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大口径多波段光束质量检测系统设计

刘才 于信 潘国涛 贺国强 倪小龙 白素平

刘才, 于信, 潘国涛, 贺国强, 倪小龙, 白素平. 大口径多波段光束质量检测系统设计[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2023-0228
引用本文: 刘才, 于信, 潘国涛, 贺国强, 倪小龙, 白素平. 大口径多波段光束质量检测系统设计[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2023-0228
LIU Cai, YU Xin, PAN Guo-tao, HE Guo-qiang, NI Xiao-long, BAI Su-ping. Design of large-aperture multi-band beam quality detection system[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2023-0228
Citation: LIU Cai, YU Xin, PAN Guo-tao, HE Guo-qiang, NI Xiao-long, BAI Su-ping. Design of large-aperture multi-band beam quality detection system[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2023-0228

大口径多波段光束质量检测系统设计

doi: 10.37188/CO.2023-0228
基金项目: 国家自然科学基金青年基金资助项目(No. 62205032);吉林省科技发展计划项目(No. 20210201139GX);长春理工大学青年基金(No. XQNJJ-2019-01);
详细信息
    作者简介:

    刘 才(1997—),男,吉林人,在读研究生,2020年本科毕业于长春理工大学光电工程学院,现为长春理工大学在读研究生,研究方向为光机结构总体设计。E-mail:1711665678@qq.com

    白素平(1970—),女,山西朔州人,硕士,副教授,硕士生导师,2005年于精密仪器及机械专业获得硕士学位,主要研究方向包括:精密仪器总体结构设计、大口径光学系统装调技术、武器装备参数无损检测技术。E-mail:baisp@126.com

  • 中图分类号: TG502.33;TH74

Design of large-aperture multi-band beam quality detection system

Funds: Project supported by Youth Fund of the National Natural Science Foundation of China (No. 62205032); Science and Technology Development Project of Jilin Province (No. 20210201139GX); Youth Fund of Changchun University of Science and Technology (No. XQNJJ-2019-01)
More Information
  • 摘要:

    光谱合成技术是实现高能激光输出的重要技术途径,如何在高功率输出的前提下,保证高光束质量的激光输出已成为当前光谱合成技术最迫切的目标。本文针对155 mm×140 mm矩形口径、1 064±3 nm、1030±3 nm和635±5 nm波段光束的参数探测问题,设计了大口径多波段多参数检测系统。波前检测单元基于开普勒的望远结构,在构建变形镜与微透镜共轭关系的同时,压缩光束匹配探测器尺寸。前组物镜采用卡塞格林结构,解决大口径、多波段的色差校正难题;后组镜采用三片式复消色差折射镜组,补偿色差的同时,兼顾无热化设计,补偿前组物镜的残余热差和后组镜热差。经波前检测单元后进行分光探测,实现光束质量和光束均匀性的检测。且为了提高系统的环境适应性,采用光学被动无热化的方法对系统进行了20 °C±10 °C的无热化设计。最后,对系统进行装调测试,采用泽尼克波前复原方法对波前探测相机采集的光斑图像进行波前复原,测得10 °C~30 °C下系统波前的RMS值优于0.0524λ(λ=632.8 nm),光束均匀性优于0.893,光束质量β因子优于1.26倍衍射极限。

     

  • 图 1  大口径多波段光束质量检测系统示意图

    Figure 1.  Schematic diagram of large-aperture multi-band beam quality detection system

    图 2  波前检测系统光学结构示意图

    Figure 2.  Diagram of the optical structure of the wavefront detection system

    图 3  波前检测系统的结构矩阵点列图

    Figure 3.  Point diagram of structure matrix of wavefront detection system

    图 4  波前检测系统畸变曲线

    Figure 4.  Wavefront detection system distortion curve

    图 5  波前检测系统的波像差

    Figure 5.  Wave aberration of wavefront detection system

    图 6  光束均匀性检测子系统光学结构图

    Figure 6.  Optical structure of beam uniformity detection subsystem

    图 7  光束均匀性检测系统光路图

    Figure 7.  Optical path diagram of beam uniformity detection system

    图 8  光束均匀性检测系统的结构矩阵点列图

    Figure 8.  Point diagram of structure matrix of beam uniformity detection system

    图 9  光束均匀性检测系统畸变曲线

    Figure 9.  Beam uniformity detection system distortion curve

    图 10  光束均匀性检测系统的波像差

    Figure 10.  Wave aberration of beam uniformity detection system

    图 11  光束质量检测子系统光学结构图

    Figure 11.  Optical structure of beam quality detection subsystem

    图 12  光束质量检测系统光路图

    Figure 12.  Optical path of beam quality detection system

    图 13  光束质量检测系统结构矩阵点列图

    Figure 13.  Point diagram of structure matrix of beam quality detection system

    图 14  光束质量检测系统PSF

    Figure 14.  Beam quality detection system PSF

    图 15  光束质量检测系统的波像差

    Figure 15.  Wave aberration of beam quality detection system

    图 16  加工、装调引起的光束质量变动

    Figure 16.  Changes in beam quality caused by machining and setting

    图 17  大口径多波段光束质量检测系统实验光路图

    Figure 17.  Experimental optical path of large-aperture multi-band beam quality detection system

    图 18  波前探测相机探测到的λ1波段光斑图像及其波前复原结果

    Figure 18.  Images of λ1 band spot detected by the wavefront detection camera and the results of wavefront restoration

    图 19  光束均匀性相机探测到的λ1波段光斑及其光强分布图像

    Figure 19.  Images of λ1 band spot and the intensity distribution detected by the beam uniformity camera

    图 20  光束质量探测相机探测到的λ1波段光斑图像

    Figure 20.  Images of λ1 band spot detected by the beam quality detection camera

    表  1  大口径多波段光束质量检测系统机械结构技术指标

    Table  1.   Mechanical structure technical index of large-aperture multi-band beam quality detection system

    指标 数值
    系统整体尺寸 360 mm×200 mm×300 mm(长×宽×高)
    系统重量 ≤25 kg
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    表  2  波前检测系统技术指标

    Table  2.   Technical index of the wavefront detection system

    指标 数值
    视场 ±3'
    波段 1064±3 nm、1030±
    3 nm、635±5 nm
    口径 155 mm×140 mm
    缩束倍率 1∶10.2
    畸变 ≤1%
    装调精度(RMS波前) ≤λ/15
    工作环境 20 °C±10 °C
    10 °C~30 °C光学系统设计结果波前PV值和RMS值的波动范围 PV≤λ/10,
    RMS≤λ/20
    公差指标(RMS波前) ≤λ/8
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    表  3  波前检测系统透镜数据

    Table  3.   Wavefront detection system lens data

    表面类型 曲率半径(mm) 厚度(mm) 材料
    标准面 −576.126 −260.000 MIRROR
    标准面 −69.040 150.000 MIRROR
    标准面 Infinity 141.761
    标准面 −192.097 4.000 H-ZPK5
    标准面 −35.350 2.998
    标准面 −33.460 3.000 H-F4
    标准面 −236.455 3.000
    标准面 −376.700 3.000 H-LAF3B
    标准面 −116.680 30.000
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    表  4  波前检测系统公差数据

    Table  4.   Wavefront detection system tolerance data

    N0.光圈数厚度(mm)透镜偏心(mm)透镜倾斜(´)折射率阿贝误差%
    镜130.050.010.6´0.0010.3
    镜230.050.010.6´0.0010.3
    镜330.050.031.5´0.0010.3
    镜430.050.031.5´0.0010.3
    镜530.050.031.5´0.0010.3
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    表  5  波前检测系统λ1、λ2、λ3波段蒙特卡洛分析结果

    Table  5.   Monte Carlo analysis results of λ1、λ2、λ3 wavefront detection system

    指标数值
    λ1λ2λ3
    蒙特卡洛分析/%909090
    RMS波前0.0931λ10.0922λ20.1303λ3
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    表  6  光束均匀性检测系统技术指标

    Table  6.   Technical index of beam uniformity detection system

    指标 数值
    缩束倍率 1:4.5
    畸变 ≤1%
    均匀性检测指标 ≥0.8
    10 °C~30 °C光学系统设计结果波前
    PV值和RMS值的波动范围
    PV≤λ/10,RMS≤λ/20
    公差指标(RMS波前) ≤λ/8
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    表  7  光束均匀性检测子系统透镜数据

    Table  7.   Beam uniformity detection subsystem lens data

    表面类型 曲率半径(mm) 厚度(mm) 材料
    标准面 98.136 4.000 H-LAF3B
    标准面 −61.232 2.000
    标准面 −54.883 2.000 H-F4
    标准面 32.964 5.984
    标准面 38.503 4.000 H-ZPK5
    标准面 −172.545 92.637
    标准面 Infinity 27.515
    标准面 557.963 1.000 H-F4
    标准面 9.375 0.800
    标准面 11.436 2.000 H-ZPK5
    标准面 −12.687 10.000
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    表  8  光束均匀性检测系统λ1、λ2、λ3波段蒙特卡洛分析结果

    Table  8.   Monte Carlo analysis results of λ1、λ2、λ3 beam uniformity detection system

    指标数值
    λ1λ2λ3
    蒙特卡洛分析/%909090
    RMS波前0.1101λ10.1172λ20.1439λ3
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    表  9  光束质量检测系统技术指标

    Table  9.   Technical index of beam quality detection system

    指标数值
    光束质量β因子β≤1.3
    10 °C~30 °C光学系统设计结果波前PV值和RMS值的波动范围PV≤λ/10,RMS≤λ/20
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    表  10  光束质量检测子系统透镜数据

    Table  10.   Beam quality detection subsystem lens data

    表面类型 曲率半径(mm) 厚度(mm) 材料
    标准面 88.158 4.000 H-LAF3B
    标准面 −54.625 2.090
    标准面 −44.584 2.000 H-F4
    标准面 37.738 2.121
    标准面 35.877 4.000 H-ZPK5
    标准面 −779.682 93.327
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