[發明專利]基于全息光學元件的機載激光雷達對地觀測照明成像光照勻化系統

無效

• 申請號: 201210215954.5
• 申請日: 2012-06-27
• 公開（公告）號: CN103513425A
• 公開（公告）日: 2014-01-15
• 發明（設計）人: 藍天;于躍;倪國強;顧美霞
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G02B27/09
• 分類號: G02B27/09;G02B27/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及到應用于機載激光成像雷達系統中基于全息光學元件的激光光束勻化系統。

背景技術

隨著近年來光學全息技術的不斷發展和全息材料性能的不斷提高，全息光學元件(Holographic?Optical?Element，HOE)的應用也日益廣泛，但在激光光束控制方面卻鮮有應用HOE的先例。

本發明以航空科技領域的空間成像應用為導向，提出了一個基于HOE的激光照明勻化系統的設計方法，選擇基于全息光學元件的微透鏡列陣作為本方案的主要光學組件，比較了HOE相對于傳統光學元件和傳統透鏡陣列制作方法的優越性，同時給出了基于新型全息材料的激光勻化HOE系統的設計、研制和在航空領域空間成像的應用，并依據全息光學組件的K矢量閉合分析設計方法，進行系統光路設計，采用新型激光全息材料制作激光照明勻化光學系統組件。

本發明的創新點在于使用了HOE代替傳統光學元件進行激光勻化系統的設計和制作。基于干涉、衍射原理的HOE與基于折射、反射原理的傳統光學元件相比，具有輕、薄，造價便宜，易于復制等優點，HOE可以同時實現透鏡(或反射鏡)的成像、分光、光軸偏轉等多種光學功能；HOE的制作也較傳統光學元件更為靈活方便。

發明內容

由于激光器中激活介質的不均勻、增益飽和等效應的影響，使得輸出光束會發生畸變，造成激光發射近場和遠場分布的不均勻，即照射到目標上光斑的能量分布不均勻，即使在比較理想的基橫模發射情形，也因高斯分布不滿足一些需要均勻輻照射的需求，例如在激光核聚變、熱加工、醫療外科切除手術、激光通信、激光雷達成像探測等領域。在各種應用需求的激勵下，人們已經探索了多種方法對激光束進行均勻輻照。從是否出現干涉的情況將均勻輻照技術分為兩種，一種是將波陣面分割成很多的子束，然后再通過一定的方法讓子束在成像面進行疊加；另外一種是對已知的波陣面進行一定的變化，在它的邊緣或者頂部進行切割的方法。目前常用的的均勻輻照方法主要是利用傳統的光學元件，他們的缺點是質量和體積大、對光學透鏡的加工要求高，造價不菲，勻化效果不令人十分滿意。

發明內容主要包括：

①根據機載對地成像觀測參數和激光光束均勻輻照要求確定HOE激光勻化系統設計方案；

②依據全息光學系統K矢量閉合設計方法，進行HOE系統光路設計，確定光路參數；分析比較變化條件，對激光勻化多參數進行優化；

③采用新型激光全息材料研制HOE勻化系統。

本發明采用全息光學元件取代普通的光學元件(玻璃)。已經證明，以衍射和干涉理論而不是折射理論為基礎的全息光學元件在某些方面，具有傳統折射和反射元件無法比擬的優越性。

相對于傳統的激光勻化系統，其優點可描述為：

①全息光學元件較傳統光學元件更薄、更輕，易于復制，利于航空航天應用；一塊全息光學元件可以同時完成多種光學功能，因此節省材料，造價經濟；

②由于激光器一般為窄波段或是單一波長工作，因此航天航空激光照明成像恰好與全息光學元件最基本的應用條件相吻合；

③全息光學元件的制作方法為兩個球面波在全息材料上發生干涉，雖然設計時較傳統光學元件需要多考慮兩套記錄光學系統，但也使它的研制和生產具有傳統光學元件不具備的靈活性。

附圖說明

圖1為列陣透鏡均勻輻照光學系統。

圖2為記錄多端面全息光學元件原理圖。

圖3為光波傳播矢量和條紋矢量之間的關系圖。

圖4為不同波長記錄的全息光學元件的K矢量閉合法示意圖。

圖2-4中：1遮掩板?2全息干版?3物體記錄光束?4參考光束?5全息條紋?6藍光物體光束?7藍光參考光束?8紅光物體光束?9紅光參考光束

具體實施方式

在航空、醫療科技領域以及許多應用場合，人們常常希望激光光束能夠能量均勻地向一塊位于遠場的矩形面積投射，為CCD主動成像系統照明。然而，由于基橫模激光強度分布的高斯特性，以及一些光學元件的不完善、光學材料的不均勻等因素均會造成照明區域光學和熱學的不均勻性、光的非線性效應、衍射效應以及放大器增益分布不均勻等現象，導致光束的波面和光強分布難以滿足均勻照明的要求。消除光束不均勻性的一種有效方法是用列陣系統將波面分割成大量子束，再經透鏡聚焦在一起，使目標表面上任一點都有來自整個波面上的子束疊加，利用子束的“積分”進行相互補償，從而使輻照均勻性大大提高。