技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及非成像光學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于將圓形光束整形為環(huán)形光束的方法。
背景技術(shù)：
在激光雷達(dá)和自由空間激光通信等系統(tǒng)中，其光發(fā)射系統(tǒng)的擴(kuò)束準(zhǔn)直一般采用雙反射式的卡塞格倫光學(xué)天線，這樣就不可避免地產(chǎn)生由于次鏡遮擋而造成的光能損失，并且由于光源的光強(qiáng)是一般高斯分布，使得這種損失更加明顯。
典型的光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)主要由激光器(1)、準(zhǔn)直透鏡組(2)以及由主鏡(3)和次鏡(4)構(gòu)成的卡塞格倫光學(xué)天線組成，如圖2。其中卡塞格倫光學(xué)天線實(shí)際上是一種無焦望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)，由同軸放置的主鏡和次鏡構(gòu)成。由激光器輸出的光束首先須經(jīng)透鏡組進(jìn)行準(zhǔn)直和整形處理，波形如圖3，然后光束將沿光軸方向平行入射到光學(xué)天線的次鏡上，次鏡將光束反射至主鏡，最后光束經(jīng)主鏡二次反射后從光學(xué)天線的出瞳平面P3處出射。顯然，次鏡將遮擋部分發(fā)射光束，將圓形的光束遮擋后變成環(huán)形光束，如圖4，造成發(fā)射能量減小，嚴(yán)重影響了發(fā)射光束能量利用率。
實(shí)際上，次鏡遮擋造成的能量損失嚴(yán)重影響了發(fā)射光束能量利用率。例如，LUCE激光通信終端的天線主鏡口徑為260mm，主次鏡口徑比為5，發(fā)射光束束腰為120mm，因此當(dāng)光強(qiáng)呈高斯分布的出射光束經(jīng)過次鏡時(shí)，大約有31.3％的光束能量將由于次鏡的遮擋而損失。由于發(fā)射光束束腰相對較小，由主鏡口徑截止所造成的能量損失＜1％。因此，在光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，如何避免由于次鏡遮擋造成的光能損失，設(shè)計(jì)出高效率的光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)就顯得非常重要了。
為消除光學(xué)天線造成的能量損耗，提高發(fā)射能量利用率，傳統(tǒng)的解決方法是提高發(fā)射激光器的輸出功率，但這種方法將增加功耗，而且反射回系統(tǒng)內(nèi)部的光能對系統(tǒng)的影響不可消除。其它的解決方法包括旋轉(zhuǎn)三棱鏡、雙次鏡、錐面反射鏡及離軸三反鏡等，但這些方法大多存在整形效率不高、系統(tǒng)體積龐大或加工裝調(diào)困難等缺點(diǎn)，不能很好地滿足實(shí)際系統(tǒng)需求。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明是要解決光學(xué)天線造成的能量損耗的問題，而提供了一種用于實(shí)現(xiàn)圓形光束整形為環(huán)形光束的方法，提高光能利用率。
一種用于實(shí)現(xiàn)圓形光束整形為環(huán)形光束的方法按以下步驟實(shí)現(xiàn)：
(1)確定激光器發(fā)出的圓形光束的直徑D0、環(huán)形光束的內(nèi)環(huán)直徑D1、環(huán)形光束的外環(huán)直徑D2、光學(xué)整形元件與光學(xué)相位校正器件的間距L，主鏡、次鏡的口徑分別為d1、d2，若卡塞格倫式光學(xué)天線的放大倍率為T，則
D1≤d1/TD2≥d2/T]]>
D0為經(jīng)準(zhǔn)直透鏡組準(zhǔn)直后的光束口徑，取L≥2D0；
(2)建立坐標(biāo)系：以準(zhǔn)直光束的一個(gè)截面作為坐標(biāo)平面xoy建立直角坐標(biāo)系，截面中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，準(zhǔn)直光束的方向與z軸平行；
(3)根據(jù)光線追跡建立一一對應(yīng)關(guān)系：P1面上從距離光束中心r1處發(fā)出的光線入射到P2面上距離光束中心r2處，其中0≤r1≤D0，D1≤r2≤D2，且滿足幾何關(guān)系
r2=D1+D2-D1D0·r1]]>
(4)計(jì)算光線偏角：由幾何關(guān)系，可以確定
sinθ=r2-r1L]]>
(5)確定光學(xué)整形元件的徑向相位分布表達(dá)式：由光程函數(shù)與光線偏角間的關(guān)系可以得到
dφ(r1)dr1=sinθ]]>
對上式積分并，得到光學(xué)整形元件的徑向相位分布；
(6)確定光學(xué)整形元件的徑向輪廓：由相位與元件厚度的關(guān)系可以得到光學(xué)整形元件徑向輪廓
φ(r1)=2π·n1z(r1)λ]]>
式中，n1為光學(xué)整形元件的折射率，λ為光束波長，上式積分后得到的輪廓表達(dá)式為連續(xù)的；
(7)確定光學(xué)相位校正元件的徑向相位分布表達(dá)式：由光程函數(shù)與光線偏角間的關(guān)系可以得到
dφ(r2)dr2=-sinθ]]>
對上式積分，得到光學(xué)相位校正元件的徑向相位分布；
(8)確定光學(xué)相位校正元件的徑向輪廓：由相位與元件厚度的關(guān)系可以得到光學(xué)相位校正元件的徑向輪廓
φ(r2)=2π·n2z(r2)λ]]>
式中，n2為光學(xué)相位校正元件的折射率，λ為光束波長，上式積分后得到的輪廓表達(dá)式為連續(xù)的，即完成了利用光線追跡法實(shí)現(xiàn)了光學(xué)整形元件和光學(xué)相位校正元件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了圓形光束整形為環(huán)形光束。
發(fā)明效果：
本發(fā)明利用光線追跡法實(shí)現(xiàn)了光學(xué)整形元件和光學(xué)相位校正元件的設(shè)計(jì)，光學(xué)整形元件和光學(xué)相位校正元件能夠?qū)崿F(xiàn)將圓形光束整形為環(huán)形光束，消除次鏡遮擋，大大提高光能利用率，減小損耗。整形后的光束將不會(huì)受次鏡的遮擋，理論上能將光能損耗降為零，即光能利用率提高到100％。
附圖說明
圖1是本發(fā)明流程圖；
圖2是典型的光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)圖；其中，1為激光器，2為準(zhǔn)直透鏡組，3為主鏡，4為次鏡；
圖3是典型光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)中圓形光束的波形圖；
圖4是典型光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)中出射光束的波形圖；
圖5是優(yōu)化后的光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)圖；其中，1為激光器，2為準(zhǔn)直透鏡組，3為主鏡，4為次鏡，5為光學(xué)整形元件，6為光學(xué)相位校正器件；
圖6是優(yōu)化后的光學(xué)系統(tǒng)中整形前圓形光束的波形圖；
圖7是優(yōu)化后的光學(xué)系統(tǒng)中整形后環(huán)形光束的波形圖；
圖8是優(yōu)化前后光學(xué)系統(tǒng)的出射光束波形比對圖；
圖9是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖；
圖10是本發(fā)明的原理圖；
圖11是光程函數(shù)與光線偏角間的關(guān)系圖。
具體實(shí)施方式
具體實(shí)施方式一：本實(shí)施方式的一種用于實(shí)現(xiàn)圓形光束整形為環(huán)形光束的方法按以下步驟實(shí)現(xiàn)：
用于將圓形光束整形為環(huán)形光束的設(shè)計(jì)方法具體步驟如下：
(1)如圖9，確定圓形光束的直徑D0，環(huán)形光束的內(nèi)外環(huán)直徑D1、D2，以及兩個(gè)光學(xué)元件的間距L：若主鏡、次鏡的口徑分別為d1、d2，若天線的放大倍率為T，則
D1≤d1/TD2≥d2/T]]>
D0為經(jīng)準(zhǔn)直透鏡組準(zhǔn)直后的光束口徑，為保證經(jīng)過光學(xué)整形元件后的光線的偏角盡可能的小，一般取L≥2D0；
(2)建立坐標(biāo)系：以準(zhǔn)直光束的一個(gè)截面作為坐標(biāo)平面xoy建立直角坐標(biāo)系，截面中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，準(zhǔn)直光束的方向與z軸平行；
(3)根據(jù)光線追跡建立一一對應(yīng)關(guān)系：如圖10，P1面上從距離光束中心r1處發(fā)出的光線入射到P2面上距離光束中心r2處，其中0≤r1≤D0，D1≤r2≤D2，且滿足關(guān)系
r2=D1+D2-D1D0·r1]]>
(4)計(jì)算光線偏角：由幾何關(guān)系，可以確定
sinθ=r2-r1L]]>
(5)確定光學(xué)整形元件的徑向相位分布表達(dá)式：如圖11，由光程函數(shù)與光線偏角間的關(guān)系并結(jié)合圖10，可以得到
dφ(r1)dr1=sinθ]]>
對上式積分并，得到光學(xué)整形元件的徑向相位分布；
(6)確定光學(xué)整形元件的徑向輪廓：由相位與元件厚度的關(guān)系可以得到光學(xué)整形元件徑向輪廓
φ(r1)=2π·n1z(r1)λ]]>
式中，n1為光學(xué)整形元件的折射率，λ為光束波長，上式積分后得到的輪廓表達(dá)式為連續(xù)的；
(7)確定光學(xué)整形元件的徑向相位分布表達(dá)式：經(jīng)過光學(xué)整形元件調(diào)制后的光束在光學(xué)位相校正元件的前表面上的分布環(huán)形，但是傳播方向不再與z軸平行，需要通過光學(xué)位相校正元件的調(diào)制，使得整形后的光束沿著z軸傳播，如圖11，由光程函數(shù)與光線偏角間的關(guān)系并結(jié)合圖10，可以得到
dφ(r2)dr2=-sinθ]]>
對上式積分并，得到第二片元件的徑向相位分布；
(8)確定光學(xué)整形元件的徑向輪廓：由相位與元件厚度的關(guān)系可以得到光學(xué)整形元件徑向輪廓
φ(r2)=2π·n2z(r2)λ]]>
式中，n2為光學(xué)整形元件的折射率，λ為光束波長，上式積分后得到的輪廓表達(dá)式為連續(xù)的，確定第二片元件的徑向輪廓，上式積分后得到的輪廓表達(dá)式為連續(xù)的。
通過本實(shí)施方式中所描述的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出的元件的表面為連續(xù)表面，利于加工，增加了實(shí)用性。
本實(shí)施方式中，
優(yōu)化設(shè)計(jì)后的發(fā)射光路如圖5所示，它主要包括：激光器(1)；準(zhǔn)直透鏡組(2)；主鏡(3)和次鏡(4)構(gòu)成的卡塞格倫式光學(xué)天線光學(xué)整形元件(5)；光學(xué)位相校正元件(6)；；
與優(yōu)化前的光學(xué)發(fā)射光路相比，圖3所示的發(fā)射光路僅在準(zhǔn)直透鏡組和光學(xué)天線間增加了兩個(gè)元件(光學(xué)整形元件和光學(xué)相位校正元件)，其中光學(xué)整形元件的作用是將光束的能量分布由高斯分布轉(zhuǎn)換為中空環(huán)形分布，而光學(xué)位相校正元件的作用是修正光束光場的位相分布，使光束傳播方向滿足設(shè)計(jì)要求。這樣，當(dāng)光束經(jīng)準(zhǔn)直透鏡組準(zhǔn)直和整形后，在光學(xué)整形元件所在平面P1處的光強(qiáng)分布依然呈高斯分布，如圖6，然而在經(jīng)過該元件表面的調(diào)制后，光束在該器件的焦平面P2處的光強(qiáng)呈環(huán)形分布，如圖7。由于光束整形過程未對輸出面P2處光束的傳播方向作任何要求和限制，整形后的光束將偏離原傳播方向，因此還需在P2平面處設(shè)置一個(gè)位相校正元件修正光束的位相分布，以保證光束能沿著原方向傳播。
假設(shè)環(huán)形光束內(nèi)外徑之比d2/d1等于次鏡和主鏡的口徑比值D2/D1，并且環(huán)形光束的外徑d1等于次鏡的直徑D2，也等于主鏡中心開孔的直徑，則當(dāng)環(huán)形光束經(jīng)過光學(xué)天線等倍率放大后，輸出光束能量分布仍為環(huán)形分布。放大后的環(huán)形光束的內(nèi)外徑分別為D2和D1，也就是說，放大后的光束尺寸正好等于光學(xué)天線主次鏡的相應(yīng)尺寸，并且放大后的環(huán)形光束的內(nèi)徑與主鏡通光孔的直徑相等。因此光束在經(jīng)過天線次鏡反射后，將完全投射到主鏡上，不再產(chǎn)生反射回終端內(nèi)部的雜散光，所有光束經(jīng)主鏡二次反射后均能無遮擋的往外發(fā)射，此時(shí)在發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的出瞳面P3處得到的強(qiáng)度分布為環(huán)形分布，優(yōu)化前光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)的出射光束波形(a)和優(yōu)化后光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)的出射光束波形(b)對比如圖8。
顯然，當(dāng)圖2所示的發(fā)射光路經(jīng)過所示的優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，在理想情況下，光束在經(jīng)過光學(xué)天線時(shí)將不再因?yàn)榇午R的遮擋損失能量，因此光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)的能量利用率必然相應(yīng)提高。