CN217085430U - 一种双波长激光发射系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双波长激光发射系统，包括：激光辐射器、反射镜、第一固定反射镜、激光转换材料、第二固定反射镜、束散角补偿器、合束镜和主波长激光发射系统。本实用新型具有双波长切换结构、小发散角、高能量的优点。

Description

一种双波长激光发射系统

技术领域

本实用新型属于光学技术领域，尤其涉及一种双波长激光发射系统。

背景技术

现有激光扩束镜采用大倍率放大，使得输出的激光口径很大，导致透镜的口径增大，从而使得和口径相关的球差也会明显的增大，同时让透镜的加工难度和成本随之提高。且在有限口径下，束散角压窄能力不足，光斑能量密度无法提升，使得探测能力不足，分辨率较低，从而影响接收系统。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种双波长激光发射系统，具有双波长切换结构、小发散角、高能量的优点。

本实用新型目的通过以下技术方案予以实现：一种双波长激光发射系统，包括：激光辐射器、反射镜、第一固定反射镜、激光转换材料、第二固定反射镜、束散角补偿器、合束镜和主波长激光发射系统；其中，所述主波长激光发射系统包括一级天线和二级天线；使用主波长λ激光时，将反射镜切入双波长激光发射系统，激光辐射器发出的光经反射镜、第一固定反射镜、合束镜反射进入一级天线进行小倍率扩束，再经二级天线进行二次扩束；使用测试波长λ激光时，将反射镜切出双波长激光发射系统，激光辐射器先经过激光转换材料产生大束散角的测试波长λ激光，经第二固定反射镜反射进入束散角补偿器，对测试波长λ进行压缩束散角和消色差，透过合束镜，再经一级天线和二级天线进行扩束、压缩束散角，将束散角压缩至与主波长λ激光相当的角度，增大两个波长激光的作用距离。

上述双波长激光发射系统中，所述束散角补偿器包括第一透镜、第二透镜和第三透镜；其中，第一透镜、第二透镜和第三透镜沿光路方向依次设置；第一透镜、第二透镜和第三透镜位于同一光轴上。

上述双波长激光发射系统中，第一透镜、第二透镜和第三透镜的组合光焦度Φ₅＞0。

上述双波长激光发射系统中，第一透镜的前表面为球面，第一透镜的前表面的曲率半径为-0.851mm，第一透镜的厚度为1.65mm，第一透镜的材料为 F_SILICA，第一透镜的前表面的直径为1.5mm；第一透镜的后表面为球面，第一透镜的后表面的曲率半径为-3mm，第一透镜与第二透镜之间的距离为10mm，第一透镜的后表面的直径为1.5mm。

上述双波长激光发射系统中，第二透镜的前表面为球面，第二透镜的前表面的曲率半径为38.233mm，第二透镜的厚度为2mm，第二透镜的材料为PK3，第二透镜的前表面的直径为5mm；第二透镜的后表面为球面，第二透镜的后表面的曲率半径为-3mm，第二透镜与第三透镜之间的距离为10mm，第二透镜的后表面的直径为5mm。

上述双波长激光发射系统中，第三透镜的前表面为球面，第三透镜的前表面的曲率半径为18.897mm，第三透镜的厚度为2mm，第三透镜的材料为BK8，第三透镜的前表面的直径为5.5mm；第三透镜的后表面为球面，第三透镜的后表面的曲率半径为-77.557mm，第三透镜与合束镜之间的距离为14.13mm，第三透镜的后表面的直径为5.5mm。

本实用新型与现有技术相比具有如下有益效果：

本实用新型的双波长激光发射系统，双波长激光均由同一激光器产生，主波长激光由激光器直接产生，测试波长激光由主波长激光经激光转换材料后生成；较大束散角的测试波长通过补偿结构和天线，将束散角压缩至与主波长相当的角度并消色差；在100mm口径内达到较大的扩束功能，且出射光束散角小，实现远距离激光探测。可广泛应用于激光测距、激光雷达、激光制导、激光跟踪、激光指示、激光武器、激光通讯等民用、科研及军事装备系统中。

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，而并不认为是对本实用新型的限制。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为本实用新型一种双波长激光发射系统光路示意图；

图2为本实用新型主波长激光发射系统光路图；

图3为本实用新型测试波长激光发射系统光路图；

图4为本实用新型具体实施例中补偿器的光路图。

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，本实用新型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实用新型。

在远距离激光探测系统中，利用激光亮度高、方向性好的优点，对远处运动目标进行跟踪、瞄准、照射。发射系统中对于波长λ₁主激光器和波长λ₂的瞄准激光器，由于λ₁、λ₂对镜片的折射率不同从而产生色差，致使两束光不可能经过同一发射系统达到同一目标位置，因此发射系统除考虑焦距一致外，还要考虑瞄准激光器的发散角，尽量要与主激光的发散角一致，且要保持在发射系统中扩束后，不致光束发射到目标外部。消除色差的方法主要利用透镜组消除色差，透镜组由不同折射、散射特性的镜片组成。

在这个系统中，要求激光束经过远距离传输后，到达目标时仍有很高的能量集中度，即激光能量要在一个很小的发射角内沿直线传播，对光束的准直性要求很高。另外系统镜面要承受高能量的强激光照射。镜面对强激光的吸收会引起镜面的热变形，导致产生光束波前误差，从而影响激光发射系统的光束质量。高能量激光发射天线通常采用伽利略式结构，这种结构能缩小外形尺寸，在强功率激光束场合，通过负镜进行光束发散，可避免正镜汇聚而产生空气击穿和透镜损伤。

图1为本实用新型一种双波长激光发射系统光路示意图；图2为本实用新型主波长激光发射系统光路图；图3为本实用新型测试波长激光发射系统光路图。如图1至图3所示，该双波长激光发射系统，其特征在于包括：激光辐射器0、反射镜1、第一固定反射镜2、激光转换材料3、第二固定反射镜4、束散角补偿器5、合束镜6和主波长激光发射系统；其中，所述主波长激光发射系统包括一级天线和二级天线。

主波长光学系统的构成为沿光轴方向从物面一侧至像面一侧依次是激光辐射器0、反射镜1、沿反射镜1的反射光路中的第一固定反射镜2和沿第一固定反射镜2反射光路上的合束镜6以及沿合束镜6反射光路的一级天线和二级天线；在主波长系统中，将反射镜1切出，激光辐射器0、与激光转换材料3、第二固定反射镜4、沿第二固定反射镜4反射光路中的束散角补偿器5和合束镜6以及一级天线与二级天线构成测试波长光学系统。

双波长激光均由同一激光辐射器0产生，主波长λ₁激光由激光器直接产生，其束散角约为3.5mrad，测试波长λ₂激光由主波长激光经激光转换材料3后生成，其束散角约为8mrad。

如图4所示，补偿器5由三块透镜构成，第一透镜51是弯月形负透镜，曲面向着激光入射的方向弯曲；第二透镜52和第三透镜53为双凸正透镜，三个透镜位于同一光轴上，三透镜组合光焦度Φ₅＞0。光学镜片的材料可以是光学玻璃、晶体、梯度折射率材料及塑料中的一种。

高能量激光易使透镜发生形变，所述补偿器、一级天线、二级天线各结构中至少有一个透镜镀抗激光损伤高效增透膜层。

使用主波长λ₁激光时，将反射镜1切入双波长激光发射系统，激光辐射器0发出的光经反射镜1、第一固定反射镜2、合束镜6反射进入一级天线进行小倍率扩束，再经二级天线进行二次扩束；

使用测试波长λ₂激光时，将反射镜1切出双波长激光发射系统，激光器0 先经过激光转换材3产生大束散角的测试波长λ₂激光，经第二固定反射镜4反射进入束散角补偿器5，对测试波长λ₂进行压缩束散角和消色差，透过合束镜 6，再经一级天线和二级天线进行扩束、压缩束散角，将束散角压缩至与主波长λ₁激光相当的角度，增大两个波长激光的作用距离。

补偿器的透镜球差极小值公式为：

其中

f’为束散角补偿器5的焦距，l为物距；

第一透镜51、第二透镜52和第三透镜53的弯曲系数Q的公式为：

第一透镜51、第二透镜52和第三透镜53的结构参数公式为：后表面曲率

前表面曲率

其中，r₁、r₂分别为前表面曲率半径和后表面曲率半径；n为透镜材料的折射率。

对于第一透镜51，物距无穷远，W^∞＝W₀，Q＝Q₀，透镜的后表面曲率 c₂＝Q₀+1，前表面曲率

对于第二透镜52和第三透镜53， l＝f′，

W^∞＝W₀-2.35，

透镜组的后表面曲率

前表面曲率

透镜的曲率半径影响发散角，合适的透镜前后面曲率半径能显著提高发射系统的准直效果。

第一透镜51与第二透镜52和第三透镜53组成的正透镜组共焦，第一透镜51与第二透镜52和第三透镜53组成的正透镜组的光学间隔d＝f₂-f₁，f₂为正透镜组焦距，f₁为第一透镜51焦距。可根据冗余空间调整间隔。

本实用新型实施例的补偿器具体参数为：

本实用新型一种双波长激光发射系统中补偿器0由三块透镜组成，第一透镜01是弯月形负透镜，曲面向着激光入射的方向弯曲，材料为熔融石英玻璃材料；第二透镜02和第三透镜03为双凸透镜，光学材料为肖特玻璃材料。经切换式激光发射系统，主波长激光出射束散角为186urad，放大倍率约为18.8 倍；测试波长激光出射束散角为88urad，放大倍率约为90.9倍，双波长的波前像差均优于λ/4。

本实用新型的双波长激光发射系统，双波长激光均由同一激光器产生，主波长激光由激光器直接产生，测试波长激光由主波长激光经激光转换材料后生成；较大束散角的测试波长通过补偿结构和天线，将束散角压缩至与主波长相当的角度并消色差；在100mm口径内达到较大的扩束功能，且出射光束散角小，实现远距离激光探测。可广泛应用于激光测距、激光雷达、激光制导、激光跟踪、激光指示、激光武器、激光通讯等民用、科研及军事装备系统中。

本实用新型虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型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，均属于本实用新型技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种双波长激光发射系统，其特征在于包括：激光辐射器(0)、反射镜(1)、第一固定反射镜(2)、激光转换材料(3)、第二固定反射镜(4)、束散角补偿器(5)、合束镜(6)和主波长激光发射系统；其中，

所述主波长激光发射系统包括一级天线和二级天线；

使用主波长λ₁激光时，将反射镜(1)切入双波长激光发射系统，激光辐射器(0)发出的光经反射镜(1)、第一固定反射镜(2)、合束镜(6)反射进入一级天线进行扩束，再经二级天线进行二次扩束；

使用测试波长λ₂激光时，将反射镜(1)切出双波长激光发射系统，激光辐射器(0)先经过激光转换材料(3)产生测试波长λ₂激光，经第二固定反射镜(4)反射进入束散角补偿器(5)，对测试波长λ₂进行压缩束散角和消色差，透过合束镜(6)，再经一级天线和二级天线进行扩束、压缩束散角，将束散角压缩至与主波长λ₁激光相当的角度，增大两个波长激光的作用距离。

2.根据权利要求1所述的双波长激光发射系统，其特征在于：所述束散角补偿器(5)包括第一透镜(51)、第二透镜(52)和第三透镜(53)；其中，第一透镜(51)、第二透镜(52)和第三透镜(53)沿光路方向依次设置；第一透镜(51)、第二透镜(52)和第三透镜(53)位于同一光轴上。

3.根据权利要求2所述的双波长激光发射系统，其特征在于：第一透镜(51)、第二透镜(52)和第三透镜(53)的组合光焦度Φ₅＞0。

4.根据权利要求2所述的双波长激光发射系统，其特征在于：第一透镜(51)的前表面为球面，第一透镜(51)的前表面的曲率半径为-0.851mm，第一透镜(51)的厚度为1.65mm，第一透镜(51)的材料为F_SILICA，第一透镜(51)的前表面的直径为1.5mm；

第一透镜(51)的后表面为球面，第一透镜(51)的后表面的曲率半径为-3mm，第一透镜(51)与第二透镜(52)之间的距离为10mm，第一透镜(51)的后表面的直径为1.5mm。

5.根据权利要求2所述的双波长激光发射系统，其特征在于：第二透镜(52)的前表面为球面，第二透镜(52)的前表面的曲率半径为38.233mm，第二透镜(52)的厚度为2mm，第二透镜(52)的材料为PK3，第二透镜(52)的前表面的直径为5mm；

第二透镜(52)的后表面为球面，第二透镜(52)的后表面的曲率半径为-3mm，第二透镜(52)与第三透镜(53)之间的距离为10mm，第二透镜(52)的后表面的直径为5mm。

6.根据权利要求2所述的双波长激光发射系统，其特征在于：第三透镜(53)的前表面为球面，第三透镜(53)的前表面的曲率半径为18.897mm，第三透镜(53)的厚度为2mm，第三透镜(53)的材料为BK8，第三透镜(53)的前表面的直径为5.5mm；

第三透镜(53)的后表面为球面，第三透镜(53)的后表面的曲率半径为-77.557mm，第三透镜(53)与合束镜(6)之间的距离为14.13mm，第三透镜(53)的后表面的直径为5.5mm。

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