[发明专利]基于全息光学元件的机载激光雷达对地观测照明成像光照匀化系统

说明书

技术领域

本发明涉及到应用于机载激光成像雷达系统中基于全息光学元件的激光光束匀化系统。

背景技术

随着近年来光学全息技术的不断发展和全息材料性能的不断提高，全息光学元件(Holographic Optical Element，HOE)的应用也日益广泛，但在激光光束控制方面却鲜有应用HOE的先例。

本发明以航空科技领域的空间成像应用为导向，提出了一个基于HOE的激光照明匀化系统的设计方法，选择基于全息光学元件的微透镜列阵作为本方案的主要光学组件，比较了HOE相对于传统光学元件和传统透镜阵列制作方法的优越性，同时给出了基于新型全息材料的激光匀化HOE系统的设计、研制和在航空领域空间成像的应用，并依据全息光学组件的K矢量闭合分析设计方法，进行系统光路设计，采用新型激光全息材料制作激光照明匀化光学系统组件。

本发明的创新点在于使用了HOE代替传统光学元件进行激光匀化系统的设计和制作。基于干涉、衍射原理的HOE与基于折射、反射原理的传统光学元件相比，具有轻、薄，造价便宜，易于复制等优点，HOE可以同时实现透镜(或反射镜)的成像、分光、光轴偏转等多种光学功能；HOE的制作也较传统光学元件更为灵活方便。

发明内容

由于激光器中激活介质的不均匀、增益饱和等效应的影响，使得输出光束会发生畸变，造成激光发射近场和远场分布的不均匀，即照射到目标上光斑的能量分布不均匀，即使在比较理想的基横模发射情形，也因高斯分布不满足一些需要均匀辐照射的需求，例如在激光核聚变、热加工、医疗外科切除手术、激光通信、激光雷达成像探测等领域。在各种应用需求的激励下，人们已经探索了多种方法对激光束进行均匀辐照。从是否出现干涉的情况将均匀辐照技术分为两种，一种是将波阵面分割成很多的子束，然后再通过一定的方法让子束在成像面进行叠加；另外一种是对已知的波阵面进行一定的变化，在它的边缘或者顶部进行切割的方法。目前常用的的均匀辐照方法主要是利用传统的光学元件，他们的缺点是质量和体积大、对光学透镜的加工要求高，造价不菲，匀化效果不令人十分满意。

发明内容主要包括：

①根据机载对地成像观测参数和激光光束均匀辐照要求确定HOE激光匀化系统设计方案；

②依据全息光学系统K矢量闭合设计方法，进行HOE系统光路设计，确定光路参数；分析比较变化条件，对激光匀化多参数进行优化；

③采用新型激光全息材料研制HOE匀化系统。

本发明采用全息光学元件取代普通的光学元件(玻璃)。已经证明，以衍射和干涉理论而不是折射理论为基础的全息光学元件在某些方面，具有传统折射和反射元件无法比拟的优越性。

相对于传统的激光匀化系统，其优点可描述为：

①全息光学元件较传统光学元件更薄、更轻，易于复制，利于航空航天应用；一块全息光学元件可以同时完成多种光学功能，因此节省材料，造价经济；

②由于激光器一般为窄波段或是单一波长工作，因此航天航空激光照明成像恰好与全息光学元件最基本的应用条件相吻合；

③全息光学元件的制作方法为两个球面波在全息材料上发生干涉，虽然设计时较传统光学元件需要多考虑两套记录光学系统，但也使它的研制和生产具有传统光学元件不具备的灵活性。

附图说明

图1为列阵透镜均匀辐照光学系统。

图2为记录多端面全息光学元件原理图。

图3为光波传播矢量和条纹矢量之间的关系图。

图4为不同波长记录的全息光学元件的K矢量闭合法示意图。

图2-4中：1遮掩板 2全息干版 3物体记录光束 4参考光束 5全息条纹 6蓝光物体光束 7蓝光参考光束 8红光物体光束 9红光参考光束

具体实施方式

在航空、医疗科技领域以及许多应用场合，人们常常希望激光光束能够能量均匀地向一块位于远场的矩形面积投射，为CCD主动成像系统照明。然而，由于基横模激光强度分布的高斯特性，以及一些光学元件的不完善、光学材料的不均匀等因素均会造成照明区域光学和热学的不均匀性、光的非线性效应、衍射效应以及放大器增益分布不均匀等现象，导致光束的波面和光强分布难以满足均匀照明的要求。消除光束不均匀性的一种有效方法是用列阵系统将波面分割成大量子束，再经透镜聚焦在一起，使目标表面上任一点都有来自整个波面上的子束叠加，利用子束的“积分”进行相互补偿，从而使辐照均匀性大大提高。