[发明专利]一种高功率激光器准直系统设计方法

说明书

本发明公开了一种高功率激光器准直系统设计方法，该方法通过实验测量并标定了高斯光束环围能量与发散半角关系，将传统Zemax几何光学设计和公差分析结合实测结果获取环围能量和光束质量，对比物理光学分析获得环围能量曲线图，互相验证设计方法的可靠性。本发明可以完成高效率、高质量的高功率激光器准直系统设计，为准直系统最终有效使用提供保障，具有设计方法简单、高效等优点。

技术领域

本发明涉及一种光学系统设计方法，用于在激光器使用中实现高斯光束的准直输出。

背景技术

随着科技的发展，高功率激光准直输出越来越多地应用于各类激光使用要求中，如定向能武器、激光通信卫星、激光加工系统等。高功率激光准直输出是通过准直光学系统完成的。输出激光的环围能量和光束质量取决于准直系统的设计、加工和装配结果，加工和装配的影响可在设计时进行公差匹配分析完成。因此，高效率、高光束质量的准直系统设计成为高功率激光器使用的一个重要问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种高功率激光器准直系统设计方法，解决准直系统在设计中降低激光器功率和光束质量的问题，为最终高功率激光器准直系统的使用提供保障。

为了实现上述目的，本发明的设计方法测量并标定了高斯光束环围能量与发散半角关系，为后续将测量结果转换到设计中以验证系统高效率使用提供了保障；

所述设计方法包括如下步骤：

步骤一，测量高斯光束环围能量与发散半角关系；

步骤二，准直系统参数优化设计：结合效率需求，以及所述高斯光束环围能量与发散半角关系，计算出束腰半径、光束直径；利用几何光学计算出高斯光束数值孔径NA和准直系统焦距；

步骤三，对准直系统设计与优化分析：按照所述准直系统参数和准直系统整体长度、尺寸要求，选取合适的光学构型，设置有效的变量和优化操作数，优化系统波像差，使其满足需求。

所述设计方法还包括验证激光环围能量能否满足效率需求的过程，具体包括：

步骤四，将步骤三中得到的优化的好准直系统按照高斯光束传播分析，验证经过所述光学系统后的激光环围能量是否满足效率需求；

步骤五，系统公差分析，按照实际加工情况，输入设定的曲率半径公差、面形、中心厚度公差、面偏心、元件偏心、元件倾斜，补偿系统离焦，计算系统波像差；

步骤六，计算光束发散角，并重复所述步骤四验算激光环围能量是否满足效率需求。

进一步的，将所述设计方法应用于设定的光学系统中，则所述步骤一具体为：用激光跟踪仪测量激光器出射高斯光束束腰至探测器距离d，对各光阑口径进行测量，各测量结果记为D_i,i＝1,2,3...，同时利用能量计测量出射的高斯光束能量，各测量结果记为E_i,i＝1,2,3...；则发散半角据此得到高斯光束环围能量E_i与发散半角θ_i关系。

进一步的，所述步骤二具体为：

步骤2.1，高斯光束不同孔径下能量与总能量比值为：其中w₀为光强为高斯光束束腰半径，a为孔径大小，按实测的高斯光束环围能量E_i与发散半角θ_i关系，计算出发散半角θ_1/2、光束直径D；

步骤2.2，数值孔径NA数值与θ_1/2满足：NA＝sin(θ_1/2)，准直系统F数与数值孔径NA满足：F＝1/(2*NA)，准直系统焦距f满足：f＝F*D。

进一步的，所述步骤三具体为：