CN110941096A - 一种用于激光推进的片光光路系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于激光推进的片光光路系统，包括：平凸球面镜、鲍威尔棱镜和菲涅尔透镜，其中，所述平凸球面镜放置在光纤出光处，鲍威尔棱镜和菲涅尔透镜沿光束传播的方向依次放于平凸球面镜之后，平凸球面镜、鲍威尔棱镜、菲涅尔透镜和光纤的中心轴在同一条直线上；所述平凸球面镜将光纤出射的发散光收聚并准直成平行光束，靠近光纤出口的镜面对激光光束起聚焦作用，另一镜面对聚焦后的激光束进行准直；所述鲍威尔棱镜将圆光斑拉成线光斑，即将平行光束拉伸成扇形片光；所述菲涅尔透镜用于将扇形片光准直为矩形片光。本发明具有结构简单、体积小、重量轻、成本低、激光能量损耗低且三维空间分布均匀的优点。

Description

一种用于激光推进的片光光路系统

技术领域

本发明属于微小卫星激光推进技术领域，尤其涉及一种用于激光推进的片光光路系统。

背景技术

微小卫星激光推进所需光路系统应体积小、重量轻、成本低。本发明提供的一种用于激光推进的片光光路系统具备结构简单紧凑、重量轻、成本低的特点。目前，用于激光推进的光路系统皆为准直的圆光斑，而限于微小卫星对结构重量和体积的严格限制，圆光斑的准直光路系统不可过大，则圆光斑面积不可过大，而为保证光斑对推进剂燃面的全覆盖，则需限制推力器的装药量。若采用小光斑移动对推进剂燃面进行扫描，则需在二维方向上移动，增加制动和控制系统的复杂性。

专利CN 102338934 A披露了一种适用于道路检测、轨道交通测量等二维平面测量的线状光束激光系统，此系统在聚焦点处可形成一能量均匀分布的线状激光束，但其在扩展方向上成扇形发射，不适用于燃面退移的激光推进系统的光源。

专利CN 203178572披露的是一种激光平行片光源调节系统，其解决的是激光平行光源系统调节麻烦、不能准确工作的问题，未对光路系统的简洁性采取具体措施。

专利CN 204154994披露的是一种可用于大范围流动测量的、光强均匀分布的激光片光光路，但其采用柱面透镜将扇形片光收缩为矩形片光，其收缩效果不能严格控制线光斑长度变化，且柱面透镜收缩后的光斑能量分布均匀性低于菲涅尔透镜；此外，其采用的平凸镜只是缩小聚焦处片光厚度，不能保证矩形片光整体厚度一致。所以此光路不适用于激光推进领域的光源需求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用于激光推进的片光光路系统，具有结构简单、体积小、重量轻、成本低、激光能量损耗低且三维空间分布均匀的优点。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种用于激光推进的片光光路系统，包括：平凸球面镜、鲍威尔棱镜和菲涅尔透镜，其中，所述平凸球面镜放置在光纤出光处，鲍威尔棱镜和菲涅尔透镜沿光束传播的方向依次放于平凸球面镜之后，平凸球面镜、鲍威尔棱镜、菲涅尔透镜和光纤的中心轴在同一条直线上；所述平凸球面镜将光纤出射的发散光收聚并准直成平行光束，靠近光纤出口的镜面对激光光束起聚焦作用，另一镜面对聚焦后的激光束进行准直；所述鲍威尔棱镜将圆光斑拉成线光斑，即将平行光束拉伸成扇形片光；所述菲涅尔透镜用于将扇形片光准直为矩形片光。

上述用于激光推进的片光光路系统中，平凸球面镜与光纤出光端面的距离、矩形片光厚度和光纤数值孔径之间的关系如下公式：

D＝d+2L·NA；

其中，D为矩形片光厚度，d为光纤直径，L为光纤出光端面与平凸镜的距离，NA为光纤的数值孔径。

上述用于激光推进的片光光路系统中，平凸球面镜的曲率半径的公式如下：

其中，f为平凸镜焦距，n为平凸镜的折射率，r₁为平凸镜中靠近光纤处镜面的曲率半径，r2为平凸镜中远离光纤处镜面的曲率半径。

上述用于激光推进的片光光路系统中，所述鲍威尔棱镜的扇角为110o，在保证光斑能量分布均匀的条件下尽可能降低鲍威尔棱镜与菲涅尔透镜之间的距离，实现结构紧凑。

上述用于激光推进的片光光路系统中，所述菲涅尔透镜为带有众多同心圆纹路的透镜；所述菲涅尔透镜为长条状，其长度、宽度分别不低于矩形片光的长度和厚度，菲涅尔透镜的中轴与线光斑的中轴共轴。

一种用于激光推进的片光光路系统设计方法，所述方法包括如下步骤：将平凸球面镜放置在光纤出光处，将鲍威尔棱镜和菲涅尔透镜沿光束传播的方向依次放于平凸球面镜之后，其中，平凸球面镜、鲍威尔棱镜、菲涅尔透镜和光纤的中心轴在同一条直线上；平凸球面镜将光纤出射的发散光收聚并准直成平行光束，靠近光纤出口的镜面对激光光束起聚焦作用，另一镜面对聚焦后的激光束进行准直；鲍威尔棱镜将圆光斑拉成线光斑，即将平行光束拉伸成扇形片光；菲涅尔透镜用于将扇形片光准直为矩形片光。

上述用于激光推进的片光光路系统设计方法中，平凸球面镜与光纤出光端面的距离、矩形片光厚度和光纤数值孔径之间的关系如下公式：

D＝d+2L·NA；

其中，D为矩形片光厚度，d为光纤直径，L为光纤出光端面与平凸镜的距离，NA为光纤的数值孔径。

上述用于激光推进的片光光路系统设计方法中，平凸球面镜的曲率半径的公式如下：

其中，f为平凸镜焦距，n为平凸镜的折射率，r₁为平凸镜中靠近光纤处镜面的曲率半径，r2为平凸镜中远离光纤处镜面的曲率半径。

上述用于激光推进的片光光路系统设计方法中，所述鲍威尔棱镜的扇角为110o，在保证光斑能量分布均匀的条件下尽可能降低鲍威尔棱镜与菲涅尔透镜之间的距离，实现结构紧凑。

上述用于激光推进的片光光路系统设计方法中，所述菲涅尔透镜为带有众多同心圆纹路的透镜；

所述菲涅尔透镜为长条状，其长度、宽度分别不低于矩形片光的长度和厚度，菲涅尔透镜的中轴与线光斑的中轴共轴。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明通过平凸镜、鲍威尔棱镜、菲涅尔透镜的结合，减少光路系统中透镜数量，降低由透镜吸收、散射等因素造成的能量损耗，实现结构简单、体积小、重量轻、成本低的片光光路系统；此外，通过平凸镜和菲涅尔透镜对光束在厚度和长度方向上的准直约束，实现光束能量随传播距离增加，激光能量仍分布均匀且稳定，适用于微小卫星的激光推进系统。

(2)本发明通过由平凸球面镜与光纤出光端面的距离、片光厚度和光纤数值孔径之间的关系公式和平凸球面镜的曲率半径的公式计算所得的平凸球面镜实现对光纤出射的发散光进行准直，其准直光斑大小可满足激光推进对片光厚度的需求，并保证传播过程中片光厚度不变，进而使得激光能量密度不因传播距离的变化而改变，激光能量空间分布均匀且能量密度稳定，确保推进剂随着药面的燃烧退移仍能够可靠、稳定燃烧；同时平凸球面镜加工难度小，成本低。

(3)本发明通过大扇角鲍威尔棱镜，实现棱镜与菲涅尔透镜间结构紧凑，减小光路系统的结构体积。

(4)本发明通过菲涅尔透镜，实现将扇形片光整形为矩形片光，保证片光长度不因传播而改变，进而使得激光能量密度不因传播距离的变化而改变，保证激光能量分布的均匀性，实现激光推进中燃面退移时仍可在光能作用下温定持续燃烧。

(5)本发明通过带有众多同心圆纹路的菲涅尔透镜对光束整形，透镜上每个同心圆皆可根据入射光角度，采用曲率半径的公式对其曲率半径进行设计加工，由此避免使用难于加工的非球面透镜；并且，菲涅尔透镜透镜加工为长条状，可极大降低光路的空间体积和重量，降低设计与加工的难度和成本。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明提供的一种用于激光推进的片光光路系统组成和效果示意图的正视图。

图2是本发明提供的一种用于激光推进的片光光路系统组成和效果示意图的俯视图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1是本发明提供的一种用于激光推进的片光光路系统组成和效果示意图的正视图。图2是本发明提供的一种用于激光推进的片光光路系统组成和效果示意图的俯视图。

如图1和图2所示，该用于激光推进的片光光路系统包括：平凸球面镜1、鲍威尔棱镜2和菲涅尔透镜3，其中，

所述平凸球面镜1放置在光纤出光处，鲍威尔棱镜2和菲涅尔透镜3沿光束传播的方向依次放于平凸球面镜之后，平凸球面镜1、鲍威尔棱镜2、菲涅尔透镜3和光纤的中心轴在同一条直线上；

所述平凸球面镜1将光纤出射的发散光收聚并准直成平行光束，靠近光纤出口的镜面对激光光束起聚焦作用，另一镜面对聚焦后的激光束进行准直；

所述鲍威尔棱镜2将圆光斑拉成线光斑，即将平行光束拉伸成扇形片光；

所述菲涅尔透镜3用于将扇形片光准直为矩形片光。

光路应用于微小卫星的激光推进系统，具有结构简单、体积小、重量轻、光束能量损耗低且在三维空间分布均匀的特点。

平凸球面镜靠近光纤出口的镜面为凸面镜，对激光光束进行准直，准直后的光斑大小决定了片光厚度，并保证传播过程中片光厚度不变，激光能量空间分布均匀且能量密度稳定，确保推进剂随着药面的燃烧退移仍能够可靠、稳定燃烧。

平凸球面镜与光纤出光端面的距离由片光厚度和光纤数值孔径决定，见公式(1)。

D＝d+2L·NA (1)

其中，D为片光厚度，d为光纤直径，L为光纤出光端面与平凸镜的距离，NA为光纤的数值孔径。当镜面与光纤端面距离L满足公式(1)时，准直镜可采用平凸球面镜。平凸球面镜结构简单，加工面数少，加工难度低，加工成本也相应降低。

平凸镜的曲率半径可由公式(2)进行计算。

其中，f为平凸镜焦距，可近似为公式(1)中的距离L，n为平凸镜的折射率，r₁为平凸镜中靠近光纤处镜面的曲率半径，r2为平凸镜中远离光纤处镜面的曲率半径，此处r₂可选为∞。

通过平凸球面镜准直后，可避免片光光束的激光能量随着厚度方向的发散而造成能量密度降低，从而实现激光束能量分布的稳定性，确保推进剂随着药面的燃烧退移仍能够可靠、稳定燃烧。

鲍威尔棱镜扇角为110o，可在保证光斑能量分布均匀的条件下尽可能降低鲍威尔棱镜与菲涅尔透镜之间的距离，实现结构紧凑。

菲涅尔透镜用于将扇形片光整形为矩形片光，菲涅尔透镜是带有众多同心圆纹路的透镜，每个同心圆皆可根据入射光角度，采用公式(2)对其曲率半径进行设计加工，由此避免使用难于加工的非球面透镜；并且，菲涅尔透镜透镜加工为长条状，其长度、宽度分别不低于片光的长度和厚度，透镜中轴与线光斑的中轴共轴，长条状菲尼尔透镜相对于球面透镜可极大降低光路的空间体积和重量，降低设计与加工的难度和成本。通过菲涅尔透镜的整形，可避免光束的激光能量随着片光长度方向的发散而造成能量密度降低，从而实现激光束能量分布的稳定性，确保推进剂随着药面的燃烧退移仍能够可靠、稳定燃烧。

平凸球面镜、鲍威尔棱镜和菲涅尔透镜皆为玻璃材质，具有折射率高，透镜薄的特点，可减小镜片体积和重量；此外，玻璃材质的透镜可在高激光功率密度状态下长时间工作。

平凸球面镜1的主要作用是将光纤出射的发散光4准直成平行光5，准直后的光斑大小决定了片光厚度。光束准直后可保证片光厚度不因传播而改变，进而使得激光能量密度不因传播距离的变化而改变，因此可确保随着燃面的退移，推进剂仍能够可靠、稳定燃烧。平凸球面镜的相关参数计算由公式(1)、(2)给出，根据此公式计算所得的平凸球面镜结构简单，易于加工，可极大降低成本。

鲍威尔棱镜2的作用是将圆光斑拉成线光斑，即将平行光束5拉伸成扇形片光6，扇形片光的厚度与平行光束的直径相同，在相同工作距离的位置处，线光斑的长度取决于鲍威尔棱镜的扇角，扇角越大则越容易实现系统的紧凑，根据当前的技术条件，在保证光斑能量分布均匀的条件下，建议选用扇角为110o的鲍威尔棱镜。

菲涅尔透镜3用于将扇形片光6准直为矩形片光7，相比于普通透镜，菲涅尔透镜可减少光线衰弱、提高光斑的能量均匀性，同时也可降低透镜的重量和成本。透镜设计为长条状，其长度和宽度分别不低于线光斑的长度和宽度，其中轴与线光斑的中轴共轴，长条状菲涅尔透镜可降低光路的空间体积和重量。

本实施例还提供了一种用于激光推进的片光光路系统设计方法，该方法包括如下步骤：

将平凸球面镜1放置在光纤出光处，将鲍威尔棱镜2和菲涅尔透镜3沿光束传播的方向依次放于平凸球面镜之后，其中，平凸球面镜1、鲍威尔棱镜2、菲涅尔透镜3和光纤的中心轴在同一条直线上；

平凸球面镜1将光纤出射的发散光收聚并准直成平行光束，靠近光纤出口的镜面对激光光束起聚焦作用，另一镜面对聚焦后的激光束进行准直；

鲍威尔棱镜2将圆光斑拉成线光斑，即将平行光束拉伸成扇形片光；

菲涅尔透镜3用于将扇形片光准直为矩形片光。

本发明通过平凸镜、鲍威尔棱镜、菲涅尔透镜的结合，减少光路系统中透镜数量，降低由透镜吸收、散射等因素造成的能量损耗，实现结构简单、体积小、重量轻、成本低的片光光路系统；此外，通过平凸镜和菲涅尔透镜对光束在厚度和长度方向上的准直约束，实现光束能量随传播距离增加，激光能量仍分布均匀且稳定，适用于微小卫星的激光推进系统。

本发明通过由平凸球面镜与光纤出光端面的距离、片光厚度和光纤数值孔径之间的关系公式和平凸球面镜的曲率半径的公式计算所得的平凸球面镜实现对光纤出射的发散光进行准直，其准直光斑大小可满足激光推进对片光厚度的需求，并保证传播过程中片光厚度不变，进而使得激光能量密度不因传播距离的变化而改变，激光能量空间分布均匀且能量密度稳定，确保推进剂随着药面的燃烧退移仍能够可靠、稳定燃烧；同时平凸球面镜加工难度小，成本低。

本发明通过大扇角鲍威尔棱镜，实现棱镜与菲涅尔透镜间结构紧凑，减小光路系统的结构体积。

本发明通过菲涅尔透镜，实现将扇形片光整形为矩形片光，保证片光长度不因传播而改变，进而使得激光能量密度不因传播距离的变化而改变，保证激光能量分布的均匀性，实现激光推进中燃面退移时仍可在光能作用下温定持续燃烧。

本发明通过带有众多同心圆纹路的菲涅尔透镜对光束整形，透镜上每个同心圆皆可根据入射光角度，采用曲率半径的公式对其曲率半径进行设计加工，由此避免使用难于加工的非球面透镜；并且，菲涅尔透镜透镜加工为长条状，可极大降低光路的空间体积和重量，降低设计与加工的难度和成本。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于激光推进的片光光路系统，其特征在于包括：平凸球面镜(1)、鲍威尔棱镜(2)和菲涅尔透镜(3)，其中，

所述平凸球面镜(1)放置在光纤出光处，鲍威尔棱镜(2)和菲涅尔透镜(3)沿光束传播的方向依次放于平凸球面镜之后，平凸球面镜(1)、鲍威尔棱镜(2)、菲涅尔透镜(3)和光纤的中心轴在同一条直线上；

所述平凸球面镜(1)将光纤出射的发散光收聚并准直成平行光束，靠近光纤出口的镜面对激光光束起聚焦作用，另一镜面对聚焦后的激光束进行准直；

所述鲍威尔棱镜(2)将圆光斑拉成线光斑，即将平行光束拉伸成扇形片光；

所述菲涅尔透镜(3)用于将扇形片光准直为矩形片光。

2.根据权利要求1所述的用于激光推进的片光光路系统，其特征在于：平凸球面镜(1)与光纤出光端面的距离、矩形片光厚度和光纤数值孔径之间的关系如下公式：

D＝d+2L·NA；

其中，D为矩形片光厚度，d为光纤直径，L为光纤出光端面与平凸镜的距离，NA为光纤的数值孔径。

3.根据权利要求1所述的用于激光推进的片光光路系统，其特征在于：平凸球面镜(1)的曲率半径的公式如下：

其中，f为平凸镜焦距，n为平凸镜的折射率，r₁为平凸镜中靠近光纤处镜面的曲率半径，r2为平凸镜中远离光纤处镜面的曲率半径。

4.根据权利要求1所述的用于激光推进的片光光路系统，其特征在于：所述鲍威尔棱镜(2)的扇角为110°，在保证光斑能量分布均匀的条件下尽可能降低鲍威尔棱镜与菲涅尔透镜之间的距离，实现结构紧凑。

5.根据权利要求1所述的用于激光推进的片光光路系统，其特征在于：所述菲涅尔透镜(3)为带有众多同心圆纹路的透镜；

所述菲涅尔透镜(3)为长条状，其长度、宽度分别不低于矩形片光的长度和厚度，菲涅尔透镜的中轴与线光斑的中轴共轴。

6.一种用于激光推进的片光光路系统设计方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

将平凸球面镜(1)放置在光纤出光处，将鲍威尔棱镜(2)和菲涅尔透镜(3)沿光束传播的方向依次放于平凸球面镜之后，其中，平凸球面镜(1)、鲍威尔棱镜(2)、菲涅尔透镜(3)和光纤的中心轴在同一条直线上；

平凸球面镜(1)将光纤出射的发散光收聚并准直成平行光束，靠近光纤出口的镜面对激光光束起聚焦作用，另一镜面对聚焦后的激光束进行准直；

鲍威尔棱镜(2)将圆光斑拉成线光斑，即将平行光束拉伸成扇形片光；

菲涅尔透镜(3)用于将扇形片光准直为矩形片光。

7.根据权利要求6所述的用于激光推进的片光光路系统设计方法，其特征在于：平凸球面镜(1)与光纤出光端面的距离、矩形片光厚度和光纤数值孔径之间的关系如下公式：

D＝d+2L·NA；

其中，D为矩形片光厚度，d为光纤直径，L为光纤出光端面与平凸镜的距离，NA为光纤的数值孔径。

8.根据权利要求6所述的用于激光推进的片光光路系统设计方法，其特征在于：平凸球面镜(1)的曲率半径的公式如下：

其中，f为平凸镜焦距，n为平凸镜的折射率，r₁为平凸镜中靠近光纤处镜面的曲率半径，r2为平凸镜中远离光纤处镜面的曲率半径。

9.根据权利要求6所述的用于激光推进的片光光路系统设计方法，其特征在于：所述鲍威尔棱镜(2)的扇角为110o，在保证光斑能量分布均匀的条件下尽可能降低鲍威尔棱镜与菲涅尔透镜之间的距离，实现结构紧凑。

10.根据权利要求6所述的用于激光推进的片光光路系统设计方法，其特征在于：所述菲涅尔透镜(3)为带有众多同心圆纹路的透镜；

所述菲涅尔透镜(3)为长条状，其长度、宽度分别不低于矩形片光的长度和厚度，菲涅尔透镜的中轴与线光斑的中轴共轴。

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