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从望远镜到激光扩束系统

时间:2020-04-07 16:47:06  来源:  作者:

1.从望远镜说起

光学望远镜,是被用来观察远处物体的光学装置,按其工作原理可以分为反射式望远镜和折射式望远镜,反射式望远镜是利用反射镜作为工作元件反射光线,折射式是利用透镜作为工作元件折射光线。

折射式望远镜按照透镜结构又可分为两类:开普勒式和伽利略式。开普勒式望远镜由两个正焦距的透镜构成,两透镜焦点重合,分别布置在焦距之和的两个位置,靠近物体一侧的透镜叫物镜,靠近眼睛的透镜叫成像镜,在两透镜之间存在一个实像面(光线汇聚处)。

伽利略式望远镜是由一个正透镜和一个负透镜组成,也是分布在两透镜焦距之和的位置,由于负透镜的焦距为负值,因此两透镜之间的距离相比开普勒式较短。

望远镜(尤其天文望远镜)的一个重要指标便是口径,可进入光线的能量随口径增加成平方增长规律,也就是说口径变为2倍,能量变为4倍。然后口径越大,透镜的的制造难度越大,与其对应的系统设计难度也增大,因此天文大孔径望远镜都是采用反射式望远镜的结构。常见反射式望远镜卡萨格林结构、牛顿结构;从图中不难看出这些系统次镜都会挡住一部分射到主镜上的光线,这从光学成像角度难免造成一些不良影响,为此出现一种更好的设计,离轴三反系统。离轴三反系统的设计是使的传到每一面反射镜的光线都不被遮挡,然而这种离轴设计却对加工制造,以及装调提出更加严格的要求,长春光机所是国内擅长离轴三反系统设计、加工、装调的科研单位。

从望远镜到激光扩束系统

折射式望远镜

从望远镜到激光扩束系统

反射式望远镜

从望远镜到激光扩束系统

离轴三反系统

2.激光扩束镜

从原理上来讲,激光扩束系统的原理和望远镜的原理相同,只是将物镜和成像透镜的位置颠倒过来放置,开普勒式扩束系统在两片透镜之间会形成一个能量聚焦区域,加热周围的空气,可能造成波前误差,高功率的激光器甚至导致空气电离,因此大部分扩束系统会采用伽利略式扩束系统,但有一些需要改变光束质量的空间滤波的扩束系统中,则使用开普勒式扩束系统,由于开普勒式扩束在透镜之间存在一个便于放置滤光片的焦点。

从望远镜到激光扩束系统

从望远镜到激光扩束系统

激光扩束直径可由下述公式计算,其中MP是扩束放大倍数。

从望远镜到激光扩束系统

3.激光扩束的应用

(1)激光器的输出光束直径一般固定,为满足不同需求,大都需要激光扩束系统,激光扩束首先可以将功率密度降低,从而降低激光诱导损伤的概率,延长激光组件的寿命

(2)在传输距离较远时,最大限度的减小光束发散。

举例进行说明:假设一扩束系统参数如下,激光扩束器放大倍数 = MP = 10X,输入光束直径 = 1mm,输入光束发散 = 0.5mrad,工作距离 = L = 100m。

则经扩束后光束输出直径为:

从望远镜到激光扩束系统

若不经扩束则:

从望远镜到激光扩束系统

可见使用扩束后 ,可极大的减小激光长距离传输时的光束发散程度。

(3)最大限度的减小聚焦光斑尺寸

光斑尺寸通常是以光束中心为圆心,强度为中心强度处作为圆的半径,理想透镜聚焦光斑尺寸通常可按如下公式算

从望远镜到激光扩束系统

从望远镜到激光扩束系统

光斑尺寸基本上由衍射和相差的组合决定,这其中相差又主要是指球差,因此公式列出了衍射项与球差项两项。衍射项中可以看出,焦距越短,光斑越小,还有输入直径越大,光斑越小。从一方面讲,经过扩束,使输入直径增加,衍射项减小,但随之亦导致球差项增加,如图所示,因此在实际应用中应根据实际情况进行权衡。

从望远镜到激光扩束系统

 



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