本發(fā)明涉及激光光路設(shè)計領(lǐng)域，尤其是涉及一種近場等效遠(yuǎn)場激光光斑的光路設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

1、公知的，遠(yuǎn)場激光在輻照光電成像設(shè)備時，在其像面上除光學(xué)系統(tǒng)會聚的主光斑以外，還常常包含圓環(huán)條紋、散斑、鬼像、規(guī)則點陣等復(fù)雜的能量分布，這是因為激光輻照光電成像裝備時同時存在衍射效應(yīng)、散射效應(yīng)、干涉效應(yīng)等等。而實驗室內(nèi)的激光器產(chǎn)生的近場激光光束在光斑尺寸和激光光束發(fā)散程度上都和遠(yuǎn)場激光不同，這必然導(dǎo)致近場實驗現(xiàn)象和遠(yuǎn)場激光輻照現(xiàn)象不同，而遠(yuǎn)場激光輻照光電成像設(shè)備實驗成本較高，局限于場地和人員限制，難以獲取不同遠(yuǎn)場距離下的大量的實驗數(shù)據(jù)樣本。

2、以往研究在近場條件下仿真遠(yuǎn)場激光光斑對光電設(shè)備的干擾損失效應(yīng)時，僅僅是將近場條件下的激光器經(jīng)過一擴(kuò)束系統(tǒng)之后再對光電成像設(shè)備進(jìn)行輻照，典型的擴(kuò)束系統(tǒng)為兩片反射鏡或兩個單透鏡組成的望遠(yuǎn)系統(tǒng)，擴(kuò)束的同時壓縮了激光束的發(fā)散角，使激光接近平行光入射，然而在實驗過程中，僅通過擴(kuò)束的方式模擬遠(yuǎn)場激光干擾光電設(shè)備得到的激光光斑與實際的遠(yuǎn)場激光光斑之間仍存在一定差距，首先表現(xiàn)為典型的擴(kuò)束系統(tǒng)無法靈活等效不同遠(yuǎn)場距離下的激光光斑尺寸，其次，即便達(dá)到相同的激光光斑尺寸，也會因為激光波陣面曲率半徑不同導(dǎo)致激光發(fā)散角不同，從而產(chǎn)生不同的干擾效果。如何盡可能逼真模擬遠(yuǎn)場激光輻照光電探測器的現(xiàn)象，說明近遠(yuǎn)場激光的等效性是近場實驗?zāi)軌驕?zhǔn)確評估遠(yuǎn)場激光對光電成像裝備的干擾效果的前提。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了克服背景技術(shù)中的不足，本發(fā)明公開了一種近場等效遠(yuǎn)場激光光斑的光路設(shè)計方法。

2、為了實現(xiàn)所述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、一種近場等效遠(yuǎn)場激光光斑的光路設(shè)計方法，具體包括以下步驟：

4、s1：根據(jù)需要確定等效遠(yuǎn)場激光的距離；

5、s2：確定激光源的各參數(shù)，所述參數(shù)包括激光源束腰、激光源束腰到出光口的距離和激光波長；

6、s3：確定近場最大實驗工作距離，挑選兩個相同焦距的短焦透鏡和兩個相同焦距的長焦透鏡，透鏡的尺寸應(yīng)當(dāng)允許激光光束完全通過；

7、s4：放置衰減倍率不同的衰減片，通過組合不同衰減倍率的衰減片，實現(xiàn)任意想要的衰減倍率，用來調(diào)節(jié)進(jìn)入探測器的能量，模擬不同強(qiáng)度和不同大氣衰減程度的激光干擾光電成像設(shè)備；

8、s5：進(jìn)行等效遠(yuǎn)場光路設(shè)計，搭建光路，開展近場等效遠(yuǎn)場激光光斑實驗；所述等效遠(yuǎn)場光路設(shè)計的步驟為：

9、基于高斯光束的q參數(shù)來計算其傳播規(guī)律，

10、1/q(z)＝1/r(z)-i*lambda/(pi*w(z)^2)????????(1)

11、其中z為傳播距離，r為激光光束波陣面曲率半徑，w為光束有效截面半徑，即光束尺寸，lambda為激光波長，i為虛數(shù)單位；

12、傳播遠(yuǎn)場距離l的光束，其q參數(shù)變?yōu)椋?/p>

13、q＝q0+l,q0＝i*pi*w0^2/lambda＝iq?????????(2)

14、w0是激光的束腰，q是q0的虛部；在近場條件下，激光光束經(jīng)過一系列的光束變換到達(dá)光電成像設(shè)備前的q參數(shù):

15、q1＝(a*q0+b)/(c*q0+d)????????????????(3)

16、a,b,c,d為待確定的參數(shù)，為實現(xiàn)與遠(yuǎn)場完全相同的波陣面曲率半徑和光束有效截面，也就是需要近遠(yuǎn)場的q參數(shù)相等q＝q1：

17、(a*q0+b)/(c*q0+d)＝q0+l??????????????(4)

18、由于q0為復(fù)數(shù)，可以將實部和虛部分開得到兩個等式：

19、ld＝b+cq^2??????????????????????????(5)

20、a＝d+lc?????????????????????????????(6)

21、滿足(5)，則能獲得近遠(yuǎn)場相同的波陣面曲率半徑，滿足(6)，此時近遠(yuǎn)場激光光斑尺寸也相同，滿足上述兩個約束條件，能確保近遠(yuǎn)場激光進(jìn)入探測器之前的激光光斑基本一致，較好滿足等效性要求；

22、為了能對不同束腰尺寸的激光都通用，應(yīng)當(dāng)令(5)和(6)式中c＝0，從而將等式要求增加到3個：

23、ld＝b,a＝d,c＝0????????????????????????(7)

24、當(dāng)透鏡數(shù)量為4個時，發(fā)現(xiàn)一種對稱結(jié)構(gòu)透鏡組，有較好的透鏡間距離和透鏡焦距；在對稱結(jié)構(gòu)下令：

25、l1＝l5,l2＝l4?????????????????????????????(8)

26、f1＝f4,f2＝f3???????????????????????????(9)

27、其中，l1為激光器束腰到第一個透鏡前表面距離，l2為第一個透鏡和第二個透鏡之間的距離，l4為第三個透鏡到第四個透鏡間的距離，l5為第四個透鏡到光電成像設(shè)備的距離，f1，f2，f3，f4依次均為透鏡焦距；

28、將所有等式要求(7)(8)(9)帶入到傍軸光線變換矩陣中得到c的值，傍軸光線變換矩陣m計算過程如下：

29、m＝m1*m2*m3*m4*m5*m4*m3*m2*m1?????????(10)

30、m1～m5以及m均為2*2大小的矩陣，(10)式中的乘法均為矩陣乘法，其中m1＝[1l1；0?1]、m2＝[1?0；-1/f1?1]、m3＝[1l2；0?1]、m4＝[1?0；-1/f21]、m5＝[1l3；0?1]、m＝[ab；cd]，計算m并令其中c項為零，得到如下等式：

31、(f1+f2-l2)(f1*l3+2*f2*l2+f2*l3-l2*l3-2*f1*f2)/(f1^2*f2^2)＝0?(11)

32、其實l3為第二個透鏡和第三個透鏡之間的距離，根據(jù)(11)要求，需令l2＝f1+f2，將該等式要求帶入到原傍軸光線變換矩陣并化簡得到：

33、a＝d＝1??????????????????????????????????????????(12)

34、b＝-(2f1^2*f2-l3*f1^2+2f1*f2^2-2l1*f2^2)/(f2^2)????(13)

35、進(jìn)一步根據(jù)(7)應(yīng)當(dāng)令b＝ld＝l，從而得到等式(14)

36、l3＝(f2^2*l+2*f1^2*f2+2*f1*f2^2-2*l1*f2^2/(f1^2)????(14)

37、因為l3<<l，所以f2<<f1。從上式可知，隨著需要等效遠(yuǎn)場距離的增加，l3線性增長，通過控制l3的變化便可靈活模擬不同遠(yuǎn)場距離的激光光斑；為了控制系統(tǒng)總長l，計算得知：

38、l＝l1+l2+l3+l4+l5＝2*f1+(f2/f1)^2*l+2*l1+4f2+2f2^2/f1-2(f2/f1)^2*l1≈2*f1+(f2/f1)^2*l+2*l1(15)

39、從(15)式可知，激光器束腰到第一個透鏡前表面距離l1可以盡量小，只要將透鏡放在激光器出光口前即可，當(dāng)f1≈(f2^2*l)^(1/3)時，系統(tǒng)總長最短。

40、所述的近場等效遠(yuǎn)場激光光斑的光路設(shè)計方法，步驟s2中激光源束腰到出光口的距離應(yīng)當(dāng)小于激光器束腰到第一個透鏡的距離。

41、所述的近場等效遠(yuǎn)場激光光斑的光路設(shè)計方法，步驟s3所述根據(jù)實驗室實際情況，確定近場最大實驗工作距離，根據(jù)最大實驗工作距離和遠(yuǎn)場激光的距離的比值，確定透鏡焦距之比，并且應(yīng)當(dāng)保證短焦透鏡焦距遠(yuǎn)小于長焦透鏡焦距。

42、所述的近場等效遠(yuǎn)場激光光斑的光路設(shè)計方法，步驟s4所述的衰減片靈活放置在激光出光口到第三個透鏡之間的合適位置，不影響光路設(shè)計即可。

43、由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下有益效果：

44、本發(fā)明所述的近場等效遠(yuǎn)場激光光斑的光路設(shè)計方法，該方法基于高斯光束的q參數(shù)對激光近軸傳播過程進(jìn)行計算，用一組對稱結(jié)構(gòu)的4透鏡實現(xiàn)了近場激光波前曲率半徑和光束有效截面半徑與遠(yuǎn)場激光完全一致的效果，可以靈活調(diào)整透鏡間距離實現(xiàn)對不同遠(yuǎn)場距離激光光斑的模擬，通過在光路中添加衰減片實現(xiàn)對到達(dá)光電成像系統(tǒng)前激光能量的控制，本發(fā)明成本低廉，容易實現(xiàn)，為實現(xiàn)近遠(yuǎn)場激光光斑一致性提供了一種新途徑。