CN106654840A - 一种目标回光能力值校准新型光源发射系统 - Google Patents

一种目标回光能力值校准新型光源发射系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种目标回光能力值校准新型光源发射系统，光纤激光器出射的多波长激光通过发射准直器进行扩束压缩发散角，光束进入衰减器进行光功率控制，然后进入偏振控制器进行偏振选择，经过选择的光束进入偏振分光镜后反射进入第一λ/4波片进行偏振控制后进入波前控制器进行波前调制，经波前调制的光束反射后再次通过第一λ/4波片后透射通过偏振分光镜进入第二λ/4波片，光束继续传输进入透反射镜，一部分光束进入波前探测采集波前作为闭环控制系统，另一部分光束反射通过第二λ/4波片入射到偏振分光镜后反射，反射光进入变倍扩束器进行口径变换后入射到光束整形器进行光强分布匀化，匀化后的光束进入二级扩束器进行光束扩展。

Description

一种目标回光能力值校准新型光源发射系统
技术领域
本发明属于光电跟踪技术领域，涉及一种目标回光能力值校准新型光源发射系统。
背景技术
随着光电跟踪系统在军事领域的广泛应用，针对光电系统的侦察与告警技术也逐步发展起来。光电系统具有一个共同的特性，即对入射光有较强的按原路返回的特性，且回波能量比漫反射目标要高出102～104倍，此即光电系统的猫眼效应，运用光电系统的猫眼效应，可实现对敌方目标的有效侦察与探测，而目标回光能力值RC这是用于评价光电系统猫眼效应的最主要参数。
但是，目前国际国内对回光能力值RC来测量时采用的是基于高斯光束的激光，这种光束波前分布不均匀，光强分布呈高斯分布，与实际目标入射光差距较大，不适合作为回光能力值校准装置的光源。而且国内相似多数光束控制系统仅能单对光强分布或者波前分布进行控制，不能对光强和波前进行联合控制。国内国际对光强分布着匀化处理的过程中，采用别的方法通常会破坏激光的相干性或者波前分布，难于同时兼顾光强与波前分布。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：针对上述现有技术无法科学的产生能够用于目标回光能力值校准的光源发射系统，以及传统的发射系统不能很好的描述实际目标工作状态下的入射光的特性，提出一种新型的目标回光能力值校准的新型光源发射系统。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种目标回光能力值校准新型光源发射系统，其包括：光纤激光器1、反射准直器2、衰减器3、偏振控制器4、偏振分光镜5同轴布置；偏振分光镜5的全反射侧布置同轴的第一λ/4波片6和波前控制器7；与第一λ/4波片6和波前控制器7相对的另一侧同轴布置变倍扩束器11、光束整形器12、二级扩束器13；与光纤激光器1、反射准直器2、衰减器3和偏振控制器4相对的另一侧布置同轴的第二λ/4波片8、透反射镜9、波前探测器10。
其中，所述光纤激光器1放置于一个端口上，出射多波长激光，光束质量M2优于1.4、功率100mW、波长0.632um、1.06um和0.808um，功率的稳定性优于0.5％，波长的半带宽优于5nm。
其中，所述光纤激光器1出射的光束通过发射准直器2进行扩束压缩发散角，准直后的光束进入衰减器3进行光强衰减，衰减器3采用可更换式中性衰减片，衰减倍率0dB～100dB变化。
其中，所述衰减后的光束经过偏振控制器4进行偏振选择，经选择的偏振光进入偏振分光镜5后被全反射，反射光束通过第一λ/4波片6后入射到波前控制器7。
其中，所述波前控制器7包括液晶调制器和控制系统，液晶调制器采用高精度纯相位空间光调制器。
其中，光束通过波前控制器7调制新的光束波前后被反射，反射光再次经过第一λ/4波片6后通过偏振分光镜5，透射后的光束经过第二λ/4波片8后被透反射镜9部分反射，部分透射。
其中，所述透反射镜9前表面镀反射率α1为90％的反射膜，后表面镀α2为99.8％的增透膜，透过光束经过波前探测器10进行波前探测。
其中，所述波前探测器10的前端光学系统包括双胶合透镜16和单透镜，后端光学系统包括目镜18和哈特曼传感器19；当测量波长为0.632um的光束时，前端光学系统和后端光学系统之间放入补偿板17。
其中，所述透反射镜9的反射光束再次经过第二λ/4波片8后改变偏振方向，经过偏振分光镜5反射进入变倍扩束器11进行光束的扩展，经过变倍率扩展的光束进入光束整形器12进行光强匀化处理，经过整形的光束进入二级扩束器13，实现多波长下工作
其中，所述变倍扩束器11包括同轴设置的变倍组透镜20、固定组透镜21和补偿组透镜22；光束整形器12采用开普勒型非球面镜组整形原理，包括第一非球面透镜14和第二非球面透镜15；二级扩束器13放大倍率为6×，主镜为双分离透镜，次镜为单负透镜，次镜将固定在电动步进位移台上，以实现精确控制次镜与主镜间距离。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的目标回光能力值校准新型光源发射系统，采用了变倍率光学设计、波前控制设计、光束匀化设计、多级放大设计和波前闭环控制设计等，使得出射光束到达波前均匀分布，光强呈平顶高斯分布；通过波前测量和闭环控制，不仅可以提高波前均匀的效果，还可以控制面与出射面的共轭关系。
附图说明
图1是本发明目标回光能力值校准的新型光源发射系统结构示意图。
图中：1-光纤激光器，2-反射准直器，3-衰减器，4-偏振控制器，5-偏振分光镜，6-第一λ/4波片，7-波前控制器，8-第二λ/4波片，9-透反射镜，10-波前探测器，11-变倍扩束器，12-光束整形器，13-二级扩束器。
图2是本发明光束整形的示意图。
图中：14-第一非球面透镜，15-第二非球面透镜。
图3是本发明波前探测系统的示意图。
图中：16-双胶合透镜，17-补偿板，18-目镜，19-哈特曼传感器。
图4是本发明波前探测系统光学波前畸变测量示意图。
图5是本发明变倍率扩束系统光路示意图。
图中：20-变倍组透镜，21-固定组透镜，22-补偿组透镜。
图6是本发明的二级扩束器的光学示意图。
图7是本发明光强均匀性测量结果。
图8是本发明光束波前均匀性测量结果。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
参阅图1。在以下描述的一个最佳实施例中，目标回光能力值校准新型光源发射系统包括：光纤激光器1、反射准直器2、衰减器3、偏振控制器4、偏振分光镜5、2个λ/4波片6和8、波前控制器7、透反射镜9、波前探测器10、变倍扩束器11、光束整形器12、二级扩束器13。
具体地，光纤激光器1、反射准直器2、衰减器3、偏振控制器4、偏振分光镜5同轴布置；偏振分光镜5的全反射侧布置同轴的第一λ/4波片6和波前控制器7；与第一λ/4波片6和波前控制器7相对的另一侧同轴布置变倍扩束器11、光束整形器12、二级扩束器13；与光纤激光器1、反射准直器2、衰减器3和偏振控制器4相对的另一侧布置同轴的第二λ/4波片8、透反射镜9、波前探测器10。
光纤激光器1放置于一个端口上，出射多波长激光，光束质量M2优于1.4、功率100mW、波长0.632um、1.06um和0.808um，功率的稳定性优于0.5％，波长的半带宽优于5nm。
光纤激光器1出射的光束通过发射准直器2进行扩束压缩发散角，被扩束后口径为10mm，通光口径值16mm；反射镜NA值0.36。光强分布为高斯分布。准直后的光束进入衰减器进行光强衰减，衰减器采用的是可更换式中性衰减片，衰减倍率0dB～100dB变化。
衰减后的光束经过偏振控制器4进行偏振选择，经选择的偏振光进入偏振分光镜5后被全反射，反射率大于94％。反射光束通过第一λ/4波片6后入射到波前控制器7。波前控制器7主要是由液晶调制器和控制系统组成，液晶调制器采用PLUTO(BB)高精度纯相位空间光调制器，直接通过计算机的图形显卡的DVI或VGA接口加载波前图像。有效面积：15.36mm×8.64mm，波前变化频率：60Hz，响应时间优于30ms，相位调制范围：2π，空间分辨率8um，初始的波前调节量为W0(xn,yn)，此时的光场分布如公式(1)所示。
A1(x,y)＝A(x0,y0)exp[-ikW0(xn,yn)] (1)
其中为激光器的光场分布，以高斯光束为例，如公式(2)所示。
其中z是传输距离，ω0是束腰半径，k是波数，ω0＝ω0[1+(z/z0)]1/2，R(z)＝z0×(z/z0+z0/z)。
光束通过波前控制器7调制新的光束波前后被反射，反射光再次经过第一λ/4波片6后通过偏振分光镜5，透射后的光束经过第二λ/4波片8后被透反射镜9部分反射，部分透射。
透反射镜9前表面镀反射率α1为90％的反射膜，后表面镀α2为99.8％的增透膜，透过光束经过波前探测器10进行波前探测。波前探测器如图3所示，前端光学系统主要由双胶合透镜16和单透镜组成，后端包括目镜18和哈特曼传感器19。当测量波长为0.632um的光束时，放入补偿板17。入射有效口径大于Ф20mm，缩束倍率为2.5x，测量范围大于5λ，光学系统波前畸变优于λ/17，如图4所示。此时测量得到的波前相位分布为Wm(xn,yn)。
透反射镜9的反射光束再次经过第二λ/4波片8后改变偏振方向，经过偏振分光镜5反射进入变倍扩束器11进行光束的扩展，变倍扩束器11包括同轴设置的变倍组透镜20、固定组透镜21和补偿组透镜22，如图5所示。变倍扩束器连续变倍N1的范围为1.2×～2.5×，不同组态度波像差均小于λ/4。系统采用多重结构设计，保证在双波长、不同倍率下都有良好的光学质量。变焦组的焦距为64mm，固定组焦距为-20mm，补偿组的焦距为112mm。变焦组与固定组间距离变化范围为8mm～32mm，固定组与补偿组间距离变化范围为56mm～79mm。此位置的光场分布如公式(3)所示。
A1(x1,y1)＝F-1{F[A1(x/N1,y/N1)]×H(fx,fy,z1)} (3)
其中F-1{…}是离散傅立叶逆变换，F{…}是离散傅立叶变换。H(..,z1)是角谱传递函数，z1是传输的距离，如公式(4)所示。
经过变倍率扩展的光束进入光束整形器12进行光强匀化处理。光束整形器12采用开普勒型非球面镜组整形原理，包括第一非球面透镜14和第二非球面透镜15，理论主要基于几何光学的光线追迹和能量守恒定律。如图2所示，坐标(r,z)与(R,Z)分别为两凸非球面镜上的坐标，则垂度曲线即为z(r)、z(R)。利用能量守恒定律，还可得到r与R之间另一关系式，即开普勒型非球面镜的追迹函数，如公式(5)所示。
利用公式(5)，可以计算得到两个非球面镜的面形曲线的数值计算表示式(6)和(7)。
利用公式(6)和公式(7)可以计算得到两个分球面的曲率，利用光学软件计算可以得到两个非球面镜的非球面度。两个非球面透镜的曲率半径均为-56.66mm，第一个非球面透镜的Conic为-41.1258，第二个非球面透镜的Conic为-452.3604。经过理论分析此时高斯光束变化平顶光束，能量均匀度理论结果优于95％。两个非球面引入的波前相位分别为W(Zr)和W(ZR)，光束一共传输的距离为z2，此时光场分布为公式(8)所示。
A2(x2,y2)＝F-1{F[A1(x1,y1)W(Zr)]×H(fx,fy,z2)}×W(ZR) (8)
经过整形的光束进入二级扩束器13，如图6所示。扩束系统放大倍率为6×，主镜为双分离透镜，焦距约为1000mm，次镜为单负透镜，焦距约为-167mm。次镜将固定在电动步进位移台上，通过精确控制次镜与主镜间距离来实现多波长下工作。各个波长的光学畸变均优于λ/6。此时的光场分布为公式(9)所示。
A3(x3,y3)＝F-1{F[A2(x2/N2,y2/N2)]H(fx,fy,z3)H(fx,fy,z4)} (9)
光学畸变小引入的误差可以在公式(9)忽略不计，z3是光束传输的距离，z4是需要出现波前均匀分布的面距离二级扩束器出瞳面的距离。此时要到达要求的波前均匀分布，则需要满足公式(10)，
将公式(1)～(4)、(8)和(9)代入公式(10)，可以得到此时需要代入的波前畸变量为Wz(xn,yn)，则此时波前控制器8需要进行叠加的量如公式(11)所示。
ΔW(xn,yn)＝W0(xn,yn)-Wz(xn,yn) (11)而此时波前探测系统应该显示的波前测量值应该为公式(12)所示。
Wmn(xn,yn)＝Wm(xn,yn)+ΔW(xn,yn) (12)
本发明根据以上理论计算结果和实验数据分析，该新型光源发射系统的出射光口径达到Φ72mm～Φ150mm，波前控制范围为0～5λ，光功率衰减倍率为0～100dB，光强均匀性最优能够到达87％，如图7所示。波前均匀性最优能够到达λ/9，如图8所示。波前相位分布闭环控制最大带宽能够到达20Hz以上。
由以上技术方案可以看出，本发明具有以下显著特点：
本发明通过采用了第一非球面透镜14和第二非球面透镜15组成的普勒型形式的光束整形器，生成光强分布为平顶高斯光束，而且在光强匀化的过程中不会导致波前均匀分布的恶化，以及激光相干性的退化。
本发明通过使用了采用了联合设计的波前控制器和波前探测系统构成闭环控制，能够使得出射光束的波前分布近似均匀分布，更接近实际使用状态。同时能够通过波前控制器叠加不同的波前相位，使得均匀分布的波前出现的位置面可以进行精确的控制。
本发明通过对波前控制器和光束整形器的联合设计，使得在出瞳面位置能够同时满足光强呈平顶高斯分布，波前呈均匀分布。
本发明通过设计变倍扩束器和二级扩束器的两级扩束，使得光束能够在72mm～150mm变化，最大程度的对光束进行了有效的利用，避免因为使用光阑进行光束口径的变化而导致的衍射效应。
本发明通过设计了监控的功率计和回光功率测量的功率计，通过计算两者的比值获的回光能力值，降低了因为入射光功率起伏导致的误差，也提高了测量重复性。通过该方法可以优化因为单个功率计量值溯源问题而导致的测量不确定度分量。
本发明针对目标回光能力值校准使用的光源光强和波前分布的问题，独创性地设计研制了目标回光能力值新型发射系统。该发射光源可以闭环的产生口径尺寸不同、光强呈高斯平顶分布、波前呈均匀分布的光束。实现多波长72mm～150mm口径光束的输出，光功率衰减范围0dB～100dB；波前控制范围到达2π，闭环控制精度优于λ/6，测量带宽优于；光强分布呈平顶高斯分布，均匀性优于84.5％；该发射系统自动化高，采用闭环控制设计，严格按照实际应用进行光源光强和波前分布设计，控制精度高、重复性好、可靠性高，控制范围大，可以广泛用于目标回光能力值校准的光源使用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种目标回光能力值校准新型光源发射系统，其特征在于，包括：光纤激光器(1)、反射准直器(2)、衰减器(3)、偏振控制器(4)、偏振分光镜(5)同轴布置；偏振分光镜(5)的全反射侧布置同轴的第一λ/4波片(6)和波前控制器(7)；与第一λ/4波片(6)和波前控制器(7)相对的另一侧同轴布置变倍扩束器(11)、光束整形器(12)、二级扩束器(13)；与光纤激光器(1)、反射准直器(2)、衰减器(3)和偏振控制器(4)相对的另一侧布置同轴的第二λ/4波片(8)、透反射镜(9)、波前探测器(10)。
2.如权利要求1所述的目标回光能力值校准新型光源发射系统，其特征在于，所述光纤激光器(1)放置于一个端口上，出射多波长激光，光束质量M2优于1.4、功率100mW、波长0.632um、1.06um和0.808um，功率的稳定性优于0.5％，波长的半带宽优于5nm。
3.如权利要求2所述的目标回光能力值校准新型光源发射系统，其特征在于，所述光纤激光器(1)出射的光束通过发射准直器(2)进行扩束压缩发散角，准直后的光束进入衰减器(3)进行光强衰减，衰减器(3)采用可更换式中性衰减片，衰减倍率0dB～100dB变化。
4.如权利要求3所述的目标回光能力值校准新型光源发射系统，其特征在于，所述衰减后的光束经过偏振控制器(4)进行偏振选择，经选择的偏振光进入偏振分光镜(5)后被全反射，反射光束通过第一λ/4波片(6)后入射到波前控制器(7)。
5.如权利要求4所述的目标回光能力值校准新型光源发射系统，其特征在于，所述波前控制器(7)包括液晶调制器和控制系统，液晶调制器采用高精度纯相位空间光调制器。
6.如权利要求5所述的目标回光能力值校准新型光源发射系统，其特征在于，光束通过波前控制器(7)调制新的光束波前后被反射，反射光再次经过第一λ/4波片(6)后通过偏振分光镜(5)，透射后的光束经过第二λ/4波片(8)后被透反射镜(9)部分反射，部分透射。
7.如权利要求6所述的目标回光能力值校准新型光源发射系统，其特征在于，所述透反射镜(9)前表面镀反射率α1为90％的反射膜，后表面镀α2为99.8％的增透膜，透过光束经过波前探测器(10)进行波前探测。
8.如权利要求7所述的目标回光能力值校准新型光源发射系统，其特征在于，所述波前探测器(10)的前端光学系统包括双胶合透镜(16)和单透镜，后端光学系统包括目镜(18)和哈特曼传感器(19)；当测量波长为0.632um的光束时，前端光学系统和后端光学系统之间放入补偿板(17)。
9.如权利要求7所述的目标回光能力值校准新型光源发射系统，其特征在于，所述透反射镜(9)的反射光束再次经过第二λ/4波片(8)后改变偏振方向，经过偏振分光镜(5)反射进入变倍扩束器(11)进行光束的扩展，经过变倍率扩展的光束进入光束整形器(12)进行光强匀化处理，经过整形的光束进入二级扩束器(13)，实现多波长下工作。
10.如权利要求9所述的目标回光能力值校准新型光源发射系统，其特征在于，所述变倍扩束器(11)包括同轴设置的变倍组透镜(20)、固定组透镜(21)和补偿组透镜(22)；光束整形器(12)采用开普勒型非球面镜组整形原理，包括第一非球面透镜(14)和第二非球面透镜(15)；二级扩束器(13)放大倍率为6×，主镜为双分离透镜，次镜为单负透镜，次镜将固定在电动步进位移台上，以实现精确控制次镜与主镜间距离。
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