一种双波长共光路激光发射天线的制作方法

1.本实用新型属于光学技术领域，尤其涉及一种双波长共光路激光发射天线。


背景技术：

2.在远距离激光探测系统中，利用激光亮度高、方向性好的优点，对远处运动目标进行跟踪、瞄准、照射。在这个系统中，要求激光束经过远距离传输后，到达目标时仍有很高的能量集中度，即激光能量要在一个很小的发射角内沿直线传播，对光束的准直性要求很高。另外系统镜面要承受高能量的强激光照射。镜面对强激光的吸收会引起镜面的热变形，导致产生光束波前误差，从而影响激光发射系统的光束质量。


技术实现要素：

3.本实用新型解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种双波长共光路激光发射天线，有效降低天线设计、加工难度，一、二级发射天线可组合使用，在有限空间内灵活放置，有效减小系统的整体长度。
4.本实用新型目的通过以下技术方案予以实现：一种双波长共光路激光发射天线，包括：一级发射天线和二级发射天线；其中，沿光轴方向从物面一侧至像面一侧依次设置一级发射天线和二级发射天线；所述一级发射天线包括第一光学组件和第二光学组件；所述二级发射天线包括第三光学组件和第四光学组件；所述第一光学组件的光焦度φ
01
＜0；所述第二光学组件的光焦度φ
02
＞0；所述第三光学组件的光焦度φ
03
＜0；所述第四光学组件的光焦度φ
04
＞0；激光依次经过一级发射天线和二级发射天线扩束后形成直径小于100mm、束散角为 0.1mrad～0.13mrad的平行光束。
5.上述双波长共光路激光发射天线中，所述第一光学组件为第一透镜；所述第二光学组件包括第二透镜和第三透镜；其中，所述第一透镜和所述第二透镜均为双凹负透镜，所述第三透镜为双凸正透镜。
6.上述双波长共光路激光发射天线中，所述第三光学组件包括第四透镜、第五透镜和第六透镜；其中，第四透镜和第五透镜均为双凹负透镜，第五透镜的后表面为圆锥曲面；所述第六透镜为弯月正透镜，且向光线入射方向弯曲。
7.上述双波长共光路激光发射天线中，所述第四光学组件包括第七透镜和第八透镜；其中，所述第七透镜为弯月正透镜，且向光线入射方向弯曲；所述第八透镜为双凸正透镜。
8.上述双波长共光路激光发射天线中，第一透镜的前表面为球面，第一透镜的前表面的曲率半径为-19.268mm，第一透镜的厚度为3.01mm，第一透镜的材料为f_silica，第一透镜的前表面的直径为5.5mm；第一透镜的后表面为球面，第一透镜的后表面的曲率半径为29.971mm，第一透镜与第二透镜之间的距离为 87.14mm，第一透镜的后表面的直径为5.5mm；第二透镜的前表面为球面，第二透镜的前表面的曲率半径为-627.1mm，第二透镜的厚度为4.6mm，第二透镜的材料为h-zf62，第二透镜的前表面的直径为13mm；第二透镜的后
表面为球面，第二透镜的后表面的曲率半径为67.133mm，第二透镜与第三透镜之间的距离为 4.94mm，第二透镜的后表面的直径为13mm；第三透镜的前表面为球面，第三透镜的前表面的曲率半径为88.051mm，第三透镜的厚度为8.1mm，第三透镜的材料为irgn6，第三透镜的前表面的直径为30mm；第三透镜的后表面为球面，第三透镜的后表面的曲率半径为-43.803mm，第三透镜的后表面的直径为30mm。
9.上述双波长共光路激光发射天线中，第四透镜的前表面为球面，第四透镜的前表面的曲率半径为-137.847mm，第四透镜的厚度为4.35mm，第四透镜的材料为lasf36a，第四透镜的前表面的直径为31mm；第四透镜的后表面为球面，第四透镜的后表面的曲率半径为39.158mm，第四透镜与第五透镜之间的距离为 39.158mm，第四透镜的后表面的直径为31mm；第五透镜的前表面为球面，第五透镜的前表面的曲率半径为-37.33mm，第五透镜的厚度为16.15mm，第五透镜的材料为bak1，第五透镜的前表面的直径为53mm；第五透镜的后表面为球面，第五透镜的后表面的曲率半径为-29.374mm，第五透镜与第六透镜之间的距离为1.63mm，第五透镜的后表面的直径为53mm；第六透镜的前表面为球面，第六透镜的前表面的曲率半径为-45.12mm，第六透镜的厚度为5.03mm，第六透镜的材料为n-sf66，第六透镜的前表面的直径为67mm；第六透镜的后表面为非球面，第六透镜的后表面的曲率半径为343.175mm，第六透镜与第七透镜之间的距离为 4.81mm，第六透镜的后表面的直径为67mm，第六透镜的后表面的圆锥系数为-31.342；第七透镜的前表面为球面，第七透镜的前表面的曲率半径为-482.976mm，第七透镜的厚度为20.65mm，第七透镜的材料为ultran30，第七透镜的前表面的直径为77mm；第七透镜的后表面为球面，第七透镜的后表面的曲率半径为-50.874mm，第七透镜与第八透镜之间的距离为2.26mm，第七透镜的后表面的直径为77mm；第八透镜的前表面为球面，第八透镜的前表面的曲率半径为167.526mm，第八透镜的厚度为20mm，第八透镜的材料为bak2，第八透镜的前表面的直径为99mm；第八透镜的后表面为球面，第八透镜的后表面的曲率半径为-142.484mm，第八透镜的后表面的直径为99mm。
10.本实用新型与现有技术相比具有如下有益效果：
11.本实用新型申请的一种双波长共光路激光发射天线，其共光路结构，用于双波长发射；利用一、二级天线将小口径的激光光斑进行二次放大，有效降低天线设计、加工难度，一、二级天线可组合使用，在有限空间内灵活放置，有效减小系统的整体长度；在100mm口径内达到15～20倍的扩束功能，且出射光束散角小，实现远距离激光探测。可广泛应用于激光测距、激光雷达、激光制导、激光跟踪、激光指示、激光武器、激光通讯等民用、科研及军事装备系统中。
附图说明
12.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
13.图1为本实用新型的双波长共光路激光发射天线光学结构示意图；
14.图2为本实用新型具体实施例的光路图；
15.图3为本实用新型具体实施例中一级天线的光路图；
16.图4为本实用新型具体实施例中二级天线的光路图。
具体实施方式
17.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
18.高能量激光发射天线通常采用伽利略式结构，这种结构能缩小外形尺寸，在强功率激光束场合，通过负镜进行光束发散，可避免正镜汇聚而产生空气击穿和透镜损伤。
19.发射系统中对于波长λ1主激光器和波长λ2的瞄准激光器，由于λ1、λ2对镜片的折射率不同从而产生色差，致使两束光不可能经过同一发射系统达到同一目标位置，因此发射系统除考虑焦距一致外，还要考虑瞄准激光器的发散角，尽量要与主激光的发散角一致，且要保持在发射系统中扩束后，不致光束发射到目标外部。消除色差的方法主要利用透镜组消除色差，透镜组由不同折射、散射特性的镜片组成。
20.图1为本实用新型的双波长共光路激光发射天线光学结构示意图；图2为本实用新型具体实施例的光路图。如图1和图2所示，该双波长共光路激光发射天线包括：一级发射天线1和二级发射天线2；其中，沿光轴方向从物面一侧至像面一侧依次设置一级发射天线1和二级发射天线2；所述一级发射天线1 包括第一光学组件01和第二光学组件02；所述二级发射天线2包括第三光学组件03和第四光学组件04；所述第一光学组件的光焦度φ
01
＜0；所述第二光学组件的光焦度φ
02
＞0；所述第三光学组件的光焦度φ
03
＜0；所述第四光学组件的光焦度φ
04
＞0；激光依次经过一级发射天线1和二级发射天线2扩束后形成直径小于100mm、束散角为0.1mrad～0.13mrad的平行光束。
21.每个光学组件由一片或多片光学镜片组成，如双胶合透镜、双分离透镜、三胶合透镜、单双结构透镜等。第一光学组件的光焦度φ
01
＜0；第二光学组件的光焦度φ
02
＞0；第三光学组件的光焦度φ
03
＜0；第四光学组件的光焦度φ
04
＞0。光学镜片的材料可以是光学玻璃、晶体、梯度折射率材料及塑料中的一种。
22.一级发射天线或二级发射天线的透镜球差极小值公式为：镜球差极小值公式为：其中f’为一级发射天线或二级发射天线的焦距，l为物距。
23.一级发射天线和二级发射天线中的透镜弯曲系数q的公式为：一级发射天线和二级发射天线中的透镜弯曲系数q的公式为：
24.一级发射天线和二级发射天线中的结构参数公式为：后表面曲率前表面曲率其中，r1、r2分别为前表面曲率半径和后表面曲率半径；n为透镜材料的折射率。
25.对于第一光学组件和第三光学组件中的负透镜，物距无穷远，w
∞
＝w0， q＝q0，负透镜的后表面曲率c2＝q0 1，前表面曲率对于第二光学组件和第四光
学组件中的正透镜，l＝f
′
，w
∞
＝w
0-2.35，透镜的后表面曲率前表面曲率透镜的曲率半径影响天线的发散角，合适的透镜前后面曲率半径能显著提高发射天线的准直效果。
26.一、二级发射天线负透镜(组)与正透镜(组)共焦，负透镜(组)与正透镜(组)的光学间隔d＝f
2-f1，f2为正透镜(组)焦距，f1为负透镜(组) 焦距。可根据冗余空间调整间隔。
27.如图2-图4所示，本实用新型具体实施例提供一种双波长共光路激光发射天线，该系统由一级天线1和二级天线2组成。一级天线1由第一透镜11、第二透镜12、第三透镜13构成。第一透镜、第二透镜为双凹负透镜，第三透镜为双凸正透镜。第一光学组件01由第一透镜构成，其光焦度为小于0；第二透镜、第三透镜的组合光焦度大于0，共同构成第二光学组件。二级天线2由第四透镜21、第五透镜22、第六透镜23、第七透镜24、第八透镜25构成。第四透镜、第六透镜为双凹负透镜，其中，第六透镜的后表面为圆锥曲面。第五、第七透镜为弯月正透镜，且均向光线入射方向弯曲，第八透镜为双凸正透镜。第四、五、六透镜的组合光焦度小于0，组成第三光学组件；第七、八透镜的光焦度大于0，为第四光学组件。以上所有透镜均在同一光轴上。激光经过一级天线进行小倍率扩束后，再经二级天线进行扩束，形成直径小于100mm，束散角为0.1mrad～0.13mrad的平行光束，增大激光作用距离。
28.本实用新型实施例的具体参数为：
29.表1
30.[0031][0032]
本实用新型的具体实施例中，一级天线中第一透镜、第三透镜的材料为红外玻璃材料，第二透镜材料为新华光玻璃，二级天线的透镜材料均为肖特玻璃。光束入射口径d
in
＝5.5mm，束散角θ
in
＝2mrad，经二级天线扩束后的出射口径 d
out
＝99mm，束散角θ
out
＝0.1065mrad，放大倍率β≈18
x
，双波长的波前像差均优于λ/4。
[0033]
本实用新型的共光路结构，用于双波长发射；利用一、二级天线将小口径的激光光斑进行二次放大，有效降低天线设计、加工难度，一、二级天线可组合使用，在有限空间内灵活放置，有效减小系统的整体长度；在100mm口径内达到15～20倍的扩束功能，且出射光束散角小，实现远距离激光探测。可广泛应用于激光测距、激光雷达、激光制导、激光跟踪、激光指示、激光武器、激光通讯等民用、科研及军事装备系统中。
[0034]
本实用新型虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本实用新型技术方案的保护范围。