CN1109911C - 用于激光二极管列阵的激光望远镜 - Google Patents
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Abstract
一种用于激光二极管列阵的激光望远镜，含有置于调整架上的镜筒内由一端激光二极管列阵头的头架开始，依次置于镜筒内有含微柱面透镜线性列阵的准直光学模块构成的准直光学元件、前扩束光学元件、整形光学元件和后扩束光学元件。本发明特别适用于激光二极管列阵。比已有技术有高的耦合效率和低束散。整机的耦合效率达到T≥85%。发送出的光束发散度仅为0.5mrad×1.3mrad。
Description
本发明是一种激光望远镜，特别是一种适用于(20瓦)激光二极管(线性)列阵(以下简称为LDBAR)作为光源的激光望远镜。
一个典型的LDBAR，其近场发光面W×H为1cm×1μm，分别对应慢轴方向宽度1cm，光束平行方向上的发散角θ‖～10°和快轴方向高度1μm，光束发散角40°(FWHM)。这种LDBAR1cm宽度内包含25个宽度为100μm，节距为400μm的不连续发光子列阵元。通常的成象光学元件不可能将LDBAR发射的光束准直成对称的平行光束或再聚焦。为了高效耦合LDBAR发射的激光功率，首先要解决的是高效准直这个难题。为此，九十年代国际光学界提出了多种准直方案：①用柱面微透镜或微棒透镜准直慢轴平面内列阵元的发散束，用大柱面透镜准直快轴平面内列阵元的发散束(已有技术[1]OPTICS LETTERS Vol.16，No.51991 P318-P320)，但准直效率仅为80-84％；②用大柱面镜准直慢轴平面内的发散束，再用大柱面透镜准直快轴平面内的发散束，虽准直效率高达89％(已有技术[2] OPTICS LETTERS Vol.17，No.14，1992.P1000-P1002)，但由于光束发散角太大，只适用于泵浦源要求聚焦的光学系统；③用柱面微透镜列阵准直慢轴平面内的发散束，再用大柱面透镜准直快轴平面内发散束，得到近长条矩形准直束，准直效率达到90％(已有技术[3]OPTICS LETTERS Vol.20，No.2，1995，P154)，但快轴平面内光束发散度还偏大，不适合望远镜中应用，不然望远镜的体积将很庞大。
本发明的目的为克服上述已有技术中的不足，提供一种用于LDBAR的激光望远镜，它将能把近红外CW20瓦LDBAR的1cm×1μm发光源上发射出垂直方向上的发散角为θ⊥～40°(FWHM)，平行方向上的发散角为θ∥～10°(FWHM)的高度发散不对称的激光束经过本发明的激光望远镜之后，获得光束发散度仅为0.5mrad×1.3mrad的近对称平行光束，整套望远镜的透过率达到T≥85％。将能基本消除人为的拦光损耗。
本发明的激光望远镜如图1所示结构。含有：置于调整架15上的镜筒17内一端置放有(半导体)激光二极管列阵头(列阵头内设有半导体微致冷器、温度传感热敏电阻，以及散热器空气冷却)的头架1，由头架1向镜筒17内同光轴地依次置于镜筒17内的有准直光学元件12，前扩束光学元件13，整形光学元件14和后扩束光学元件16。
所说的准直光学元件12是由含有微柱面透镜列阵3的准直光学模块构成的。准直光学模块中除含有微柱面透镜列阵3外，还含有微柱面透镜2，或者还含有非球面柱面大透镜。具体地说，构成准直光学元件12的准直光学模块是含有微柱面透镜列阵3和置于微柱面透镜列阵3之前与激光二极管列阵头架1之间的微柱面透镜2(见图2)；或者是含有微柱面透镜列阵3和置于微柱面透镜列阵3之后与前扩束光学元件13中扩束付透镜4之间的非球面柱面大透镜。上述两两均是胶合而成的。
所说的前扩束光学元件13含有第一扩束付透镜4和第一扩束主透镜5。
所说的整形光学元件14是由第一柱面透镜6和第二柱面透镜7构成的，或是由变形棱镜对构成的。
所说的后扩束光学元件16含有第二扩束付透镜8和第三扩束付透镜9，第二扩束主透镜10和第三扩束主透镜11。
所说的镜筒17置于调整架15上，调整架15具有上下、前后、左右以及俯仰的精密调节，因此镜筒17可以做多维的调节。
如图1所示，由LDBAR发射的激光束经准直光学模块构成的准直光学元件12准直后发送出一近平行长方矩形光束。平行于LDBAR线阵方向的光束发散度为P‖～40mrad，是对应于光束的长边；垂直于LDBAR线阵方向的光束发散度为P⊥～3mrad，是对应于光束的短边。准直光学元件12的激光功率透过率为ηmax～95％。经前扩束光学元件13的2倍扩束后改善光束方向性，光束发散度变为P‖～20mrad和P⊥～1.5mrad。经整形光学元件14的5倍整形后发送出近方形光束，光束发散度为P‖～4mrad和P⊥～1.5mrad。再经扩束光学元件16的3倍扩束，进一步改善方向性，最后发送出发散度为P‖～1.3mrad和P⊥～0.5mrad的近方形平行光束。2km远处光束大小为2.6米×1米。
为了提高望远镜的透过率，(1)组成光路的所有光学元件12、13、14、16的透镜的透光表面均镀有对激光二极管(LD)的激光束透过率T＞99.5的增透膜层；(2)后级光学元件的接收通光孔径略大于前一级光学元件的发送通光孔径，并且前后级间尽可能挨近避免各元件的人为拦光损耗。
为了提高准直光学元件12的准直效果，准直光学模块含有微柱面透镜2时，微柱面透镜2采用很大数字孔径(NA＝0.85)和很短焦距(f＝0.91mm)的绕射限，微柱面透镜列阵3所取参数必须与LDBAR的结构参数严格一致，微柱面透镜列阵3中所包含的作为列阵元的微柱面透镜的数目N等于或大于激光二极管列阵中所包含作为列阵元的激光二极管的数目M，即N≥M。并且两者列阵元即微柱面透镜和激光二极管的排列是一一对应的，排列方向和布局结构完全相同。并且为了获得最佳耦合特性，微柱面透镜2和微柱面透镜列阵3的胶合间隙厚度d为最佳d＝50μm。构成准直光学元件12的准直光学模块的接收面与LDBAR的发光面间的最佳耦合距离L为L＝88±5μm(这时耦合效率最高)，并且最重要的是，微柱面透镜列阵与LDBAR高精度对准，它决定了准直输出光束的光轴是否与望远镜的光轴完全一致，也就决定了望远镜整机的耦合输出激光功率的效率，也决定着准直束的发散度，沿线性列阵侧向1μm的准直误差就会导致准直束加大1mrad的发散度。由此，可见轴向与横向微米(μm)量级的位置偏差都会导致激光输出功率和光束的平行度降低，发散度增大。为解决这一高难技术问题，准直光学元件12中本发明设计有微调结构。
本发明的构成准直光学元件12的准直光学模块中含有非球面柱面大透镜时，其中微柱面透镜列阵3单独完成对LDBAR的慢轴方向的准直，其后跟一块非球面柱面大透镜作快轴方向的准直，其它扩束、整形光学不变，最终仍是实现本发明总目的的可行技术结构。
前扩束光学元件13、整形光学元件14、后扩束光学元件16的总损失≤6％，这样本发明望远镜的激光功率的透过率T＝95％×92％＝87％。
本发明的优点。
本发明的准直光学元件12，是含有微柱面透镜列阵3的准直光学模块，保证了准直光束的高耦合效率，和低束散。这种准直结构比其它准直结构，激光透射效率提高到T＝95％，从而使整机的耦合效率也可以达到T≥85％。对于LDBAR激光望远镜而言，发送出的光束发散度仅为0.5mrad×1.3mrad，这也是比已有技术先进的。本发明特别适用20瓦以上的激光二极管列阵。基本上消除了人为的拦光损耗。
本发明还可以方便地应用到激光望远镜野战与机载军事应用的领域。
附图说明：
图1是平行于LDBAR激光发射面方向的光路示意图。图2是微柱面透镜2和微柱透镜列阵3构成的准直光学模块的示意图。
实施例：
对于发光面为1cm×1μm，发散角为θ⊥～40°(FWHM)，θ‖～10°(FWHM)，1cm长度内含M＝25个宽度为100μm的列阵元激光二极管、两列阵元之间的节距为400μm，发射波长λ＝806nm的典型CW20W LDBAR的实施例：作为准直光学元件12的准直光学模块长12mm，宽2mm，高3.26mm，含列阵元N＝25的微柱面透镜，每只激光二极管与之对应一个微柱面透镜如图2所示。通光孔为10.8mm×2mm，准直光学模块与LDBAR耦合距离L＝85μm。扩束付透镜4至扩束主透镜11的光路中各元件的参数如下表：
| R d n φ光 φ外 fc | ||
| 2×扩束光学13 | 第一扩束付透镜4 | -70 2 ZF2 12 15 f4′＝-45.3952.7242.75400-70 4.2 ZF2 24 28 f5′＝90.82 |
| 第一扩束主透镜5 | ||
| 5×整形光学14 | 第一柱面透镜6 | ∞ 2 ZF6 25×44 30×50 f6′＝-46.2434.06181.9∞-170.61 6 ZF6 56×46 60×50 f7′＝231.60 |
| 第二柱面透镜7 | ||
| 3×扩束光学16 | 第二扩束付透镜8 | -240.8 4.5 ZF6 φ72 φ76∞4-182.1 f8、9′＝-162.88-731.1 4.5 ZF6 φ72 φ76137.8-530-240 15 ZF6 φ144 φ1502-1500 f10、11′＝325.63-384.5 15 ZF6 φ144 φ150 |
| 第三扩束付透镜9 | ||
| 第二扩束主透镜10 | ||
| 第三扩束主透镜11 |
这一实施例，望远镜最后发送的近平行光束发散角仅为0.75mrad×1.5mrad，激光功率整机耦合效率T≥85％。这个结果，比已有技术好得多。
Claims (4)
1.一种用于激光二极管列阵的激光望远镜，含有：置于调整架(15)上的镜筒(17)内一端有放激光二极管列阵头的头架(1)，由头架(1)向镜筒(17)内同光轴地依次置于镜筒(17)内有准直光学元件(12)，整形光学元件(14)和后扩束光学元件(16)；其特征在于：所说的准直光学元件(12)是由含有微柱面透镜列阵(3)和微柱面透镜(2)，或者非球面柱面大透镜的准直光学模块构成的，其中微柱面透镜列阵(3)中所含有作为列阵元的微柱面透镜的数目N等于或大于激光二极管列阵中作为列阵元的激光二极管的数目M，即N≥M；并且两列阵中的列阵元—微柱面透镜和激光二极管的排列是一一对应，排列方向和布局结构完全相同，在镜筒(17)内，在准直光学元件(12)与整形光学元件(14)之间有前扩束光学元件(13)。
2.根据权利要求1所述的用于激光二极管列阵的激光望远镜，其特征在于所说的前扩束光学元件(13)含有第一扩束付透镜(4)和第一扩束主透镜(5)。
3.根据权利要求1所述的用于激光二极管列阵的激光望远镜，其特征在于所说的后扩束光学元件(16)含有第二扩束付透镜(8)和第三扩束付透镜(9)，第二扩束主透镜(10)和第三扩束主透镜(11)。
4.根据权利要求1所述的用于激光二极管列阵的激光望远镜，其特征在于所说的构成准直光学元件(12)的准直光学模块的接收面与激光二极管列阵的发光面之间的最佳耦合距离L为L＝88±5μm。
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