矩形光束通过激光发射系统的传输仿真

摘要:利用Zemax的物理光学传播功能,模拟了10.6m矩形光束及其通过某激光发射系统的传输过程,分析了该矩形光束通过发射系统的扩束比、发散角及能量变化情况,并与理想情况下的高斯光束传输情况进行了比对。结果表明这种仿真方法比较简便易行,设计的发射光学系统可以达到使用要求。

关键词:矩形光束 激光发射系统 仿真分析 Zemax

中图分类号:O43文献标识码:A文章编号:1007-3973(2010)06-097-02

1引言

非相干光线在传播过程中彼此间不产生影响,这种情况我们称之为几何光学,几何光学的光线追迹对光学系统设计及光线传播是一种有着广泛应用的技术。一般来说,经过评价函数检验能够满足衍射要求的系统可以认为即是符合要求的。但是,几何光学是是光线传播的不完善的描述,显而易见这种光线追迹方式并不能完成所有的建模任务,衍射计算仅发生在从出瞳到像面的后一个阶段,发生在镜头之间和孔径上的衍射则被忽略。对于成像系统,这样简单的建模已经足够,但对于激光扩束系统是远远不够的,尤其在激光束传播到远场时的情况更是与此相差甚远。 因此本文通过Zemax的物理光学原理来对此扩束系统进行分析,这种分析主要通过衍射来计算波前,它考虑的衍射将不仅仅是在出瞳上,而是以每个面上的衍射传播为基础,同时考虑镜头孔径、焦点附近小孔衍射的像差移动等影响,符合真实波前传播。

2发射光学系统及矩形光束的建立

图1所示为建立的反射式激光扩束系统,该系统采用主镜为椭球面和次镜为球面的组合,主镜口径200 mm,次镜口镜60 mm,主次镜间距299.4 mm,通过微调主次镜的间距来实现发散角及输出光斑的调节。

Zemax能够模拟精确的基模高斯光束,并能给出在实际的衍射条件下基模激光束的束腰和发散角等详细变化情况。然而系统所采用的10.6m激光器输出激光束是一个空心的矩形光束。用Zemax来模拟这样的空心矩形光束,可以结合ABCD矩阵以及自定义孔径的方法来模拟的均匀空心矩形光束,如图2所示为模拟的光束及能量分布情况,由于孔径边缘衍射的影响,使得光束边缘能量较实际光束要高。该输入光束总功率200 W,最高功率密度0.2258 W/mm2,尺寸为48€?6 mm,此光束的传播仍然可以认为其符合高斯光束的传播规律,光束的参数仍然可以用高斯光束的参数来表征,以最大光束半径即对角线尺寸来表示光腰,具体参数:光腰半径为4.4736 mm,光腰距扩束系统光阑(次镜)处为34377 mm,光阑处光束半径为30 mm,远场发散角近似为1.51 mrad,瑞利距离即准直距离为5931.4 mm。

3光束传输仿真

发射距离分别为100 m和30 km时输出光斑分布如图3所示。光束在传输过程中遵循相同的衍射和高斯传输规律,不同的是,矩形光束由于孔径和光学元件边缘衍射等因素的影响,与理想光束相比,传输过程中的光斑变得更不规则,能量分布情况也更加多变。

我们通过微调主次镜的间距来达到对输出光束发散角以及扩束比等参数的控制。图4和图5为输入光束分别为理想基模高斯光束和矩形空心光束时调节主次镜间距时两者的变化情况。可以看出两者基本上相同,一般来说,从理论上分析扩束系统的质量用理想高斯光束比较精确,但是从工程上严格的意义来说还是有误差的,由于扩束系统必须为激光器所用,所以应该按照比较接近实际的情况去分析,在应用时扩束比和输出发散角相对于微调距离的关系则需要重新精确的标定。