[發(fā)明專(zhuān)利]一種高功率激光器準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011060044.5
• 申請(qǐng)日: 2020-09-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113238374B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-08-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 朱德燕;李明;李敏;王芳;許黨朋
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G02B27/00
• 分類(lèi)號(hào): G02B27/00
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務(wù)所 32237
• 代理人: 徐曉鷺

1.一種高功率激光器準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，該方法測(cè)量并標(biāo)定了高斯光束環(huán)圍能量與發(fā)散半角關(guān)系，為后續(xù)將測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換到設(shè)計(jì)中以驗(yàn)證系統(tǒng)高效率使用提供了保障；

所述設(shè)計(jì)方法包括如下步驟：

步驟一，測(cè)量高斯光束環(huán)圍能量與發(fā)散半角關(guān)系；

步驟二，準(zhǔn)直系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)：結(jié)合效率需求，以及所述高斯光束環(huán)圍能量與發(fā)散半角關(guān)系，計(jì)算出束腰半徑、光束直徑；利用幾何光學(xué)計(jì)算出高斯光束數(shù)值孔徑NA和準(zhǔn)直系統(tǒng)焦距；

步驟三，對(duì)準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化分析：按照所述準(zhǔn)直系統(tǒng)參數(shù)和準(zhǔn)直系統(tǒng)整體長(zhǎng)度、尺寸要求，選取合適的光學(xué)構(gòu)型，設(shè)置有效的變量和優(yōu)化操作數(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)波像差，使其滿足需求；

步驟四，將步驟三中得到的優(yōu)化的好準(zhǔn)直系統(tǒng)按照高斯光束傳播分析，驗(yàn)證經(jīng)過(guò)所述光學(xué)系統(tǒng)后的激光環(huán)圍能量是否滿足效率需求；

步驟五，系統(tǒng)公差分析，按照實(shí)際加工情況，輸入設(shè)定的曲率半徑公差、面形、中心厚度公差、面偏心、元件偏心、元件傾斜，補(bǔ)償系統(tǒng)離焦，計(jì)算系統(tǒng)波像差；

步驟六，計(jì)算光束發(fā)散角，并重復(fù)所述步驟四驗(yàn)算激光環(huán)圍能量是否滿足效率需求。

2.根據(jù)權(quán)利要求1述的高功率激光器準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，將所述設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于設(shè)定的光學(xué)系統(tǒng)中，則所述步驟一具體為：用激光跟蹤儀測(cè)量激光器出射高斯光束束腰至探測(cè)器距離d，對(duì)各光闌口徑進(jìn)行測(cè)量，各測(cè)量結(jié)果記為D_i,i＝1,2,3...，同時(shí)利用能量計(jì)測(cè)量的高斯光束環(huán)圍能量，各測(cè)量結(jié)果記為E_i,i＝1,2,3...；則發(fā)散半角據(jù)此得到高斯光束環(huán)圍能量E_i與發(fā)散半角θ_i關(guān)系。

3.根據(jù)權(quán)利要求2述的高功率激光器準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟二具體為：

步驟2.1，高斯光束不同孔徑下能量與總能量比值為：其中w₀為高斯光束束腰半徑，a為孔徑大小，按實(shí)測(cè)的高斯光束環(huán)圍能量E_i與發(fā)散半角θ_i關(guān)系，計(jì)算出發(fā)散半角θ_1/2、光束直徑D；

步驟2.2，數(shù)值孔徑NA數(shù)值與θ_1/2滿足：NA＝sin(θ_1/2)，準(zhǔn)直系統(tǒng)F數(shù)與數(shù)值孔徑NA滿足：F＝1/(2*NA)，準(zhǔn)直系統(tǒng)焦距f滿足：f＝F*D。

4.根據(jù)權(quán)利要求2的高功率激光器準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟三具體為：

步驟3.1，按照系統(tǒng)參數(shù)和系統(tǒng)整體長(zhǎng)度、尺寸要求，選取合適的光學(xué)構(gòu)型；R₁為第一透鏡第一面的曲率半徑，R₂為第一透鏡第二面的曲率半徑，R₃為第二透鏡第一面的曲率半徑，R₄為第二透鏡第二面的曲率半徑，R₁＝∞，R₂為凹面，保證其反射的雜散光不返回到高功率激光器中，損壞激光器；同時(shí)，R₃和R₄的曲率也保證其反射的雜散光不返回到高功率激光器中；

步驟3.2，減小透鏡之間的間距，以保證兩光學(xué)元件口徑盡可能相近，降低激光通量，將第一片透鏡與激光光源間距拉長(zhǎng)，設(shè)置曲率和間距為變量，優(yōu)化系統(tǒng)波像差，使其滿足需求。

5.根據(jù)權(quán)利要求2述的高功率激光器準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟四具體為：按照高斯光束傳播分析，計(jì)算出束腰半徑為w₀的高斯光束，經(jīng)過(guò)所述光學(xué)系統(tǒng)后的高斯光束束腰半徑w₀'、光束直徑D'，利用Zemax物理光學(xué)分析計(jì)算環(huán)圍能量，對(duì)比高斯光束環(huán)圍能量E_i與發(fā)散半角θ_i關(guān)系，驗(yàn)證該束腰半徑和光束直徑下的環(huán)圍能量是否滿足效率需求，若不滿足需求，重復(fù)優(yōu)化曲率至滿足光束質(zhì)量和效率需求。