Расчет расширителя пучка двухволнового лазерного флуоресцентного лидара
ОПТИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ
УДК 535-15 535-31 621.373.8
РАСЧЕТ РАСШИРИТЕЛЯ ПУЧКА ДВУХВОЛНОВОГО ЛАЗЕРНОГО ФЛУОРЕСЦЕНТНОГО ЛИДАРА
© 2012 г.
Г. П. Коханенко*, канд. физ.-мат. наук; М. М. Макогон*, канд. физ.-мат. наук; Ю. Н. Пономарев*, доктор физ.-мат. наук; О. А. Рынков*; Г. В. Симонова**, ***, канд. техн. наук
*** Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии *** наук, Томск
*** Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения *** Российской академии наук, Томск
*** Томский государственный университет, Томск
*** Е-mail: kokh@iao.ru, mmm@asd.iao.ru, yupon@iao.ru, lspg@iao.ru, galina_simonova@inbox.ru
Представлена конструкция и результаты аберрационного расчета расширителя пучка, являющегося передатчиком двухволнового лазерного аэрозольно-флуоресцентного лидара, предназначенного для обнаружения в атмосфере загрязнений биогенного происхождения. Возможность функционирования передатчика на двух сильно отличающихся длинах волн обеспечена подбором оптических материалов, работающих в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра, и совместно проведенной минимизацией сферических и хроматических аберраций. Изготовленный передатчик позволил уменьшить расходимость лазерного излучения на длинах волн 1,064 и 0,266 мкм более чем в 7 раз, обеспечив при этом работу без перефокусировки.
Ключевые слова: флуоресцентный лидар, передатчик лазерного излучения, расширитель лазерного пучка.
Коды OCIS: 010.3640, 010.3310
Поступила в редакцию 17.01.2011
Разработка и создание аппаратуры, позволяющей разрешить проблему дистанционного обнаружения источников выбросов вредных веществ в атмосферу, работающей на базе высокоэнергетической лазерной техники, является актуальной задачей. Следует отметить, что качество измерений будет зависеть от парамет ров лазерного пучка. При этом естественно, что лазерный пучок, выходящий в атмосферу, должен характеризоваться минимально возможной расходимостью для рабочих длин волн и высокой параллельностью этого пучка оптической визирной оси аппаратурного комплекса. Как правило, расходимость излучения даже лучших коммерческих лазеров, представленных на рынке, слишком велика для обеспечения дальности действия лидаров более сотен метров, и поэтому необходима коллимация излучения. Возможность получения требуемых
параметров зависит от расширителей лазерного пучка, которые должны разрабатываться в соответствии с техническими требованиями на лидар в целом.
Описываемый ниже расширитель лазерного пучка был разработан для оснащения мобильного аэрозольно-флуоресцентного лидара, предназначенного для оперативного обнаружения в атмосфере частиц биогенного происхождения на дальности до 4 км.
Оптическая схема двухволнового передатчика лазерного излучения
флуоресцентного лидара
При расчете расширителя лазерного пучка исходными являются конкретные параметры лазерного пучка: его диаметр, угол расходимости и длина волны излучения лазера – l. Для
28 “Оптический журнал”, 79, 4, 2012
различных типов лазеров угол расходимости генерируемого излучения меняется от нескольких угловых минут до нескольких градусов. Для уменьшения угла расходимости лазерных пучков лучей (для их коллимации) используют телескопические системы, представляющие собой обратные системы Галилея или Кеплера. Предпочтительнее применять обратную систему Галилея, не дающую промежуточное действительное изображение, не допустимое при использовании мощных лазеров.
В данной работе рассматривается расширитель пучка, предназначенный для коллимации излучения твердотельного импульсного лазера LS-2137/20 (ЛОТИС ТИИ, Республика Беларусь) на основе алюмоиттриевого граната, активированного неодимом, генерирующего на первой (l = 1,064 мкм), второй (l = 0,532 мкм) и четвертой (l = 0,266 мкм) гармониках; все гармоники излучаются соосно. Основными в лидаре являются первая и четвертая гармоники, вторая используется для визуализации лазерного луча в атмосфере, импульсы излучения на всех длинах волн посылаются одновременно. Излучение в инфракрасной (ИК) области спектра используется для зондирования атмосферного аэрозоля любой природы, а излучение в ультрафиолетовой (УФ) области – для возбуждения флуоресценции аэрозоля только биогенного происхождения. Работа оптической системы на сильно различающихся длинах волн накладывает дополнительное условие для разработки оптической схемы – это минимизация не только геометрических, но и хроматических аберраций, а также оптимизация параметров оптических компонентов, позволяющая работать без перефокусировки расширителя на двух длинах волн.
Целью работы являлась разработка лидарного передатчика, позволяющего обеспечить высокое качество выходящего в атмосферу лазерного пучка путем формирования пучка большей апертуры с минимизацией аберраций при одновременной работе системы на двух длинах волн в УФ и ИК областях спектра без ее перефокусировки. Передатчик должен обеспечивать возможность юстировки выходящего лазерного пучка лучей параллельно оптической визирной оси системы аппаратурного комплекса флуоресцентного лидара.
Коэффициент расширения пучка зависит от расходимости лазерного излучения, поля зрения приемного телескопа лидара и допустимой из энергетических соображений экраниров-
ки главного зеркала телескопа компонентами передатчика. Исходя из желаемых характеристик аэрозольно-флуоресцентного лидара, оптимальное значение коэффициента расширения должно лежать в интервале от 7 до 8.
Схема передатчика показана на рис. 1. Расширитель представляет собой телескопическую систему Галилея и состоит из отрицательного компонента 2, выполненного из плавленого кварца и несклеенного ахроматического объектива 3, первый компонент которого изготовлен из CaF2, а второй – из кварца. Для видимой области составлены таблицы ахроматических пар материалов, но для работы одновременно в УФ и ИК областях спектра таких данных нет. Поэтому разработчики, обладая базой данных оптических материалов для этих областей, определили наилучшее их сочетание. Сделанный таким образом выбор оптического материала обеспечил как возможность ахроматизации оптической схемы расширителя, т. е. компенсации хроматических аберраций для двух длин волн, так и высокий коэффициент пропускания в рабочих диапазонах длин волн. Кварц и кристалл CaF2 являются нелюминесцирующими, радиационно-оптически устойчивыми материалами, прозрачными в оптической области спектра. Поверхности всех линз расширителя и катетные грани призм просветлены для рабочих длин волн.
Квазипараллельный пучок излучения лазера выводится на ось приемного телескопа и затем в атмосферу через систему двух юстируемых призм 4–5, позволяющих проводить подъюстировку оптической оси передатчика лазерного излучения к оптической визирной оси аппаратурного комплекса флуоресцентного лидара. Многослойные диэлектрические покрытия гипотенузных граней призм имеют коэффициент отражения более 99,5%.
8 62
12
4 3
5
365 0,2 ± 0,01
Рис. 1. Оптическая схема двухволнового передатчика лазерного излучения флуоресцентного лидара. 1 – YAG:Nd-лазер, 2, 3 – расширители лазерного пучка, 4, 5 – юстируемые призмы.
“Оптический журнал”, 79, 4, 2012
29
Аберрационный анализ
Существуют два совместно действующих фактора, которые влияют на формирование волнового фронта и качество изображения оптической системы – дифракция и аберрации. Формирование изображения вполне корректно описывается с позиций геометрической оптики без привлечения теории дифракции. Если аберрации велики и дифракция теряется на фоне геометрических аберраций, то такие системы называются геометрически-ограниченными. Если аберрации малы и преобладает дифракция, то такие системы называются д ифракционно-ограниченными. В классической оптике [1] наименьший размер кружка рассеяния может быть получен в случае работы “идеальной” оптической системы, у которой отсутствуют все виды аберраций и конечное качество на ее выходе определяется только дифракционными явлениями. Качество дифракционно-ограниченных систем оценивается по критериям Рэлея и Штреля [1].
Трудоемкая задача оптимизации параметров оптических элементов передающей схемы лидара и минимизация аберраций для двух длин волн была решена с помощью прикладного пакета программ ZEMAX, причем минимизация аберраций и ахроматизация проводились одновременно при варьировании коэффициента расширения. Анализ аберраций расширителя лазерного пучка проведен с использованием модели параксиальной линзы [2], позволяющей сфокусировать коллимированный пучок, не внося аберраций, и затем рассчитать диаметр кружка рассеяния. Расчитанные для оптимального по аберрациям и остаточному хроматизму расширителя диаметры кружка рассеяния (рис. 2) 4,68 мкм и 1,34 мкм для l = 1,064 мкм и l = 0,266 мкм соизмеримы с диаметрами дифракционного кружка, кружка Эйри, – 4,96 мкм и 1,19 мкм, что свидетельствует о том, что рассматриваемая система является практически безаберрационной (дифракционно-ограниченной).
При этом число Штреля для разработанной системы составляет 0,87 для l = 1,064 мкм и 0,83 для l = 0,266 мкм, а мера волновой аберрации (рис. 3) соизмерима с l/4 (критерий Р елея) [3].
Помимо монохроматических аберраций в оптической схеме расширителя лазерного пучка скорректированы хроматические аберрации. Задача ахроматизации состоит в том,
Длина волны, мкм
чтобы фокальные отрезки линз не зависели от длины волны и отсутствовал сдвиг положения плоскости изображения для разных длин волн. Для решения этой задачи были выбраны о птические материалы для изготовления линз (СаF2 и плавленый кварц) с разными коэффициентами дисперсии. На рис. 4 представлен график сдвига фокальных отрезков системы
Диск Эйри
+1,0640
×0,2660
Рис. 2. Расчетный кружок рассеяния излучения, прошедшего через расширитель и сфокусированного параксиальной линзой.
DW DW 22
PY 1
1
PX
Рис. 3. Волновая аберрация (DW) расширителя лазерного пучка. 1 – длина волны 1,064 мкм, |DW| = 0,22l, 2 – длина волны 0,266 мкм, |DW| = 0,28l.
1,0640 0,8645
0,6650
0,4655
0,2660 –100
0 Положение фокуса, мкм
100
Рис. 4. Остаточный хроматизм положения фокуса ахроматического объектива расширителя лазерного пучка.
30 “Оптический журнал”, 79, 4, 2012
расширителя лазерного пучка с параксиальной линзой для разных длин волн. Параболическая форма графика говорит о том, что линейная часть хроматической аберрации сильно уменьшена, в схеме преобладают аберрации второго порядка. Разница в положении фокальных отрезков для длин волн 1,064 мкм и 0,266 мкм равна 14 мкм. Остается неисправленным хроматизм второго порядка (сдвиг фокального отрезка для длины волны 0,532 мкм составляет 102 мкм). Но так как длина волны 0,532 мкм используется только для юстировки оптической системы, то исправлять хроматизм второго порядка не имеет смысла.
Изготовление оптических компонентов осуществлялось с помощью высокоточных алмазных шлифовальников и полировальников.
Получение расчетных параметров расширителя возможно только при отклонении радиусов от расчетных с погрешностью не более 0,1%. Это удалось достигнуть при контроле линз сферометром ИЗС-7 на стадии шлифовки контактным методом, а на стадии доводки – бесконтактным методом лазерным автоколлиматором.
Контроль и фокусировка коллиматора в сборе осуществлялись по кружку рассеяния на длине волны 532 нм в 100-метровом оптическом коридоре. Фокусировка на ИК и УФ диапазоны проводилась смещением входной линзы 2 (рис. 1) расширителя лазерного пучка на точно рассчитанное расстояние с последующей фиксацией этого положения цанговой гайкой.
Рис. 5. Фотография расширителя лазерного пучка двухволнового передатчика флуоресцентного лидара в сборе с первой призмой.
пучка, приводящий к нежелательным последствиям. По этой причине отрицательная линза в схеме обращена выпуклой, а не вогнутой поверхностью к выходному торцу лазера.
Первый внутренний радиус кривизны отрицательного компонента объектива отличается от второго внутреннего радиуса кривизны положительного компонента двухлинзового объектива на ширину воздушного промежутка между ними, что дает возможность провести интерференционный контроль сборки и качества изготовления поверхностей по кольцам Ньютона, не изготавливая дополнительно пробное стекло для второй внутренней поверхности объектива. Это повышает технологичность изготовления расширителя в связи с упрощением контроля качества изготовления оптических поверхностей расширителя лазерного пучка.
Технические характеристики передатчика
Технические характеристики двухволнового лазерного передатчика
флуоресцентного лидара
Источник излучения – Рабочие длины волн – Энергия импульса (l = 1,064 мкм) –
YAG:Nd-лазер 1,064 и 0,266 мкм
до 200 мДж
Разработанная схема передатчика лазерного
Энергия импульса
излучения обеспечивает возможность одновре-
(l = 0,266 мкм) –
до 80 мДж
менной работы без перефокусировки на длинах волн 1,064 мкм и 0,266 мкм с уменьшением
Увеличение расширителя лазерного пучка –
7,75×
первоначальной угловой расходимости лазерного пучка более чем в 7 раз. Она позволяет юстировать выходящий из расширителя ла-
Габаритные размеры расширителя лазерного пучка –
100×400 мм.
зерный пучок лучей параллельно оптической
Расширитель лазерного пучка для двухвол-
визирной оси системы аппаратурного ком- нового передатчика (рис. 5) в составе флуорес-
плекса лидара. Разработанная схема способна центного лидара прошел полевые испытания,
минимизировать сфокусированный блик, воз- обеспечив дальность работы аэрозольного ка-
никающий в результате отражения излучения нала до 33 км, а флуоресцентного канала –
от первой поверхности отрицательного опти- до 4 км. На расширитель лазерного пучка по-
ческого компонента расширителя лазерного лучен патент [4].
* * * * *
“Оптический журнал”, 79, 4, 2012
31
ЛИТЕРАТУРА
1. Родионов С.А. Основы оптики. СПб.: ГИТМО (ТУ), 2000. 173 с. 2. http://www.zemax.com 3. Заказнов Н.П., Кирюшин С.И., Кузичев В.И. Теория оптических систем. М: Машиностроение, 1992. 326 с. 4. Коханенко Г.П., Макогон М.М., Пономарев Ю.Н., Рынков О.А., Симонова Г.В. Ахроматический расшири-
тель лазерного пучка для УФ и ИК областей спектра // Патент России № 89727. 2009.
32 “Оптический журнал”, 79, 4, 2012
УДК 535-15 535-31 621.373.8
РАСЧЕТ РАСШИРИТЕЛЯ ПУЧКА ДВУХВОЛНОВОГО ЛАЗЕРНОГО ФЛУОРЕСЦЕНТНОГО ЛИДАРА
© 2012 г.
Г. П. Коханенко*, канд. физ.-мат. наук; М. М. Макогон*, канд. физ.-мат. наук; Ю. Н. Пономарев*, доктор физ.-мат. наук; О. А. Рынков*; Г. В. Симонова**, ***, канд. техн. наук
*** Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии *** наук, Томск
*** Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения *** Российской академии наук, Томск
*** Томский государственный университет, Томск
*** Е-mail: kokh@iao.ru, mmm@asd.iao.ru, yupon@iao.ru, lspg@iao.ru, galina_simonova@inbox.ru
Представлена конструкция и результаты аберрационного расчета расширителя пучка, являющегося передатчиком двухволнового лазерного аэрозольно-флуоресцентного лидара, предназначенного для обнаружения в атмосфере загрязнений биогенного происхождения. Возможность функционирования передатчика на двух сильно отличающихся длинах волн обеспечена подбором оптических материалов, работающих в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра, и совместно проведенной минимизацией сферических и хроматических аберраций. Изготовленный передатчик позволил уменьшить расходимость лазерного излучения на длинах волн 1,064 и 0,266 мкм более чем в 7 раз, обеспечив при этом работу без перефокусировки.
Ключевые слова: флуоресцентный лидар, передатчик лазерного излучения, расширитель лазерного пучка.
Коды OCIS: 010.3640, 010.3310
Поступила в редакцию 17.01.2011
Разработка и создание аппаратуры, позволяющей разрешить проблему дистанционного обнаружения источников выбросов вредных веществ в атмосферу, работающей на базе высокоэнергетической лазерной техники, является актуальной задачей. Следует отметить, что качество измерений будет зависеть от парамет ров лазерного пучка. При этом естественно, что лазерный пучок, выходящий в атмосферу, должен характеризоваться минимально возможной расходимостью для рабочих длин волн и высокой параллельностью этого пучка оптической визирной оси аппаратурного комплекса. Как правило, расходимость излучения даже лучших коммерческих лазеров, представленных на рынке, слишком велика для обеспечения дальности действия лидаров более сотен метров, и поэтому необходима коллимация излучения. Возможность получения требуемых
параметров зависит от расширителей лазерного пучка, которые должны разрабатываться в соответствии с техническими требованиями на лидар в целом.
Описываемый ниже расширитель лазерного пучка был разработан для оснащения мобильного аэрозольно-флуоресцентного лидара, предназначенного для оперативного обнаружения в атмосфере частиц биогенного происхождения на дальности до 4 км.
Оптическая схема двухволнового передатчика лазерного излучения
флуоресцентного лидара
При расчете расширителя лазерного пучка исходными являются конкретные параметры лазерного пучка: его диаметр, угол расходимости и длина волны излучения лазера – l. Для
28 “Оптический журнал”, 79, 4, 2012
различных типов лазеров угол расходимости генерируемого излучения меняется от нескольких угловых минут до нескольких градусов. Для уменьшения угла расходимости лазерных пучков лучей (для их коллимации) используют телескопические системы, представляющие собой обратные системы Галилея или Кеплера. Предпочтительнее применять обратную систему Галилея, не дающую промежуточное действительное изображение, не допустимое при использовании мощных лазеров.
В данной работе рассматривается расширитель пучка, предназначенный для коллимации излучения твердотельного импульсного лазера LS-2137/20 (ЛОТИС ТИИ, Республика Беларусь) на основе алюмоиттриевого граната, активированного неодимом, генерирующего на первой (l = 1,064 мкм), второй (l = 0,532 мкм) и четвертой (l = 0,266 мкм) гармониках; все гармоники излучаются соосно. Основными в лидаре являются первая и четвертая гармоники, вторая используется для визуализации лазерного луча в атмосфере, импульсы излучения на всех длинах волн посылаются одновременно. Излучение в инфракрасной (ИК) области спектра используется для зондирования атмосферного аэрозоля любой природы, а излучение в ультрафиолетовой (УФ) области – для возбуждения флуоресценции аэрозоля только биогенного происхождения. Работа оптической системы на сильно различающихся длинах волн накладывает дополнительное условие для разработки оптической схемы – это минимизация не только геометрических, но и хроматических аберраций, а также оптимизация параметров оптических компонентов, позволяющая работать без перефокусировки расширителя на двух длинах волн.
Целью работы являлась разработка лидарного передатчика, позволяющего обеспечить высокое качество выходящего в атмосферу лазерного пучка путем формирования пучка большей апертуры с минимизацией аберраций при одновременной работе системы на двух длинах волн в УФ и ИК областях спектра без ее перефокусировки. Передатчик должен обеспечивать возможность юстировки выходящего лазерного пучка лучей параллельно оптической визирной оси системы аппаратурного комплекса флуоресцентного лидара.
Коэффициент расширения пучка зависит от расходимости лазерного излучения, поля зрения приемного телескопа лидара и допустимой из энергетических соображений экраниров-
ки главного зеркала телескопа компонентами передатчика. Исходя из желаемых характеристик аэрозольно-флуоресцентного лидара, оптимальное значение коэффициента расширения должно лежать в интервале от 7 до 8.
Схема передатчика показана на рис. 1. Расширитель представляет собой телескопическую систему Галилея и состоит из отрицательного компонента 2, выполненного из плавленого кварца и несклеенного ахроматического объектива 3, первый компонент которого изготовлен из CaF2, а второй – из кварца. Для видимой области составлены таблицы ахроматических пар материалов, но для работы одновременно в УФ и ИК областях спектра таких данных нет. Поэтому разработчики, обладая базой данных оптических материалов для этих областей, определили наилучшее их сочетание. Сделанный таким образом выбор оптического материала обеспечил как возможность ахроматизации оптической схемы расширителя, т. е. компенсации хроматических аберраций для двух длин волн, так и высокий коэффициент пропускания в рабочих диапазонах длин волн. Кварц и кристалл CaF2 являются нелюминесцирующими, радиационно-оптически устойчивыми материалами, прозрачными в оптической области спектра. Поверхности всех линз расширителя и катетные грани призм просветлены для рабочих длин волн.
Квазипараллельный пучок излучения лазера выводится на ось приемного телескопа и затем в атмосферу через систему двух юстируемых призм 4–5, позволяющих проводить подъюстировку оптической оси передатчика лазерного излучения к оптической визирной оси аппаратурного комплекса флуоресцентного лидара. Многослойные диэлектрические покрытия гипотенузных граней призм имеют коэффициент отражения более 99,5%.
8 62
12
4 3
5
365 0,2 ± 0,01
Рис. 1. Оптическая схема двухволнового передатчика лазерного излучения флуоресцентного лидара. 1 – YAG:Nd-лазер, 2, 3 – расширители лазерного пучка, 4, 5 – юстируемые призмы.
“Оптический журнал”, 79, 4, 2012
29
Аберрационный анализ
Существуют два совместно действующих фактора, которые влияют на формирование волнового фронта и качество изображения оптической системы – дифракция и аберрации. Формирование изображения вполне корректно описывается с позиций геометрической оптики без привлечения теории дифракции. Если аберрации велики и дифракция теряется на фоне геометрических аберраций, то такие системы называются геометрически-ограниченными. Если аберрации малы и преобладает дифракция, то такие системы называются д ифракционно-ограниченными. В классической оптике [1] наименьший размер кружка рассеяния может быть получен в случае работы “идеальной” оптической системы, у которой отсутствуют все виды аберраций и конечное качество на ее выходе определяется только дифракционными явлениями. Качество дифракционно-ограниченных систем оценивается по критериям Рэлея и Штреля [1].
Трудоемкая задача оптимизации параметров оптических элементов передающей схемы лидара и минимизация аберраций для двух длин волн была решена с помощью прикладного пакета программ ZEMAX, причем минимизация аберраций и ахроматизация проводились одновременно при варьировании коэффициента расширения. Анализ аберраций расширителя лазерного пучка проведен с использованием модели параксиальной линзы [2], позволяющей сфокусировать коллимированный пучок, не внося аберраций, и затем рассчитать диаметр кружка рассеяния. Расчитанные для оптимального по аберрациям и остаточному хроматизму расширителя диаметры кружка рассеяния (рис. 2) 4,68 мкм и 1,34 мкм для l = 1,064 мкм и l = 0,266 мкм соизмеримы с диаметрами дифракционного кружка, кружка Эйри, – 4,96 мкм и 1,19 мкм, что свидетельствует о том, что рассматриваемая система является практически безаберрационной (дифракционно-ограниченной).
При этом число Штреля для разработанной системы составляет 0,87 для l = 1,064 мкм и 0,83 для l = 0,266 мкм, а мера волновой аберрации (рис. 3) соизмерима с l/4 (критерий Р елея) [3].
Помимо монохроматических аберраций в оптической схеме расширителя лазерного пучка скорректированы хроматические аберрации. Задача ахроматизации состоит в том,
Длина волны, мкм
чтобы фокальные отрезки линз не зависели от длины волны и отсутствовал сдвиг положения плоскости изображения для разных длин волн. Для решения этой задачи были выбраны о птические материалы для изготовления линз (СаF2 и плавленый кварц) с разными коэффициентами дисперсии. На рис. 4 представлен график сдвига фокальных отрезков системы
Диск Эйри
+1,0640
×0,2660
Рис. 2. Расчетный кружок рассеяния излучения, прошедшего через расширитель и сфокусированного параксиальной линзой.
DW DW 22
PY 1
1
PX
Рис. 3. Волновая аберрация (DW) расширителя лазерного пучка. 1 – длина волны 1,064 мкм, |DW| = 0,22l, 2 – длина волны 0,266 мкм, |DW| = 0,28l.
1,0640 0,8645
0,6650
0,4655
0,2660 –100
0 Положение фокуса, мкм
100
Рис. 4. Остаточный хроматизм положения фокуса ахроматического объектива расширителя лазерного пучка.
30 “Оптический журнал”, 79, 4, 2012
расширителя лазерного пучка с параксиальной линзой для разных длин волн. Параболическая форма графика говорит о том, что линейная часть хроматической аберрации сильно уменьшена, в схеме преобладают аберрации второго порядка. Разница в положении фокальных отрезков для длин волн 1,064 мкм и 0,266 мкм равна 14 мкм. Остается неисправленным хроматизм второго порядка (сдвиг фокального отрезка для длины волны 0,532 мкм составляет 102 мкм). Но так как длина волны 0,532 мкм используется только для юстировки оптической системы, то исправлять хроматизм второго порядка не имеет смысла.
Изготовление оптических компонентов осуществлялось с помощью высокоточных алмазных шлифовальников и полировальников.
Получение расчетных параметров расширителя возможно только при отклонении радиусов от расчетных с погрешностью не более 0,1%. Это удалось достигнуть при контроле линз сферометром ИЗС-7 на стадии шлифовки контактным методом, а на стадии доводки – бесконтактным методом лазерным автоколлиматором.
Контроль и фокусировка коллиматора в сборе осуществлялись по кружку рассеяния на длине волны 532 нм в 100-метровом оптическом коридоре. Фокусировка на ИК и УФ диапазоны проводилась смещением входной линзы 2 (рис. 1) расширителя лазерного пучка на точно рассчитанное расстояние с последующей фиксацией этого положения цанговой гайкой.
Рис. 5. Фотография расширителя лазерного пучка двухволнового передатчика флуоресцентного лидара в сборе с первой призмой.
пучка, приводящий к нежелательным последствиям. По этой причине отрицательная линза в схеме обращена выпуклой, а не вогнутой поверхностью к выходному торцу лазера.
Первый внутренний радиус кривизны отрицательного компонента объектива отличается от второго внутреннего радиуса кривизны положительного компонента двухлинзового объектива на ширину воздушного промежутка между ними, что дает возможность провести интерференционный контроль сборки и качества изготовления поверхностей по кольцам Ньютона, не изготавливая дополнительно пробное стекло для второй внутренней поверхности объектива. Это повышает технологичность изготовления расширителя в связи с упрощением контроля качества изготовления оптических поверхностей расширителя лазерного пучка.
Технические характеристики передатчика
Технические характеристики двухволнового лазерного передатчика
флуоресцентного лидара
Источник излучения – Рабочие длины волн – Энергия импульса (l = 1,064 мкм) –
YAG:Nd-лазер 1,064 и 0,266 мкм
до 200 мДж
Разработанная схема передатчика лазерного
Энергия импульса
излучения обеспечивает возможность одновре-
(l = 0,266 мкм) –
до 80 мДж
менной работы без перефокусировки на длинах волн 1,064 мкм и 0,266 мкм с уменьшением
Увеличение расширителя лазерного пучка –
7,75×
первоначальной угловой расходимости лазерного пучка более чем в 7 раз. Она позволяет юстировать выходящий из расширителя ла-
Габаритные размеры расширителя лазерного пучка –
100×400 мм.
зерный пучок лучей параллельно оптической
Расширитель лазерного пучка для двухвол-
визирной оси системы аппаратурного ком- нового передатчика (рис. 5) в составе флуорес-
плекса лидара. Разработанная схема способна центного лидара прошел полевые испытания,
минимизировать сфокусированный блик, воз- обеспечив дальность работы аэрозольного ка-
никающий в результате отражения излучения нала до 33 км, а флуоресцентного канала –
от первой поверхности отрицательного опти- до 4 км. На расширитель лазерного пучка по-
ческого компонента расширителя лазерного лучен патент [4].
* * * * *
“Оптический журнал”, 79, 4, 2012
31
ЛИТЕРАТУРА
1. Родионов С.А. Основы оптики. СПб.: ГИТМО (ТУ), 2000. 173 с. 2. http://www.zemax.com 3. Заказнов Н.П., Кирюшин С.И., Кузичев В.И. Теория оптических систем. М: Машиностроение, 1992. 326 с. 4. Коханенко Г.П., Макогон М.М., Пономарев Ю.Н., Рынков О.А., Симонова Г.В. Ахроматический расшири-
тель лазерного пучка для УФ и ИК областей спектра // Патент России № 89727. 2009.
32 “Оптический журнал”, 79, 4, 2012