CN106908955A - 一种基于旋转双光楔的连续波长激光扩束扫描光学系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于旋转双光楔的连续波长激光扩束扫描光学系统，包括口径连续可调光阑、连续波长激光扩束系统和双光楔旋转扫描系统；连续波长激光扩束系统由6片透镜组成；双光楔旋转扫描系统由两块光楔组成。激光器发射的激光束经过光学系统的口径连续可调光阑后入射到连续波长激光扩束系统，连续波长激光扩束系统扩大入射激光束的口径，同时压缩入射激光束的发散角度；两个光楔以相同的速度绕光轴反向旋转，并将扩束后的激光束发射出去。本发明可同时实现大扩束比激光扩束和大范围激光扫描，具有适用激光波长范围广、扩束比大、扫描范围大、结构紧凑等优点，能够克服现有激光束扩束比小，无法实现多个激光波长共用及无法扫描的难题。

Description

一种基于旋转双光楔的连续波长激光扩束扫描光学系统
技术领域
本发明属于光学成像技术领域和激光技术领域，涉及一种能够同时实现多种激光波长共用的大扩束比激光扩束扫描光学系统。
背景技术
激光扩束系统主要用来扩大激光器输出的激光束口径和压缩激光束的发散角度，以此提高激光束的平行度和能量集中度，在工业制造、医疗、国防等行业得到了广泛应用。但是，目前的激光扩束系统存在以下两个主要问题，严重限制了其在高精度目标探测、测绘等领域的应用：其一，只能对某种特定波长、激光束出射口径和发散角度的激光进行扩束并压缩光束发散角，激光扩束比率较小，激光束平行度不高，因此不能满足高精度激光探测的要求；其二，不具备激光束扫描功能，激光束可探测范围小，无法快速实现大面积目标探测。
发明内容
解决的技术问题是：针对目前激光扩束系统存在的技术问题，本发明提出了一种基于旋转双光楔的连续波长激光扩束扫描光学系统，满足多种工作模式下的激光扩束和压缩发散角度的要求。
本发明的技术方案是：一种基于旋转双光楔的连续波长激光扩束扫描光学系统，包括口径连续可调光阑、连续波长激光扩束系统和双光楔旋转扫描系统；激光器发射的激光束经过口径连续可调光阑入射至连续波长激光扩束系统，连续波长激光扩束系统将入射激光束口径扩大，同时压缩入射光束的发散角度，扩束后的激光束经双光楔旋转扫描系统后发射出去，实现对目标的大范围扫描。
所述口径连续可调光阑的最大可调节口径为2mm，最小可调节口径为0.5mm。
所述连续波长激光扩束系统包括6片透镜，均为无色光学玻璃，沿光线入射方向依次为第一双凹负透镜、第二双凸正透镜、第三双凹负透镜、第四双凹负透镜、第五双凸正透镜、第六双凸正透镜。
所述6片透镜分成三组，其中第一双凹负透镜为第一透镜组，第二双凸正透镜和第三双凹负透镜为第二透镜组，第四双凹负透镜、第五双凸正透镜和第六双凸正透镜为第三透镜组，第一透镜组与第二透镜组的焦距比例关系为1:10，第二透镜组与第三透镜组的焦距比例关系为1:10，第二透镜组和第三透镜组的合成焦距与第一透镜组的焦距比例关系为100:1。
透镜和光楔表面镀增透膜，在486nm(蓝光)～632.8nm(红光)谱段范围内的透镜和光楔单面透过率＞98％，激光能量利用率＞70％。
所述双光楔旋转扫描系统由两块参数相同的光楔组成，沿光线入射方向依次为第一光楔和第二光楔，材料均为融石英玻璃，光楔中心厚度为10mm，楔角为6.2°，第一光楔和第二光楔以相同的速度绕光轴反向旋转。双光楔旋转扫描系统的最大扫描角度满足公式δ＝2*(n-1)*α，其中δ为激光束扫描角度，n为融石英玻璃材料的折射率，α为光楔的楔角，经过双光楔旋转扫描系统的出射激光束扫描角度为±5.7°，在距离10km处的扫描范围为±1km。
本发明与现有技术相比的有益效果在于：
(1)本发明系统可同时满足486nm(蓝光)～632.8nm(红光)谱段范围内的激光波长扩束要求，单激光波长及连续波长激光组合使用均具有良好的扩束效果，有效满足了多目标同时探测的需求。
(2)本发明系统采用连续可调光阑，光阑口径可根据激光器发出的激光束口径进行调节，满足多种激光器不同工作模式的要求，具有用途广泛，与激光器匹配程度高、能量利用率高的优势。
(3)本发明系统涉及的激光扩束系统扩束比为100倍，可有效减小发射激光束的发散角度，提高了激光束的平行度，有利于提高目标探测距离和探测精度。
(4)本发明系统涉及的双光楔旋转扫描系统的扫描角度范围为±5.7°，在距离光学系统10km处的扫描范围为±1km，具有扫描范围大、结构简单紧凑、方便灵活的优点。
附图说明
图1为本发明一种基于旋转双光楔的连续波长激光扩束扫描光学系统图；
图2为本发明入射激光波长在486nm(蓝光)～632.8nm(红光)谱段范围的工作示意图；
图3为本发明入射激光束口径在0.5mm～2mm范围内的工作示意图；其中图3(a)为口径连续可调光阑的口径调节到0.5mm的工作状态示意图；图3(b)为口径连续可调光阑的口径调节到1mm的工作状态示意图；图3(c)为口径连续可调光阑的口径调节到2mm的工作状态示意图。
图4(a)、4(b)为本发明双光楔旋转扫描系统的工作模式下旋转在不同位置时示意图。
具体实施方式
本发明提出一种基于旋转双光楔的连续波长激光扩束扫描光学系统如图1所示，包括连续可调光阑1、连续波长激光扩束系统、双光楔旋转扫描系统，激光器发射的激光束经过口径连续可调光阑1入射至连续波长激光扩束系统，连续波长激光扩束系统将入射激光束口径扩大，双光楔旋转扫描系统扩大激光束扫描范围，实现对目标的大范围扫描探测。
连续波长激光扩束系统由6片透镜组成，均采用无色光学玻璃，面形均为球面，沿光线入射方向依次为第一双凹负透镜2、第二双凸正透镜3、第三双凹负透镜4、第四双凹负透镜5、第五双凸正透镜6、第六双凸正透镜7。
6片透镜分成三组，其中第一双凹负透镜2为第一透镜组，第二双凸正透镜3和第三双凹负透镜4为第二透镜组，第四双凹负透镜5、第五双凸正透镜6和第六双凸正透镜7为第三透镜组。通过优化透镜的顶点曲率半径、镜间距和选择合理色散特性的玻璃材料，三组透镜满足以下关系：第一透镜组与第二透镜组的焦距比例关系为1:10，第二透镜组与第三透镜组的焦距比例关系为1:10，第二透镜组和第三透镜组的合成焦距与第一透镜组的焦距比例关系为100:1。
双光楔扫描系统由两块参数相同的光楔组成，光楔材料均为融石英玻璃，沿光线入射方向依次为第一光楔8和第二光楔9，单块光楔中心厚度为10mm，楔角为6.2°，双光楔旋转扫描系统与连续波长激光扩束系统共光轴。
如图2所示，激光束经过连续可调光阑1入射至激光扩束系统，通过优化面形和合理选择色散特性的玻璃材料，消除486nm(蓝光)～632.8nm(红光)谱段范围内的色差，并通过合理控制不同透镜的焦距和透镜之间的距离，实现100倍的激光扩束。
如图3所示，不同入射口径的激光束经过口径连续可调光阑1入射至激光扩束系统，口径连续可调光阑1根据入射激光束在0.5mm～2mm之间连续调节口径，最大可调节口径为2mm，最小可调节口径为0.5mm，图3(a)为口径连续可调光阑1的口径调节到0.5mm的工作状态示意图；图3(b)为口径连续可调光阑1的口径调节到1mm的工作状态示意图；图3(c)为口径连续可调光阑1的口径调节到2mm的工作状态示意图。
如图4所示，双光楔旋转扫描系统沿光线的入射方向依次为第一光楔8和第二光楔9，两块光楔参数相同，第一光楔(8)和第二光楔(9)以相同的速度绕光轴反向旋转，两块光光楔经过180°的旋转后即可实现±5.7°的扫描范围。
如图4(a)所示为初始状态下第一光楔8和第二光楔9的放置方式，第一光楔8和第二光楔9楔面平行，此时激光扫描角度为0°。
如图4(b)所示，第一光楔8和第二光楔9的楔面与光轴夹角之和为0，扫描角度为±5.7°。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种基于旋转双光楔的连续波长激光扩束扫描光学系统，其特征在于包括口径连续可调光阑(1)、连续波长激光扩束系统和双光楔旋转扫描系统；激光器发射的激光束经过口径连续可调光阑(1)入射至连续波长激光扩束系统，连续波长激光扩束系统将入射激光束口径扩大，同时压缩入射光束的发散角度，扩束后的激光束经双光楔旋转扫描系统后发射出去，实现对目标的大范围扫描。
2.根据权利要求1所述的一种基于旋转双光楔的连续波长激光扩束扫描光学系统，其特征在于：所述口径连续可调光阑(1)的最大可调节口径为2mm，最小可调节口径为0.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于旋转双光楔的连续波长激光扩束扫描光学系统，其特征在于：所述连续波长激光扩束系统工作波长范围为486nm～632.8nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于旋转双光楔的连续波长激光扩束扫描光学系统，其特征在于：所述连续波长激光扩束系统包括6片透镜，均为无色光学玻璃，沿光线入射方向依次为第一双凹负透镜(2)、第二双凸正透镜(3)、第三双凹负透镜(4)、第四双凹负透镜(5)、第五双凸正透镜(6)、第六双凸正透镜(7)。
5.根据权利要求4所述的一种基于旋转双光楔的连续波长激光扩束扫描光学系统，其特征在于：所述6片透镜分成三组，其中第一双凹负透镜(2)为第一透镜组，第二双凸正透镜(3)和第三双凹负透镜(4)为第二透镜组，第四双凹负透镜(5)、第五双凸正透镜(6)和第六双凸正透镜(7)为第三透镜组，第一透镜组与第二透镜组的焦距比例关系为1:10，第二透镜组与第三透镜组的焦距比例关系为1:10，第二透镜组和第三透镜组的合成焦距与第一透镜组的焦距比例关系为100:1。
6.根据权利要求1所述的一种基于旋转双光楔的连续波长激光扩束扫描光学系统，其特征在于：所述双光楔旋转扫描系统由两块参数相同的光楔组成，沿光线入射方向依次为第一光楔(8)和第二光楔(9)，材料均为融石英玻璃。
7.根据权利要求6所述的一种基于旋转双光楔的连续波长激光扩束扫描光学系统，其特征在于：所述光楔中心厚度为10mm，楔角为6.2°，第一光楔(8)和第二光楔(9)以相同的速度绕光轴反向旋转。
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