CN111158140B - 一种用于高能激光光学系统的杂散光分析抑制方法及高能激光光学系统 - Google Patents
一种用于高能激光光学系统的杂散光分析抑制方法及高能激光光学系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明为了解决现有技术中的杂散光分析方法仅分析到探测器焦面的杂散光分布，无法获得高能光源对系统稳定性的影响的缺陷，而提出一种用于高能激光光学系统的杂散光分析抑制方法及高能激光光学系统。本发明的方法包括：获取待分析的高能激光系统模型中光学系统及其外部通道结构的表面辐射功率；通过有限元分析软件分析高能激光系统模型中光学系统在t0时刻的光功率分布；将光功率分布带入光学系统外部的通道结构中，得到t0时刻通道结构的热分布及变形量；将通道结构的热分布及变形量带入光学系统结构中，得到热分布及变形量使光学系统产生的性能变化情况。本发明还包括一种高能激光光学系统。本发明适用于高能激光光学系统的设计和制造。
Description
技术领域
本发明涉及高能激光领域，具体涉及一种用于高能激光光学系统的杂散光分析抑制方法及高能激光光学系统。
背景技术
高能激光武器的平均输出功率超过20KW，每个脉冲的能量超过30KJ，其部分结构如图1所示，高能激光系统包括由光学部件组成的光学系统和外部通道结构，当高能激光经过光学系统时，反射光会使外部结构产生温度变化进而产生变形量。同时外部通道的变形和升温会使光学系统发生光学性能改变，进而影响整个系统的稳定性。因此需要对系统进行杂散光分析，杂散光分析可解决高能系统受热不均产生的稳定性问题、减少共口径发射/接收通道内接收系统受到干扰的问题。因此，该杂散光分析方法在很多方面都可应用，如激光通讯、激光雷达、高功率照明系统、激光武器等。目前有多种杂散光分析方法，其原理和特点都各不相同，但大多数仅分析到探测器焦面的杂散光分布，其缺点在于无法获得高能光源对系统稳定性的影响。
发明内容
本发明的一个目的是解决现有技术中的杂散光分析方法仅分析到探测器焦面的杂散光分布，而无法获得高能光源对系统稳定性的影响的缺陷。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于高能激光光学系统的杂散光分析抑制方法，包括：S1：获取待分析的高能激光系统模型中光学系统及其外部通道结构的表面辐射功率；S2:通过有限元分析软件分析高能激光系统模型中光学系统在t0时刻的光功率分布；S3：将光功率分布带入光学系统外部的通道结构中，得到t0时刻通道结构的热分布及变形量；S4：将通道结构的热分布及变形量带入光学系统结构中，得到所述热分布及变形量使光学系统产生的性能变化情况。
优选地，用于高能激光光学系统的杂散光分析抑制方法还包括：S5：对于t0的下一时刻，重复S2至S4，得到光学系统及其外部通道结构在各个时刻直至系统达到热温稳定时刻的性能变化情况。
优选地,用于高能激光光学系统的杂散光分析抑制方法还包括：S6：根据光学系统在各个时刻直至系统达到热温稳定时刻的性能变化情况判断是否满足预设的数值要求，若不满足，则根据无热化设计原则对所述光学系统进行重新设计，直至满足预设的数值要求。
优选地，步骤S1中,通过zemax或Code V软件获取待分析的高能激光系统模型中光学系统及其外部通道结构的表面辐射功率。
优选地，步骤S2中，所述有限元分析软件为Ansys软件。
根据本发明的第二方面，提供一种高能激光光学系统，包括光学系统以及外部通道结构，其中外部通道结构通过步骤SA1至步骤SA4得到：SA1：获取待分析的高能激光系统模型中光学系统及其外部通道结构的表面辐射功率；SA2:通过有限元分析软件分析高能激光系统模型中光学系统在t0时刻的光功率分布；SA3：将光功率分布带入光学系统外部的通道结构中，得到t0时刻通道结构的热分布及变形量；SA4：对于t0的下一时刻，重复SA2至SA3，得到外部通道结构在各个时刻直至系统达到热温稳定时刻的性能变化情况，并根据所述外部通道结构的性能变化情况制作所述外部通道结构。
其中光学系统通过步骤SB1至步骤SB5实现：SB1：获取待分析的高能激光系统模型中光学系统及其外部通道结构的表面辐射功率；SB2:通过有限元分析软件分析高能激光系统模型中光学系统在t0时刻的光功率分布；SB3：将光功率分布带入光学系统外部的通道结构中，得到t0时刻通道结构的热分布及变形量；SB4：将通道结构的热分布及变形量带入光学系统结构中，得到所述热分布及变形量使光学系统产生的性能变化情况；SB5：对于t0的下一时刻，重复SB2至SB4，得到所述光学系统在各个时刻直至系统达到热温稳定时刻的性能变化情况，并根据所述光学系统的性能变化情况制作所述光学系统中的各光学部件。
本发明的技术效果是：
1、考虑到了杂散光对高能激光系统可能造成的影响，提高了系统的稳定性，为高能激光系统的设计提供了新思路；
2、在设计阶段便能找出系统可能存在的风险，不需要在系统实际生产之后再去验证，大大降低了优化系统所需要的成本。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1为本发明一个实施例的流程图；
图2为本发明一个实施例的原理示意图；其中1-外部通道结构，2-光学系统。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
具体实施方式一：
本实施方式提供一种用于高能激光光学系统的杂散光分析抑制方法，本方法适用于系统设计阶段，即在光学设计软件、有限元分析软件等工具中进行参数、模型的分析和设计，以保证后续生产制造出的结构具有合理的功能、参数。该设计阶段尚未涉及具体的光学、机械结构，但属于生产制造前的必要步骤。
本实施方式的方法如图1所示，包括：
步骤S1：获取待分析的高能激光系统模型中光学系统及其外部通道结构的表面辐射功率。本步骤中的高能激光系统模型可以是事先给定的模型，例如已完成了机械结构设计后的系统，在本步骤中通过特定软件进行表面辐射功率分析。其中的光学系统指的是透镜等光学镜头或光学组件，外部通道指的是为光学系统提供外部支撑的通道结构。其原理如图2所示，图中的光线表示高能激光，透镜组表示光学系统(为了简洁图2中仅示出一部分光学元件，实际系统中有多种、多组光学元件)，透镜外部的通道表示外部通道结构。图2中可以看出当高能激光进入光学系统后会有一部分杂散光被光学系统反射后聚集在外部通道上，外部通道会因此发生热分布改变从而导致局部变形，进而影响光学元件的成像质量。因此本步骤需要先分析光系统和外部通道的表面辐射功率，为后续分析提供参数数据。进一步地，本步骤中用于获取待分析的高能激光系统模型中光学系统及其外部通道结构的表面辐射功率的软件可以为zemax或Code V软件。
步骤S2：通过有限元分析软件分析高能激光系统模型中光学系统在t0时刻的光功率分布。获取到光功率分布能够有助于得到聚集在外部通道结构上的能量情况。进一步地，本步骤中的有限元分析软件可以为Ansys软件
步骤S3：将光功率分布带入光学系统外部的通道结构中，得到t0时刻通道结构的热分布及变形量。即在分析软件中能够根据外部通道的各项参数得到热分布和受热后产生的变形量。
步骤S4：将通道结构的热分布及变形量带入光学系统结构中，得到热分布及变形量使光学系统产生的性能变化情况。即外部通道的形状变化和温度变化都会对光学元件的光学性能产生影响，通过软件可以得到光学系统产生的性能变化。
本实施方式还可以包括步骤S5：对于t0的下一时刻，重复S2至S4，得到光学系统及其外部通道结构在各个时刻直至系统达到热温稳定时刻的性能变化情况。即步骤S1至S4是对t0时刻进行分析，本步骤对后续时刻也进行分析，得到光功率分布情况随时间变化的数据。由此可以模拟出高能激光光学系统在持续工作过程中的光学系统性能变化情况，通过这种分析有助于在光学设计和机械设计阶段就避免杂散光对光学性能造成的影响。增强了系统稳定性，避免了风险。
本实施方式还可以包括步骤S6：根据光学系统在各个时刻直至系统达到热温稳定时刻的性能变化情况判断是否满足预设的数值要求，若不满足，则根据无热化设计原则对光学系统进行重新设计，直至满足预设的数值要求。本步骤是为了验证光学系统达到热稳定时刻的各项参数是否都维持在预设的范围内，例如如果某些参数超出了预设范围，表示光学系统的性能变化超出了允许的范围，需要重新调整光学系统或外部通道的表面参数，使其性能能够保持在预设范围内。本步骤能够降低系统出现不稳定的可能性和重新设计的成本，使得系统在实际生产制造前就避免可能导致风险的因素，有助于提高生产效率和系统稳定性。
具体实施方式二：
本实施方式提供一种高能激光光学系统，包括光学系统以及外部通道结构，其中外部通道结构通过步骤SA1至步骤SA4得到：
SA1：获取待分析的高能激光系统模型中光学系统及其外部通道结构的表面辐射功率。
SA2:通过有限元分析软件分析高能激光系统模型中光学系统在t0时刻的光功率分布。
SA3：将光功率分布带入光学系统外部的通道结构中，得到t0时刻通道结构的热分布及变形量。
SA4：对于t0的下一时刻，重复SA2至SA3，得到外部通道结构在各个时刻直至系统达到热温稳定时刻的性能变化情况，并根据外部通道结构的性能变化情况制作外部通道结构。
其中光学系统通过步骤SB1至步骤SB5实现：
SB1：获取待分析的高能激光系统模型中光学系统及其外部通道结构的表面辐射功率。
SB2:通过有限元分析软件分析高能激光系统模型中光学系统在t0时刻的光功率分布。
SB3：将光功率分布带入光学系统外部的通道结构中，得到t0时刻通道结构的热分布及变形量。
SB4：将通道结构的热分布及变形量带入光学系统结构中，得到热分布及变形量使光学系统产生的性能变化情况。
SB5：对于t0的下一时刻，重复SB2至SB4，得到光学系统在各个时刻直至系统达到热温稳定时刻的性能变化情况，并根据光学系统的性能变化情况制作光学系统中的各光学部件。
即本实施方式中高能激光光学系统中的光学系统部分和外部通道结构部分是按照两种方法得到的产品，其中SA1至SA4是关于外部通道结构的方法，其过程与具体实施方式一中的方法原理相同，目的是得到“外部通道结构在各个时刻直至系统达到热温稳定时刻的性能变化情况”，以此来验证是否外部通道的材料等参数在任意时刻都满足预设的数值要求。如果不满足要求，可以重新选择适合的材料制作外部通道结构。也可以通过机械补偿的方式使外部通道结构达到要求，例如在已有通道的外部增加其他机械结构，使得外部通道聚集杂散光时的热分布发生改变，以克服问题。
SB1至SB5是关于光学系统的方法，其过程与具体实施方式一中的方法原理相同，目的是得到“光学系统在各个时刻直至系统达到热温稳定时刻的性能变化情况”，以此来验证光学系统是否符合预设的数值要求。如果不符合要求，可以通过改变光学系统的表面辐射功率来进行优化。例如，可以通过无热化设计来对光学系统进行优化。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。
Claims (4)
1.一种用于高能激光光学系统的杂散光分析抑制方法，其特征在于，
S1：获取待分析的高能激光系统模型中光学系统及其外部通道结构的表面辐射功率；
S2:通过有限元分析软件分析高能激光系统模型中光学系统在t0时刻的光功率分布；
S3：将光功率分布带入光学系统外部的通道结构中，得到t0时刻通道结构的热分布及变形量；
S4：将通道结构的热分布及变形量带入光学系统结构中，得到所述热分布及变形量使光学系统产生的性能变化情况；
S5：对于t0的下一时刻，重复S2至S4，得到光学系统及其外部通道结构在各个时刻直至系统达到热温稳定时刻的性能变化情况；
S6：根据光学系统在各个时刻直至系统达到热温稳定时刻的性能变化情况判断是否满足预设的数值要求，若不满足，则根据无热化设计原则对所述光学系统进行重新设计，直至满足预设的数值要求。
2.根据权利要求1的用于高能激光光学系统的杂散光分析抑制方法，其特征在于，步骤S1中，通过zemax或Code V软件获取待分析的高能激光系统模型中光学系统及其外部通道结构的表面辐射功率。
3.根据权利要求1的用于高能激光光学系统的杂散光分析抑制方法，其特征在于，步骤S2中，所述有限元分析软件为Ansys软件。
4.一种高能激光光学系统，包括光学系统以及外部通道结构，其中外部通道结构通过步骤SA1至步骤SA4得到：
SA1：获取待分析的高能激光系统模型中光学系统及其外部通道结构的表面辐射功率；
SA2:通过有限元分析软件分析高能激光系统模型中光学系统在t0时刻的光功率分布；
SA3：将光功率分布带入光学系统外部的通道结构中，得到t0时刻通道结构的热分布及变形量；
SA4：对于t0的下一时刻，重复SA2至SA3，得到外部通道结构在各个时刻直至系统达到热温稳定时刻的性能变化情况，并根据所述外部通道结构的性能变化情况制作所述外部通道结构；
其中光学系统通过步骤SB1至步骤SB5实现：
SB1：获取待分析的高能激光系统模型中光学系统及其外部通道结构的表面辐射功率；
SB2:通过有限元分析软件分析高能激光系统模型中光学系统在t0时刻的光功率分布；
SB3：将光功率分布带入光学系统外部的通道结构中，得到t0时刻通道结构的热分布及变形量；
SB4：将通道结构的热分布及变形量带入光学系统结构中，得到所述热分布及变形量使光学系统产生的性能变化情况；
SB5：对于t0的下一时刻，重复SB2至SB4，得到所述光学系统在各个时刻直至系统达到热温稳定时刻的性能变化情况，并根据所述光学系统的性能变化情况制作所述光学系统中的各光学部件。
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