CN103309044A - 一种用于实现圆形光束整形为环形光束的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于实现圆形光束整形为环形光束的方法，本发明涉及非成像光学领域，尤其涉及一种用于将圆形光束整形为环形光束的方法。本发明是要解决光学天线造成的能量损耗的问题，而提供了一种用于实现圆形光束整形为环形光束的方法。(1)确定激光器发出的光束各参数；(2)建立坐标系；(3)根据光线追迹建立一一对应关系；(4)计算光线偏角；(5)确定光学整形元件的径向相位分布表达式；(6)确定光学整形元件的径向轮廓；(7)确定光学相位校正元件的径向相位分布表达式；(8)确定光学相位校正元件的径向轮廓。本发明应用于光学领域。

Description

一种用于实现圆形光束整形为环形光束的方法

技术领域

本发明涉及非成像光学领域，尤其涉及一种用于将圆形光束整形为环形光束的方法。

背景技术

在激光雷达和自由空间激光通信等系统中，其光发射系统的扩束准直一般采用双反射式的卡塞格伦光学天线，这样就不可避免地产生由于次镜遮挡而造成的光能损失，并且由于光源的光强是一般高斯分布，使得这种损失更加明显。

典型的光学发射系统主要由激光器(1)、准直透镜组(2)以及由主镜(3)和次镜(4)构成的卡塞格伦光学天线组成，如图2。其中卡塞格伦光学天线实际上是一种无焦望远镜结构，由同轴放置的主镜和次镜构成。由激光器输出的光束首先须经透镜组进行准直和整形处理，波形如图3，然后光束将沿光轴方向平行入射到光学天线的次镜上，次镜将光束反射至主镜，最后光束经主镜二次反射后从光学天线的出瞳平面P3处出射。显然，次镜将遮挡部分发射光束，将圆形的光束遮挡后变成环形光束，如图4，造成发射能量减小，严重影响了发射光束能量利用率。

实际上，次镜遮挡造成的能量损失严重影响了发射光束能量利用率。例如，LUCE激光通信终端的天线主镜口径为260mm，主次镜口径比为5，发射光束束腰为120mm，因此当光强呈高斯分布的出射光束经过次镜时，大约有31.3％的光束能量将由于次镜的遮挡而损失。由于发射光束束腰相对较小，由主镜口径截止所造成的能量损失＜1％。因此，在光学发射系统的光学系统设计中，如何避免由于次镜遮挡造成的光能损失，设计出高效率的光学发射系统就显得非常重要了。

为消除光学天线造成的能量损耗，提高发射能量利用率，传统的解决方法是提高发射激光器的输出功率，但这种方法将增加功耗，而且反射回系统内部的光能对系统的影响不可消除。其它的解决方法包括旋转三棱镜、双次镜、锥面反射镜及离轴三反镜等，但这些方法大多存在整形效率不高、系统体积庞大或加工装调困难等缺点，不能很好地满足实际系统需求。

发明内容

本发明是要解决光学天线造成的能量损耗的问题，而提供了一种用于实现圆形光束整形为环形光束的方法，提高光能利用率。

一种用于实现圆形光束整形为环形光束的方法按以下步骤实现：

(1)确定激光器发出的圆形光束的直径D0、环形光束的内环直径D1、环形光束的外环直径D2、光学整形元件与光学相位校正器件的间距L，主镜、次镜的口径分别为d₁、d₂，若卡塞格伦式光学天线的放大倍率为T，则

$\left\{\begin{array}{c}D1\≤d_1/T\\ D2\≥d_2/T\end{array}\right.$

D0为经准直透镜组准直后的光束口径，取L≥2D0；

(2)建立坐标系：以准直光束的一个截面作为坐标平面xoy建立直角坐标系，截面中心为坐标原点，准直光束的方向与z轴平行；

(3)根据光线追迹建立一一对应关系：P1面上从距离光束中心r₁处发出的光线入射到P2面上距离光束中心r₂处，其中0≤r₁≤D0，D1≤r₂≤D2，且满足几何关系

$r_2=D1+\frac{D2-D1}{D0}\·r_1$

(4)计算光线偏角：由几何关系，可以确定

$\sin \mathrm{\θ}=\frac{r_2-r_1}{L}$

(5)确定光学整形元件的径向相位分布表达式：由光程函数与光线偏角间的关系可以得到

$\frac{\mathrm{d\φ}\left(r_1\right)}{d{r}_1}=\sin \mathrm{\θ}$

对上式积分并，得到光学整形元件的径向相位分布；

(6)确定光学整形元件的径向轮廓：由相位与元件厚度的关系可以得到光学整形元件径向轮廓

$\mathrm{\φ}\left(r_1\right)=2\mathrm{\π}\·\frac{n_{1}z\left(r_1\right)}{\mathrm{\λ}}$

式中，n₁为光学整形元件的折射率，λ为光束波长，上式积分后得到的轮廓表达式为连续的；

(7)确定光学相位校正元件的径向相位分布表达式：由光程函数与光线偏角间的关系可以得到

$\frac{\mathrm{d\φ}\left(r_2\right)}{d{r}_2}=-\sin \mathrm{\θ}$

对上式积分，得到光学相位校正元件的径向相位分布；

(8)确定光学相位校正元件的径向轮廓：由相位与元件厚度的关系可以得到光学相位校正元件的径向轮廓

$\mathrm{\φ}\left(r_2\right)=2\mathrm{\π}\·\frac{n_{2}z\left(r_2\right)}{\mathrm{\λ}}$

式中，n₂为光学相位校正元件的折射率，λ为光束波长，上式积分后得到的轮廓表达式为连续的，即完成了利用光线追迹法实现了光学整形元件和光学相位校正元件的设计，实现了圆形光束整形为环形光束。

发明效果：

本发明利用光线追迹法实现了光学整形元件和光学相位校正元件的设计，光学整形元件和光学相位校正元件能够实现将圆形光束整形为环形光束，消除次镜遮挡，大大提高光能利用率，减小损耗。整形后的光束将不会受次镜的遮挡，理论上能将光能损耗降为零，即光能利用率提高到100％。

附图说明

图1是本发明流程图；

图2是典型的光学发射系统图；其中，1为激光器，2为准直透镜组，3为主镜，4为次镜；

图3是典型光学发射系统中圆形光束的波形图；

图4是典型光学发射系统中出射光束的波形图；

图5是优化后的光学发射系统图；其中，1为激光器，2为准直透镜组，3为主镜，4为次镜，5为光学整形元件，6为光学相位校正器件；

图6是优化后的光学系统中整形前圆形光束的波形图；

图7是优化后的光学系统中整形后环形光束的波形图；

图8是优化前后光学系统的出射光束波形比对图；

图9是本发明的结构图；

图10是本发明的原理图；

图11是光程函数与光线偏角间的关系图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种用于实现圆形光束整形为环形光束的方法按以下步骤实现：

用于将圆形光束整形为环形光束的设计方法具体步骤如下：

(1)如图9，确定圆形光束的直径D0，环形光束的内外环直径D1、D2，以及两个光学元件的间距L：若主镜、次镜的口径分别为d₁、d₂，若天线的放大倍率为T，则

$\left\{\begin{array}{c}D1\≤d_1/T\\ D2\≥d_2/T\end{array}\right.$

D0为经准直透镜组准直后的光束口径，为保证经过光学整形元件后的光线的偏角尽可能的小，一般取L≥2D0；

(2)建立坐标系：以准直光束的一个截面作为坐标平面xoy建立直角坐标系，截面中心为坐标原点，准直光束的方向与z轴平行；

(3)根据光线追迹建立一一对应关系：如图10，P1面上从距离光束中心r₁处发出的光线入射到P2面上距离光束中心r₂处，其中0≤r₁≤D0，D1≤r₂≤D2，且满足关系

$r_2=D1+\frac{D2-D1}{D0}\·r_1$

(4)计算光线偏角：由几何关系，可以确定

$\sin \mathrm{\θ}=\frac{r_2-r_1}{L}$

(5)确定光学整形元件的径向相位分布表达式：如图11，由光程函数与光线偏角间的关系并结合图10，可以得到

$\frac{\mathrm{d\φ}\left(r_1\right)}{d{r}_1}=\sin \mathrm{\θ}$

对上式积分并，得到光学整形元件的径向相位分布；

(6)确定光学整形元件的径向轮廓：由相位与元件厚度的关系可以得到光学整形元件径向轮廓

$\mathrm{\φ}\left(r_1\right)=2\mathrm{\π}\·\frac{n_{1}z\left(r_1\right)}{\mathrm{\λ}}$

式中，n₁为光学整形元件的折射率，λ为光束波长，上式积分后得到的轮廓表达式为连续的；

(7)确定光学整形元件的径向相位分布表达式：经过光学整形元件调制后的光束在光学位相校正元件的前表面上的分布环形，但是传播方向不再与z轴平行，需要通过光学位相校正元件的调制，使得整形后的光束沿着z轴传播，如图11，由光程函数与光线偏角间的关系并结合图10，可以得到

$\frac{\mathrm{d\φ}\left(r_2\right)}{d{r}_2}=-\sin \mathrm{\θ}$

对上式积分并，得到第二片元件的径向相位分布；

(8)确定光学整形元件的径向轮廓：由相位与元件厚度的关系可以得到光学整形元件径向轮廓

$\mathrm{\φ}\left(r_2\right)=2\mathrm{\π}\·\frac{n_{2}z\left(r_2\right)}{\mathrm{\λ}}$

式中，n₂为光学整形元件的折射率，λ为光束波长，上式积分后得到的轮廓表达式为连续的，确定第二片元件的径向轮廓，上式积分后得到的轮廓表达式为连续的。

通过本实施方式中所描述的设计方法设计出的元件的表面为连续表面，利于加工，增加了实用性。

本实施方式中，

优化设计后的发射光路如图5所示，它主要包括：激光器(1)；准直透镜组(2)；主镜(3)和次镜(4)构成的卡塞格伦式光学天线光学整形元件(5)；光学位相校正元件(6)；；

与优化前的光学发射光路相比，图3所示的发射光路仅在准直透镜组和光学天线间增加了两个元件(光学整形元件和光学相位校正元件)，其中光学整形元件的作用是将光束的能量分布由高斯分布转换为中空环形分布，而光学位相校正元件的作用是修正光束光场的位相分布，使光束传播方向满足设计要求。这样，当光束经准直透镜组准直和整形后，在光学整形元件所在平面P₁处的光强分布依然呈高斯分布，如图6，然而在经过该元件表面的调制后，光束在该器件的焦平面P₂处的光强呈环形分布，如图7。由于光束整形过程未对输出面P₂处光束的传播方向作任何要求和限制，整形后的光束将偏离原传播方向，因此还需在P₂平面处设置一个位相校正元件修正光束的位相分布，以保证光束能沿着原方向传播。

假设环形光束内外径之比d₂/d₁等于次镜和主镜的口径比值D₂/D₁，并且环形光束的外径d₁等于次镜的直径D₂，也等于主镜中心开孔的直径，则当环形光束经过光学天线等倍率放大后，输出光束能量分布仍为环形分布。放大后的环形光束的内外径分别为D₂和D₁，也就是说，放大后的光束尺寸正好等于光学天线主次镜的相应尺寸，并且放大后的环形光束的内径与主镜通光孔的直径相等。因此光束在经过天线次镜反射后，将完全投射到主镜上，不再产生反射回终端内部的杂散光，所有光束经主镜二次反射后均能无遮挡的往外发射，此时在发射光学系统的出瞳面P₃处得到的强度分布为环形分布，优化前光学发射系统的出射光束波形(a)和优化后光学发射系统的出射光束波形(b)对比如图8。

显然，当图2所示的发射光路经过所示的优化设计之后，在理想情况下，光束在经过光学天线时将不再因为次镜的遮挡损失能量，因此光学发射系统的能量利用率必然相应提高。

Claims (1)

1.一种用于实现圆形光束整形为环形光束的方法，其特征在于一种用于实现圆形光束整形为环形光束的方法按以下步骤实现：

(1)确定激光器发出的圆形光束的直径D0、环形光束的内环直径D1、环形光束的外环直径D2、光学整形元件与光学相位校正器件的间距L，主镜、次镜的口径分别为d₁、d₂，若卡塞格伦式光学天线的放大倍率为T，则

$\left\{\begin{array}{c}D1\≤d_1/T\\ D2\≥d_2/T\end{array}\right.$

D0为经准直透镜组准直后的光束口径，取L≥2D0；

(2)建立坐标系：以准直光束的一个截面作为坐标平面xoy建立直角坐标系，截面中心为坐标原点，准直光束的方向与z轴平行；

(3)根据光线追迹建立一一对应关系：P1面上从距离光束中心r₁处发出的光线入射到P2面上距离光束中心r₂处，其中0≤r₁≤D0，D1≤r₂≤D2，且满足几何关系

$r_2=D1+\frac{D2-D1}{D0}\·r_1$

(4)计算光线偏角：由几何关系，可以确定

$\sin \mathrm{\θ}=\frac{r_2-r_1}{L}$

(5)确定光学整形元件的径向相位分布表达式：由光程函数与光线偏角间的关系可以得到

$\frac{\mathrm{d\φ}\left(r_1\right)}{d{r}_1}=\sin \mathrm{\θ}$

对上式积分并，得到光学整形元件的径向相位分布；

(6)确定光学整形元件的径向轮廓：由相位与元件厚度的关系可以得到光学整形元件径向轮廓

$\mathrm{\φ}\left(r_1\right)=2\mathrm{\π}\·\frac{n_{1}z\left(r_1\right)}{\mathrm{\λ}}$

式中，n₁为光学整形元件的折射率，λ为光束波长，上式积分后得到的轮廓表达式为连续的；

(7)确定光学相位校正元件的径向相位分布表达式：由光程函数与光线偏角间的关系可以得到

$\frac{\mathrm{d\φ}\left(r_2\right)}{d{r}_2}=-\sin \mathrm{\θ}$

对上式积分，得到光学相位校正元件的径向相位分布；

(8)确定光学相位校正元件的径向轮廓：由相位与元件厚度的关系可以得到光学相位校正元件的径向轮廓

$\mathrm{\φ}\left(r_2\right)=2\mathrm{\π}\·\frac{n_{2}z\left(r_2\right)}{\mathrm{\λ}}$

式中，n₂为光学相位校正元件的折射率，λ为光束波长，上式积分后得到的轮廓表达式为连续的，即完成了利用光线追迹法实现了光学整形元件和光学相位校正元件的设计，实现了圆形光束整形为环形光束。

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