劉 琳,李 林

(1.北京理工大學(xué),北京 100081;2.華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

2 利用橢球鏡的光學(xué)系統(tǒng)

近距離激光武器系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)

根據(jù)系統(tǒng)的工作距離,需要在近距離具有最強(qiáng)的激光能量集中度。為了提高系統(tǒng)在設(shè)計(jì)工作距離的光斑能量集中度,設(shè)計(jì)應(yīng)從光學(xué)結(jié)構(gòu)形式上對發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。分析采用主鏡為橢球鏡,次鏡為拋物面鏡的光學(xué)結(jié)構(gòu)。激光先經(jīng)拋物面次鏡反射,在焦點(diǎn)處形成完善像點(diǎn),再入射至橢球面主鏡,以近似平行光出射,對1.5 km的目標(biāo)精確聚焦。這種結(jié)構(gòu)形式,理論上能在近距離目標(biāo)處很好地聚焦,從而提高在這些距離下,系統(tǒng)的毀傷能力,最大限度地發(fā)揮了高能激光的毀傷能力。

光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理參照圖1,橢球面反射鏡有一對共軛幾何焦點(diǎn)F1和F2,由F2發(fā)出的光線將嚴(yán)格會聚于F1,沒有像差[2]。非球面的方程為:

參照圖2,拋物面反射鏡有一對共軛幾何焦點(diǎn)F1′和無窮遠(yuǎn),由無窮遠(yuǎn)發(fā)出的光線將嚴(yán)格會聚于F1′,沒有像差。非球面的方程為

基于3.2節(jié)得到的SAD項(xiàng)目加權(quán)知識超網(wǎng)絡(luò)模型，應(yīng)用本文提出的穩(wěn)定性研究方法對SAD項(xiàng)目CPIKN的穩(wěn)定性進(jìn)行測度與分析。

圖1 橢球反射鏡成像原理

圖2 拋物面反射鏡成像原理

由橢球面和拋物面的設(shè)計(jì)得到,拋物面的焦點(diǎn)F1′(-247,0)與橢球面的焦點(diǎn)F2(-247,0)重合。由橢球面反射鏡作為主鏡,拋物面反射鏡作為次鏡,組成反射式激光擴(kuò)束系統(tǒng)的參數(shù)如表2所示,光學(xué)系統(tǒng)如圖3所示。

表2 系統(tǒng)成像參數(shù)

圖3 光學(xué)系統(tǒng)原理圖

3 聚焦和成像特性分析

激光束束腰半徑為:

其中,λ為光束波長；b為不同結(jié)構(gòu)共振腔的激光共焦參數(shù)。

高斯光束經(jīng)過擴(kuò)束器后,束腰位置為:

其中,l′為激光光束的傳輸距離[3]。

根據(jù)擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)和激光器的參數(shù),分別計(jì)算系統(tǒng)在激光器出射端、0.5 km、1 km、1.5 km、2 km和3 km處的激光光斑情況。由仿真的數(shù)據(jù)可以得到橢球面主鏡在不同距離處的光斑尺寸,如表3所示。

表3 橢球面主鏡在不同距離處的光斑尺寸

比較同樣指標(biāo)的拋物面主鏡在不同距離處的光斑尺寸如表4所示。

表4 拋物面主鏡在不同距離處的光斑尺寸

進(jìn)一步比較拋物面主鏡和橢球面主鏡在不同距離處的光斑仿真情況。

主鏡為橢球的結(jié)構(gòu),對應(yīng)的光斑仿真如圖4所示。

圖4 橢球主鏡結(jié)構(gòu)在不同距離處 相同比例尺下光斑的仿真圖

光斑功率密度分布曲線如圖5所示。

圖5 在不同距離處激光光斑功率密度分布曲線

主鏡為拋物面的結(jié)構(gòu),對應(yīng)的光斑仿真如圖6所示。

圖6 拋物面主鏡結(jié)構(gòu)在不同距離處相同比例下光斑仿真圖

光斑功率密度分布曲線如圖7所示。

圖7 在不同距離處激光光斑功率密度分布曲線

4 外場實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)在外場實(shí)驗(yàn)中,對同樣條件下典型工作距離的激光光斑到靶功率和光斑大小進(jìn)行測量,測量值和到靶功率密度計(jì)算結(jié)果如表5和表6所示。測試使用的激光發(fā)射功率為10 kW,大氣能見度6 km,大氣湍流較弱[4]。

表5 橢球面系統(tǒng)不同距離激光光斑的到靶功率密度和光斑大小

表6 拋物面系統(tǒng)不同距離激光光斑的到靶功率密度和光斑大小

對比表5和表6的數(shù)據(jù)可以看到,拋物面主鏡系統(tǒng),隨著距離的增加,到靶功率減少很多,光斑的尺寸也增加較多,功率密度下降接近一半；而橢球面主鏡系統(tǒng)在1.5 km處達(dá)到最大的到靶功率和最小的光斑尺寸,且與拋物面主鏡系統(tǒng)相比較,同樣的作用距離,到靶功率密度均有提高,最高達(dá)到原系統(tǒng)的4倍。說明在其他條件相同的情況下,橢球面主鏡的系統(tǒng)比拋物面主鏡的系統(tǒng)具有更小的到靶光斑尺寸和更高的到靶光斑功率密度,能夠最大限度地發(fā)揮系統(tǒng)的打擊性能。

5 結(jié) 論

通過比較,橢球面主鏡的結(jié)構(gòu)在目標(biāo)距離為500 m～3 km時,比拋物面主鏡的結(jié)構(gòu)具有更小的衍射光斑和更高的能量集中度[5]。因此,利用橢球鏡的強(qiáng)激光光學(xué)發(fā)射系統(tǒng),在近距離毀傷應(yīng)用中,可以最大限度的發(fā)揮高能激光的優(yōu)勢。

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