CN116661162A - 基于双焦透镜的远场基准装置及远场准直方法 - Google Patents

Abstract

一种基于双焦透镜的远场基准装置。光束通过双焦透镜后，在图像探测器上获得两种角度放大率的光斑。通过低角度放大率的主光斑以实现数毫弧度的观察视场，高角度放大率的次光斑以保证微弧度的准直精度，兼顾了高精度与大视场，集成该双焦透镜镜头的一套成像系统即可满足远场准直的需求，极大降低了远场自动准直的复杂度及对精密装调和机械结构长期稳定性的要求。

Description

基于双焦透镜的远场基准装置及远场准直方法

技术领域

本发明涉及空间激光光束自动准直，特别是远场光束指向的闭环反馈。

背景技术

在高功率激光技术领域，高能拍瓦系统近十年取得了长足的发展，在快点火研究、X射线诊断、质子加速等方面取得了很多重大进展。高能拍瓦系统一般基于啁啾脉冲放大(chirped pulse amplification,CPA)技术方案实现，终端采用了大口径光栅作为脉冲压缩器，采用离轴抛物面反射镜作为聚焦元件，二者对光束对准精度提出了极为苛刻的要求。对准精度的失配既影响装置输出脉冲脉宽、信噪比等时域特性，又会影响靶面聚焦特性。为此，研究人员在如何实现高能拍瓦装置的光束精密自动准直方面开展了大量的研究，在满足大视场的要求同时不断提高自动准直的精度。

大型激光装置的自动准直系统主要由计算机、近远场图像反馈系统、伺服反射镜等组成。其基于两点一线的几何原理来确定一段光轴，使光束的落点与预设位置重合。通常将一点取在某一确定位置处，称为近场；另一点取在无穷远处即焦点位置，称为远场。利用近场的图像反馈以监视光束的平移，远场的图像反馈以监视光束的角移，自动准直的基本流程如下：1)通过近远场的图像反馈提取光束的中心；2)计算机将提取的光束中心与基准的偏差量处理为伺服反射镜的调整量，控制系数由实际标定给出；3)驱动伺服反射镜逼近目标位置；4)重复步骤1)～3)使偏差量小于许可误差阈值，自动准直完成。作为自动准直系统中的关键子系统，目前广泛应用的远场准直方案通常选取空间传输滤波器(transportspatial filter，TSF)的共焦面作为远场位置，因此远场自动准直的控制质量不仅直接影响到靶光束的打靶精度，更与光束的近远场质量紧密相关。

受限于光学系统视场及分辨率，一般无法在同一系统中兼顾大视场和高精度。因此，为了保证较高的自动准直精度，传统的自动准直方案通常通过精密装调及较高的机械稳定性保证准直光束进入自动准直系统的观察视场，而一般机械件的装调精度和长期稳定性的极限在数百微弧度，靠此方法提升系统准直精度有限，且牺牲了远场准直视场。

在一套光学系统无法兼顾自动准直反馈精度和反馈视场时，一般可通过两套反馈系统实现：一套反馈系统具备较大视场，用其实现粗精度的自动准直；粗精度自动准直完成后，采用另一套高精度远场图像反馈系统实现高精度自动准直。但该方案采用两套光学系统及两套相机，系统较为复杂，成本较高。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于双焦透镜的远场基准装置，在同一套光学系统中既实现微弧度的准直精度，又能实现数毫弧度的观察视场，大大降低对精密装调及机械结构长期稳定性的要求。

为实现上述的发明目的，本发明的技术解决方案如下：

一种基于双焦透镜的远场基准装置，其特点在于，包括一对反射镜组、沿入射光束传输方向依次放置的聚焦透镜、双焦透镜和图像探测器，且所述双焦透镜位于所述聚焦透镜的像面位置；

所述的入射光束经所述聚焦透镜聚焦后，入射至所述双焦透镜，所述的双焦透镜具有多重成像特性，用于产生不同精度的表征光斑位置的出射光斑，经所述双焦透镜透射后的光束，在所述图像探测器上产生主光斑及次光斑，该图像探测器的输出端与计算机的输入端连接，接收并记录光斑位置；所述的计算机具有光斑位置处理软件，用来提取两种角度放大率的光斑位置，通过低角度放大率的主光斑以实现数毫弧度的观察视场，通过高角度放大率的次光斑以保证微弧度的准直精度，从而实现高精度与大视场。

所述主光斑和次光斑的角度放大率倍比α满足如下关系：

式中，r₁为双焦透镜的入射面曲率半径，r₂为出射面曲率半径、d₂为透镜中心厚度、n为折射率，f为所述的聚焦透镜的焦距，d₁为所述的聚焦透镜与所述的双焦透镜的距离，d₃为所述的双焦透镜与所述的图像探测器的距离。

利用上述基于双焦透镜的远场基准装置实现远场准直的方法，其特点在于，该方法包括下列步骤：

1)利用计算机提取出光斑中心位置，与远场基准相比较，粗调反射镜组，使主光斑接近视场中心，完成粗精度自动准直，使次光斑进入视场；

2)精调反射镜组，使次光斑逼近远场基准，完成高精度自动准直。

3)重复1)～2)使光斑与远场基准位置误差收敛至许可范围内，远场准直完成。

与现有技术相比，本发明的技术效果如下：

本发明通过双焦透镜，使用一套成像系统即可满足终端远场自动准直的需求。在兼顾了远场准直过程中的大视场及高精度两个方面的同时，摒弃了两套成像系统的准直思想，有效降低了远场自动准直的冗余度和复杂度，相比传统自动准直技术，在维持高准直精度的前提下有效提高了准直视场，降低了对装调精度及机械长期稳定性的要求，在空间激光装置的自动准直领域具有极佳的应用前景。

附图说明

图1是本发明基于双焦透镜的远场基准装置的主透射光斑和次透射光斑的光路示意图。

图中：1-反射镜组；2-聚焦透镜；3-双焦透镜；4-入射光束；5-主光斑；6-次光斑；8-图像检测器；8-计算机。

具体实施方式

下面结合设计实例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请参阅图1，图1是本发明基于双焦透镜的远场基准装置的主光斑和次光斑的光路示意图，如图所示，包括入射光束，反射镜组、聚焦透镜，双焦透镜，图像探测器和计算机。

所述的双焦透镜的左右表面曲率分别为r₁和r₂，透镜厚度为d₂，透镜折射率为n；聚焦透镜焦距为f，与双焦透镜的距离为d₁；图像探测器距双焦透镜的距离为d₂，对主光斑及次光斑成像。双焦透镜与聚焦透镜共轴，且位于其像面位置。所述的图像探测器的输出端与计算机的输入端连接；所述的计算机具有光斑位置处理软件，用来提取主出射光斑及次出射光斑的位置。所述的双焦透镜与所述的聚焦透镜共轴，位于该聚焦透镜的像面位置，对入射光束成像。双焦透镜具有多重成像特性，用于产生不同角度放大率的透射光斑；所产生的低角度放大率的主光斑调节精度较低，用于实现毫弧度的观察视场，所产生的高角度放大率的次光斑调节精度较高，用于保证微弧度的调节精度。

利用所述的基于双焦透镜的远场基准装置进行远场准直，该方法包括下列步骤：

1)利用计算机提取出光斑中心位置，与远场基准相比较，粗调反射镜组(1)，使主光斑(5)接近视场中心，完成粗精度自动准直，使次光斑(6)进入视场；

2)精调反射镜组(1)，使次光斑(6)逼近远场基准，完成高精度自动准直。

3)重复1)～2)使光斑与远场基准位置误差收敛至许可范围内，远场准直完成。

下面采用矩阵光学方法进行理论分析。根据近轴矩阵光学理论，对于自身折射率为n的厚透镜，设其前后两面的曲率半径为r₁、r₂，其厚度为d₂。规定当光线遇到凹面镜时，取r<0，当光线遇到凸面镜时，取r>0。其距聚焦透镜的距离为d₁，距离成像面的距离为d₃。

则对于射入透镜的主透射光斑而言，根据厚透镜的矩阵光学描述，双焦透镜的传输矩阵可写作两个球面折射矩阵和一个透射矩阵的乘积。经过聚焦透镜后传输d₂入射双焦透镜，最后在距离透镜d₃的成像面上成像，光路总体传输过程等效传输矩阵T_M为：

可写为：

而对两次透射的次透射光斑而言，其相较于主光斑，在透镜内部多进行两次反射和两次透射过程，即其总体光路传输矩阵T_G为：

可写为：

作为远场成像透镜，要求整个系统具有高角移敏感度，则将该过程等效为两个空间传输过程及一个理想透镜透射过程，可列写理想等效传输过程矩阵：

根据应用光学理论，该传输矩阵表明，本系统空间放大率为0，角度放大率为等效理想透镜的焦距F。

则根据主次光斑传输矩阵，可列写主传输矩阵等效关系：

根据：F为主传输矩阵理想等效透镜的焦距，F'为次传输矩阵理想等效透镜的焦距，其比值即为远场成像系统对于两光斑角度放大率的倍比。规定r₂＝∞,则f_M3、f_G3可简化为：

两光斑角度放大率倍比为：

举例而言，若使两光斑角度放大率倍比为2，则r₁,n,f,d₁,d₂需满足：

4d₂＝-r₁,n(f+d₁)＝2d₂

不难看出，由于d₂非负，其左面曲率半径r₁必须为负。

类似的，改变r₁,n,f,d₁,d₂的关系，即可改变远场系统的两光斑角度放大率倍比。

经验证表明，本发明通过单套成像系统即可兼顾远场自动准直的精度和视场要求，且不增加准直流程，设计轻量且集成度高。基于本发明，后续通过参数优化与现有的自动准直方案相结合，有望降低对机械装配和机械件长期稳定性的要求，及准直系统的冗余度，实现在空间激光装置上的实际应用。

Claims (3)

1.一种基于双焦透镜的远场基准装置，其特征在于，包括一对反射镜组(1)、沿入射光束(4)传输方向依次放置的聚焦透镜(2)、双焦透镜(3)和图像探测器(7)，且所述双焦透镜(3)位于所述聚焦透镜(2)的像面位置；

所述的入射光束(4)经所述聚焦透镜(2)聚焦后，入射至所述双焦透镜(3)，所述的双焦透镜(3)具有多重成像特性，用于产生不同精度的表征光斑位置的出射光斑，经所述双焦透镜(3)透射后的光束，在所述图像探测器(7)上产生主光斑(5)及次光斑(6)，该图像探测器(7)的输出端与计算机(7)的输入端连接，接收并记录光斑位置；所述的计算机(7)具有光斑位置处理软件，用来提取两种角度放大率的光斑位置，通过低角度放大率的主光斑以实现数毫弧度的观察视场，通过高角度放大率的次光斑以保证微弧度的准直精度，从而实现高精度与大视场。

2.根据权利要求1所述的基于双焦透镜的远场基准装置，其特征在于，所述主光斑(5)和次光斑(6)的角度放大率倍比α满足如下关系：

式中，r₁为双焦透镜(3)的入射面曲率半径，r₂为出射面曲率半径、d₂为透镜中心厚度、n为折射率，f为所述的聚焦透镜(2)的焦距，d₁为所述的聚焦透镜(2)与所述的双焦透镜(3)的距离，d₃为所述的双焦透镜(3)与所述的图像探测器(7)的距离。

3.利用权利要求1或2所述的基于双焦透镜的远场基准装置实现远场准直的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

1)利用计算机提取出光斑中心位置，与远场基准相比较，粗调反射镜组(1)，使主光斑(5)接近视场中心，完成粗精度自动准直，使次光斑(6)进入视场；

2)精调反射镜组(1)，使次光斑(6)逼近远场基准，完成高精度自动准直。

3)重复1)～2)使光斑与远场基准位置误差收敛至许可范围内，远场准直完成。