对光束发散角的检测方法，解决了不可见光束发散角测量，检测精度与选用的CCD像元素的大小有关，选用CCD精度越高，检测精度就越高，本发明的测量方法为不可见光路平行光路的装调和检测提供了一份重要的参考。

具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的2μm相干测风激光雷达预扩束系统的区别在于，负弯月形透镜1和非球面物镜2的材料均为石英玻璃，且折射率均为1.4505。

具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式一所述的2μm相干测风激光雷达预扩束系统的区别在于，h₁＝0.5mm，h₂＝5mm。

具体实施方式四、本具体实施方式与具体实施方式一所述的2μm相干测风激光雷达预扩束系统的区别在于，负弯月形透镜1和非球面物镜2的材料均为对红外光高透的熔融石英玻璃。

具体实施方式五、本具体实施方式与具体实施方式一所述的2μm相干测风激光雷达预扩束系统的区别在于，负弯月形透镜1前表面的曲率半径r₁＝180mm，焦距f₁＝-31mm，非球面物镜2的二次曲面的偏心率e²＝0.2，即：表示二次曲面面型为椭球面。

Claims (10)

1.2μm相干测风激光雷达预扩束系统，其特征是：它包括负弯月形透镜(1)和非球面物镜(2)，所述负弯月形透镜(1)和非球面物镜(2)同轴设置。

2.根据权利要求1所述的2μm相干测风激光雷达预扩束系统，其特征在于，负弯月形透镜(1)和非球面物镜(2)的初级像差理论为：

$S_1=h_1{P}_1+h_2{P}_2+h_2^{4}K,---\left(1\right)$

其中，

$P_j={\left(\frac{u_j^{\′}-u_j}{1/n^{\′}-1/n}\right)}^2(\frac{u_j^{\′}}{n^{\′}}-\frac{u_j}{n}),---\left(2\right)$

$K=-\frac{e^2}{R_0^3}(n^{\′}-n)$

式中：下标j＝1或2，S₁为像差系数，h₁表示入射光线在负弯月形透镜(1)上的高度，h₂表示入射光线在非球面物镜(2)上的高度，u₁和u′₁分别为负弯月形透镜(1)的入射孔径角和出射孔径角，u₂和u′₂分别为非球面物镜(2)的入射孔径角和出射孔径角，K为非球面物镜(2)的非球面像差系数，e²为非球面物镜(2)的二次曲面的偏心率，n为空间介质的折射率，n′为负弯月形透镜(1)材料的折射率，R₀为非球面物镜(2)中心曲率半径。

3.根据权利要求2所述的2μm相干测风激光雷达预扩束系统，其特征在于，负弯月形透镜(1)的焦距f₁和非球面物镜(2)的焦距f₂的关系为：f₂＝-10f₁。

4.根据权利要求2所述的2μm相干测风激光雷达预扩束系统，其特征在于，负弯月形透镜(1)前表面的曲率半径r₁和其后表面的曲率半径r₂之间满足负弯月形透镜(1)焦距公式：

$f_1=\frac{r_1{r}_2}{(n^{\′}-1)(r_2-r_1)}---\left(3\right)$

式中，f₁是负弯月形透镜(1)的焦距。

5.根据权利要求2所述的2μm相干测风激光雷达预扩束系统，其特征在于，非球面物镜(2)为平凸非球面镜，其非球面中心曲率半径R₀为：

R₀＝(n′-1)f₂            (4)

式中，f₂是非球面物镜(2)的焦距。

6.根据权利要求2所述的2μm相干测风激光雷达预扩束系统，其特征在于，P_j值采用下述方法获得：利用预扩束系统光学特性有：

h₂＝h₁+du′₁，u′₂＝u₁＝0，u₂＝u′₁， $u_1^{\′}=\frac{h_2-h_1}{d},$ d＝f₂-f₁           (5)

其中，d为负弯月形透镜(1)和非球面物镜(2)之间的光学间隔；获得边缘光线在每个面上的入射角u和出射孔径角u′，代入公式(2)，获得非球面物镜(2)各个面的P_j值。

7.根据权利要求2所述的2μm相干测风激光雷达预扩束系统，其特征在于负弯月形透镜(1)和非球面物镜(2)的材料均为石英玻璃，且折射率n′均为1.4505。

8.根据权利要求2所述的2μm相干测风激光雷达预扩束系统，其特征在于h₁＝0.5mm，h₂＝5mm。

9.根据权利要求2所述的2μm相干测风激光雷达预扩束系统，其特征在于负弯月形透镜(1)和非球面物镜(2)的材料均为对红外光高透的熔融石英玻璃。

10.根据权利要求2所述的2μm相干测风激光雷达预扩束系统，其特征在于负弯月形透镜(1)前表面的曲率半径r₁＝180mm，焦距f₁＝-31mm，非球面物镜(2)的二次曲面的偏心率e²＝0.2。

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