CN112710386B - 一种扩束后激光发散角的真空测试装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

一种扩束后激光发散角的真空测试装置及其测试方法，真空罐两侧有两个高透过率的光学窗口，内部有载物台，载物台上安装测试工装，扩束镜头固连在测试工装上并对准平行光管轴线；平行光管焦面处放置光束分析仪；通过平行光管、真空罐、激光器、扩束镜头、光束分析仪、反射式衰减片、密封光学窗口的配合，将常压下影响扩束后发散角的透射式扩束镜头单独放置在体积较小的真空罐中，实现了常压下对扩束后在真空下的发散角进行测试，去除了透射式衰减片因为受热变形导致平行光管焦面处光斑变化引起发散角测试不准确的问题，并且摆脱了对大型真空设备的依赖，提高了常压条件下扩束后激光发散角的测试效率与精度，弥补了传统测试设备的缺陷。

Description

一种扩束后激光发散角的真空测试装置及其测试方法

技术领域

本发明涉及一种扩束后激光发散角的真空测试装置及其测试方法，属于光学技术领域。

背景技术

近年来，随着空间遥感器的不断发展，主动光学遥感器具备普通光学遥感器没有的优势，可得到距离信息，包含激光雷达、测高仪以及激光测风等领域。在测距领域中，激光需要经过扩束后使用，扩束主要是用来压缩激光的发散角，从而使激光打在目标上的能量满足要求。

在使用透射式扩束系统时，由于空气的折射率为1.00029，并不是真空下的1，所以其真空中的发散角与在空气中的发散角不一致。空间遥感器在真空条件下使用，故在地面测试时，需要测试扩束后在真空下的发散角。

目前传统的测试方法是使用大型的空间环境模拟设备，比如大型真空罐，配有平行光管，然后将激光器与扩束镜头连接后，放置在真空罐内，经过平行光管后测试真空下的发散角，该方法的不足之处在于大型真空罐的振动剧烈，激光光斑抖动，测试误差偏大；其次大型真空罐抽真空和复压时间较长，测试效率低下，无法满足单台激光发射系统的反复调整，以及大批量生产。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种扩束后激光发散角的真空测试装置及其测试方法及其测试方法，通过激光器、反射式衰减片、吸收体、真空罐、密封光学窗口、真空计、扩束镜头、平行光管、光束分析仪配合，将扩束镜头和激光器分离，将影响扩束后发散角的扩束镜头单独放置在真空罐内，缩小真空罐体积，缩短了抽真空以及复压的时间；同时真空罐体积缩小，气压到位后真空泵可以关闭，减小振动，提高测试精度。

本发明的技术解决方案是：一种扩束后激光发散角的真空测试装置及其测试方法，包括激光器、反射式衰减片、吸收体、真空罐、密封光学窗口、真空计、扩束镜头、平行光管、光束分析仪。

真空罐两端为罐门，罐门中心与密封光学窗口和真空计密封固定连接，其中入射端口径大于激光器口径，出射端口径大于扩束后激光口径，真空罐中设有用于支撑扩束镜头的载物台和支撑工装，真空罐的真空泵为无油泵，可抽至最低气压低于10pa，其抽真空时间5分钟以内，复压10秒钟以内，关闭抽气阀后，24小时以内气压上升不超过10pa。通过载物台和支撑工装，可以将扩束镜头的中心高与密封光学窗口保持一致。

优选的，在上述的装置与测试方法中，反射式衰减片为高反低透，透过率小于2％，可根据实际需要加多片。

优选的，在上述的装置与测试方法中，所述平行光管为全反射式，焦距不小于12m，口径大于扩束后激光口径，中心视场波像差不大于0.05λ(λ＝632.8nm)。

优选的，在上述的装置与测试方法中，所述密封光学窗口的透射波前RMS优于0.02λ(λ＝632.8nm)，密封光学窗口在承受1个大气压条件下，其透射波前RMS变化小于0.005λ(λ＝632.8nm)。

优选的，在上述的装置与测试方法中，所述光束分析仪可以计算86.4％光斑能量范围的光斑直径，或者可以通过输入平行光管焦距直接计算出发散角。

优选的，一种扩束后激光发散角的真空测试方法，包括如下步骤：

S1，组装并调试激光发散角的真空测试装置；

S2，对准光路，调整真空罐位置；

S3，利用真空罐模拟真空测试环境；

S4，利用光束分析仪测试抽真空后的激光光束发散角。

在上述的装置与测试方法中，所述S1中，先在常压下，将足够数量的反射式衰减片以及吸收体安装好，将扩束镜头放置在真空罐内的合适位置，保证扩束镜头与密封光学窗口目测同心，打开入射端罐门。

优选的，在上述的装置与测试方法中，所述S2中，激光器加电，使激光器出光，观察激光光斑在扩束镜头入射端的位置，若激光为非可见光，则需要使用相应的显色卡来观察，调整真空罐的位置，使得激光光斑完全进入扩束镜头，同时调整真空罐的旋转与俯仰，保证出射的激光光斑汇聚在平行光管焦面处的光束分析仪靶面范围内。

优选的，在上述的装置与测试方法中，所述S3中，将真空罐的罐门关闭锁紧，关闭复压阀门，打开抽气阀门和真空泵电源，观察真空计的真空度，当真空度达到50pa以下时，即可测试。

优选的，在上述的装置与测试方法中，所述S4中，若光束分析仪只能测光斑直径d，则发散角θ＝d/f，其中f为平行光管的焦距。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明缩小了真空罐的体积，在真空度满足要求的条件下尽可能缩短了抽真空与复压的时间，实现了高效的测试，并且真空罐可任意移动，方便在不同位置使用。

(2)本发明通过密封光学窗口的使用，将真空罐作为光学设备，将激光器与扩束镜头分离，有效的验证了透射式扩束系统在空气中对发散角的影响。大小口径密封光学窗口配合，使得扩束后口径可到150mm。同时，通过对真空罐的保压，可以停止抽气泵的工作，减小了振动，提高了测试精度，发散角测试精度优于5μrad。

(3)本发明整体结构紧凑，适用于多种工作环境，使用寿命相对较长，在复杂工况下依然能够良好运转，具有适用范围广的特点，可实现批量化测试，具备良好的市场应用前景。

附图说明

图1为本发明的真空测试装置结构图；

图2为本发明方法流程图；

其中：1激光器；2反射式衰减片；3吸收体；4真空罐；5密封光学窗口；6真空计；7扩束镜头；8平行光管；9光束分析仪；

具体实施方式

下面结合附图说明和具体实施例对本发明作进一步描述。

本发明公开了一种扩束后激光发散角的真空测试装置，包括平行光管、真空罐、激光器、扩束镜头、光束分析仪、反射式衰减片、吸收体；真空罐中设有载物台，真空罐两侧有两个高透过率的光学窗口，内部有载物台，载物台上安装测试工装，扩束镜头固连在测试工装上并对准平行光管轴线；激光器前放置两个45°反射式衰减片，使激光出射光方向对准真空罐和平行光管轴线，衰减片反射部分的光进入吸收体中。平行光管焦面处放置光束分析仪。本发明通过平行光管、真空罐、激光器、扩束镜头、光束分析仪、反射式衰减片、密封光学窗口的配合，将常压下影响扩束后发散角的透射式扩束镜头单独放置在体积较小的真空罐中，实现了常压下对扩束后在真空下的发散角进行测试，去除了透射式衰减片因为受热变形导致平行光管焦面处光斑变化引起发散角测试不准确的问题，并且摆脱了对大型真空设备的依赖，提高了常压条件下扩束后激光发散角的测试效率与精度，弥补了传统测试设备的缺陷。

在激光的测距性能中，激光的发散角是非常重要的指标，发散角的大小直接影响测距性能。在激光测距仪使用中，经常需要将激光器输出的光进行扩束使用，扩束后的发散角须满足测距要求。

常见的扩束光学系统有反射式和透射式两种，透射式的扩束系统体积小，质量轻，但是对于星载测距仪来说，透射式扩束系统有压差的区别，即从常压到真空，在这个过程中，空气自身的折射率对地面测试的发散角有较大影响，不能忽略不计，故需要在真空环境中测试发散角。

常见的方法是将激光器与扩束镜头同时放进带有平行光管的真空罐里，然后在焦面处放置光束分析仪，该方法可以实现真空环境下的测试，但是该方法需要真空罐带有平行光管，设备稀有，难以批量生产；并且由于真空罐体积较大，真空泵引起的抖动较大，测试误差较大；同时真空管体积也会引起抽真空时间过长，若发散角指标不满足要求，难以进行实时调整，从而难以实现批量化生产。

由于激光器内部充满惰性气体，真空环境对激光器内部折射率没有影响，故本发明提出了一种将激光器，扩束镜头，平行光管分离的形式，将影响扩束后发散角的唯一元件扩束镜头单独放置在真空下，将真空罐体积缩小，真空罐无需单独配置平行光管，体积小，抖动小，抽真空以及复压时间极短，可实现高效率高精度测试。

如图1所示，一种扩束后激光发散角的真空测试装置，包括激光器1、反射式衰减片2、吸收体3、真空罐4、密封光学窗口5、真空计6、扩束镜头7、平行光管8、光束分析仪9；

优选方案为：真空罐4两端为罐门，罐门中心与密封光学窗口5和真空计6密封固定连接，其中入射端口径大于激光器口径，出射端口径大于扩束后激光口径，真空罐4中设有用于支撑扩束镜头7的载物台和支撑工装，真空罐4的真空泵为无油泵，可抽至最低气压低于10pa，其抽真空时间5分钟以内，复压10秒钟以内，关闭抽气阀后，24小时以内气压上升不超过10pa。通过载物台和支撑工装，可以将扩束镜头7的中心高与密封光学窗口5保持一致。

优选的，反射式衰减片2为高反低透，透过率小于2％，可根据实际需要加多片。

优选的，平行光管(8)为全反射式，焦距不小于12m，口径大于扩束后激光口径，中心视场波像差不大于0.05λ(λ＝632.8nm)。

优选的，密封光学窗口(5)的透射波前RMS优于0.02λ(λ＝632.8nm)，密封光学窗口在承受1个大气压条件下，其透射波前RMS变化小于0.005λ(λ＝632.8nm)。

优选的，光束分析仪(9)可以计算86.5％光斑能量范围的光斑直径，或者可以通过输入平行光管焦距直接计算出发散角。

如图2所示，一种扩束后激光发散角的真空测试方法，优选方案步骤如下：

S1，组装并调试激光发散角的真空测试装置；

S2，对准光路，调整真空罐位置；

S3，利用真空罐模拟真空测试环境；

S4，利用光束分析仪测试抽真空后的激光光束发散角。

优选的，S1中，先在常压下，将足够数量的反射式衰减片以及吸收体安装好，吸收体要能覆盖所有的反射光，将扩束镜头放置在真空罐内的合适位置，保证扩束镜头与密封光学窗口目测同心，打开入射端罐门。

优选的，S2中，激光器加电，使激光器出光，观察激光光斑在扩束镜头入射端的位置，若激光为非可见光，则需要使用相应的显色卡来观察，调整真空罐的位置，使得激光光斑完全进入扩束镜头，同时调整真空罐的旋转与俯仰，保证出射的激光光斑汇聚在平行光管焦面处的光束分析仪靶面范围内。

优选的，S3中，将真空罐的罐门关闭锁紧，关闭复压阀门，打开抽气阀门和真空泵电源，观察真空计的真空度，当真空度达到50pa以下时，即可测试。

优选的，S4中，若光束分析仪只能测光斑直径d，则发散角θ＝d/f，其中f为平行光管的焦距。

本发明优选方案为：

将被测的激光器1固定好，被测的扩束镜头7与工装连接安装到真空罐4的载物台上，打开入射端的罐门。

使用米尺大概测量扩束镜头7的中心高以及激光器1出口的中心高，调整真空罐4的高度，目测扩束镜头7的中心高与激光器1的中心高基本一致，出口对着平行光管8。

将反射式衰减片2放置在激光器出口位置，根据实际情况决定放置反射式衰减片2的数量，根据反射式衰减片2的位置放置吸收体3，用于吸收反射出去的强光。

激光器1加电，激光器发射激光，根据位置微调吸收体3，使得吸收体3能够完全吸收反射出去的强光。观察激光器1发出激光光斑在扩束镜头7上的位置，若激光为非可见光，则需要用相应波长的显色卡进行观察。根据光斑的位置，精确调整真空罐4的高度和平移，保证激光器1发出的光能够完全进入扩束镜头7内。

观察光经过大口径密封光学玻璃5后，在平行光管8焦点的位置，若激光为非可见光，则需要通过相应的显色卡找到焦点处光斑的位置。

调整真空罐4的旋转和俯仰，将焦点处光斑移动至光束分析仪9成像靶面区域内，若调整过程中，存在扩束镜头7入瞳切光的现象，则再次调整真空罐4的平移，保证入射光全部进入扩束镜头7的同时，平行光管8焦点位置的光斑也在光束分析仪9的成像靶面区域内。

关闭真空罐4的入射端罐门，使光通过入射端的小口径密封光学玻璃5，进入扩束镜头7，并锁紧罐门，关闭复压阀门，打开抽气阀门。

再次确认平行光管8焦点位置的光斑是否在光束分析仪9的成像靶面区域内。

打开抽气泵电源，对真空罐4进行抽真空，同时观察真空计6上的气压值，当气压抽至50pa以下时，关闭抽气阀门，关闭抽气泵电源。

优选方案为：设置光束分析仪9的参数，将光斑能量峰值保持在光束分析仪9饱和能量的80％，并对当前杂光条件下做底电平校正，并输入平行光管8焦距，光束分析仪可直接计算出当前激光的发散角。若光束分析仪9仅能测试光斑尺寸d，则根据平行光管8的焦距f，计算发散角θ＝d/f。

本发明进一步的优选方案为：设真空罐抽真空时间为T1，复压时间为T2，抖动为H，当T1≤3min，T2≤5s，H≤10HZ，满足该优选约束条件，可以实现扩束后激光发散角真空小测试效率和精度的进一步提高。

本发明缩小了真空罐的体积，在真空度满足要求的条件下尽可能缩短了抽真空与复压的时间，实现了高效的测试，并且真空罐可任意移动，方便在不同位置使用。本发明通过密封光学窗口的使用，将真空罐作为光学设备，将激光器与扩束镜头分离，有效的验证了透射式扩束系统在空气中对发散角的影响。大小口径密封光学窗口配合，使得扩束后口径可到150mm。同时，通过对真空罐的保压，可以停止抽气泵的工作，减小了振动，提高了测试精度，发散角测试精度优于5μrad。

本发明整体结构紧凑，适用于多种工作环境，使用寿命相对较长，在复杂工况下依然能够良好运转，具有适用范围广的特点，可实现批量化测试，具备良好的市场应用前景。

本发明说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种扩束后激光发散角的真空测试装置，其特征在于包括：激光器(1)、反射式衰减片(2)、吸收体(3)、真空罐(4)、密封光学窗口(5)、真空计(6)、扩束镜头(7)、平行光管(8)、光束分析仪(9)、载物台和支撑工装；

真空罐(4)两端为罐门，两个罐门中心均设有通孔，用于安装密封光学窗口(5)；罐门中心均设有的通孔与密封光学窗口(5)密封固定连接；

真空罐(4)一端罐门上的密封光学窗口(5)，作为入射端；真空罐(4)另一端罐门上的密封光学窗口(5)，作为出射端；入射端口径小于出射端口径；

真空计(6)位于真空罐(4)的罐壁上；

扩束镜头(7)安装在真空罐(4)内，扩束镜头(7)的口径小端朝向入射端，扩束镜头(7)的口径大端朝向出射段，激光从扩束镜头(7)的口径小端入射，经过扩束镜头(7)扩束后，从扩束镜头(7)的口径大端出射，得到扩束后激光；

其中入射端口径大于激光器光束口径，出射端口径大于扩束后激光口径，真空罐(4)中设有用于支撑扩束镜头(7)的载物台和支撑工装，载物台固定安装在真空罐(4)内，扩束镜头(7)通过支撑工装连接在载物台上；

真空罐(4)通过抽气阀连接外部真空泵，该真空泵为无油泵，可将真空罐(4)内最低气压抽至低于10pa，其抽真空时间5分钟以内，复压10秒钟以内，关闭抽气阀后，24小时以内真空罐(4)内气压上升不超过10pa；通过载物台和支撑工装，能够将扩束镜头(7)的中心与密封光学窗口(5)的中心高度保持一致；

激光器(1)通过出射激光经过反射式衰减片(2)衰减后，穿过入射端的密封光学窗口(5)进入扩束镜头(7)，吸收体(3)用于吸收反射式衰减片(2)衰减掉的激光；经过扩束镜头(7)扩束后的激光，通过出射端的密封光学窗口(5)，进入平行光管(8)；由平行光管(8)的焦点处放置的光束分析仪(9)接收激光，用于测试激光发散角。

2.根据权利要求1所述的一种扩束后激光发散角的真空测试装置，其特征在于：所述反射式衰减片(2)为高反低透，透过率小于2％，可根据实际需要加多个反射式衰减片(2)。

3.根据权利要求1所述的一种扩束后激光发散角的真空测试装置，其特征在于：所述平行光管(8)为全反射式，焦距不小于12m，口径大于扩束后激光口径，中心视场波像差不大于0.05λ，其中λ＝632.8nm。

4.根据权利要求1所述的一种扩束后激光发散角的真空测试装置，其特征在于：所述入射端和出射端的密封光学窗口(5)的透射波前RMS优于0.02λ，其中λ＝632.8nm，密封光学窗口(5)在承受1个大气压条件下，其透射波前RMS变化小于0.005λ，其中λ＝632.8nm。

5.根据权利要求1所述的一种扩束后激光发散角的真空测试装置，其特征在于：激光汇聚到平行光管(8)焦点处为一圆形光斑，光束分析仪(9)能够读取86.5％光斑能量范围的光斑直径；根据光斑直径和平行光管(8)焦距，计算激光发散角。

6.一种基于权利要求1-5中任一项所述的真空测试装置进行的扩束后激光发散角的真空测试方法，其特征在于步骤如下：

S1，组装并调试激光发散角的真空测试装置；

S2，对准光路，即调整真空罐(4)相对于激光器(1)与平行光管(8)的位置；

S3，利用真空罐(4)模拟真空测试环境；

S4，利用光束分析仪(9)测试经过真空罐(4)抽真空后再经过平行光管(8)后的激光光束发散角。

7.根据权利要求6所述的一种扩束后激光发散角的真空测试方法，其特征在于：所述S1中，先在常压下，将足够数量的反射式衰减片(2)以及吸收体(3)安装好，将扩束镜头(7)放置在真空罐(4)内的合适位置，保证扩束镜头(7)与密封光学窗口(5)同心，打开入射端罐门。

8.根据权利要求6所述的一种扩束后激光发散角的真空测试方法，其特征在于：所述S2中，激光器(1)加电，使激光器出光，观察激光光斑在扩束镜头(7)入射端的位置，若激光为非可见光，则需要使用相应的显色卡来观察，调整真空罐(4)的位置，使得激光光斑完全进入扩束镜头(7)，同时调整真空罐(4)的旋转与俯仰，保证出射的激光光斑汇聚在平行光管(8)焦面处的光束分析仪(9)成像范围内。

9.根据权利要求6所述的一种扩束后激光发散角的真空测试方法，其特征在于：所述S3中，将真空罐(4)的罐门关闭锁紧，关闭复压阀门，打开抽气阀门和真空泵电源，观察真空计(6)的真空度，当真空度达到50pa以下时，即可测试。

10.根据权利要求6所述的一种扩束后激光发散角的真空测试方法，其特征在于：所述S4中，若光束分析仪(9)只能测光斑直径d，则发散角θ＝d/f，其中f为平行光管(8)的焦距。