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考虑光学天线总长的限制,选择设计伽利略型光学天线,通过改变目镜组和物镜组间的间距实现光束在不同探测距离处的聚焦。同时,负目镜组对正物镜组进行像差补偿以满足光学质量。为避免湍流对相干探测的影响[16-18],光学天线口径应小于大气湍流相干长度,所以取天线口径D2=100mm。由此可计算出天线倍率Γ=26,物镜组焦距f2=220mm,目镜组焦距f1=-8.5mm。为了利用空气间隔校正系统像差,目镜组采用惠更斯目镜,同时因为天线口径的限制,物镜组采用3个分离透镜。初步设计的天线结构和参量分别如图 2和表 1所示。目镜1、目镜2和物镜2、物镜3的材料选用成都光明器材有限公司的H-ZF10,物镜1选用熔融石英,孔径光阑设在物镜3的前表面,目镜2和物镜1的间距d为调焦变量。
No. radius/mm thickness/mm glass 1 -15.50 3 H-ZF10 2 35.33 6 3 -13.24 3 H-ZF10 4 -65.55 169 5 -297.50 8 F_SILICA 6 infinity 9 7 -203.20 10 H-ZF10 8 -129.60 3 STO 852.30 12 H-ZF10 10 -214.90 Table 1. Parameters of optical antenna
光学天线的设计首先要满足常温使用要求。图 3为20℃时天线在不同工作距离处的像质情况,其中外圆为艾里斑。当L=50m时,d=170.21mm,系统焦距f=1.94m,所以艾里斑直径DA=2.44λf/D1=1931μm,天线各视场弥散斑的均方根直径分别为DRMS1=731.60μm, DRMS2=732.00μm,均小于艾里斑直径,同时l=224.2mm,满足设计要求。同理可得当L=3000m时,DA=37.82mm,DRMS1=11.67mm, DRMS2=11.71mm,l=223.3mm,同样满足设计要求。
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实验系统包括1.55μm激光器、环行器、设计的光学天线、5m焦距透镜、上转换片、游标卡尺。天线调焦电机已提前完成标定,实验时可控制电机精确调焦到指定的工作距离。天线透镜在低温下因结霜而无法出光测量,所以需在天线做完高低温实验后立即进行测试。
按图 6连接实验系统,调节电机使天线聚焦于50m,然后停止调焦,记录光斑形状,如图 7所示。分别测量天线在20℃, -45℃和65℃时,工作距离50m处的光斑直径,结果如表 2所示。
20℃ -45℃ 65℃ simulation/mm 1.72 2.68 1.80 measurement/mm 1.96 2.76 2.04 Table 2. Spot diameters under different temperatures (L=50m)
通过观察20℃, -45℃, 65℃时,工作距离50m处的光斑形状,发现圆斑能量集中且分布均匀,像质均较好,验证了仿真结果。由表 2可知,仿真情况下,-45℃时光斑直径较20℃时增加了55%,65℃时较20℃时增加了5%,这是因为低温产生的系统离焦量大于高温产生的离焦量。实测情况下,-45℃和65℃时的光斑直径较20℃时分别增加了41%和4%,高低温对系统离焦影响与仿真结果一致。测量值大于仿真值的原因是调焦控制存在微米级误差,实测时会造成光学天线存在微量离焦。
因为实验空间有限,并且对于设计的小口径天线,工作距离3000m近似无穷远,所以在天线出瞳后放置5m焦距透镜,用5m处的远场像质近似工作距离3000m处的像质。调节电机使天线聚焦于3000m,然后停止调焦,将5m焦距透镜置于天线出瞳后方,用光斑分析仪记录5m处光斑形状。分别测量天线在20℃, -45℃, 65℃时5m处的光斑直径,结果如表 3所示。
20℃ -45℃ 65℃ simulation/mm 0.25 0.33 0.252 measurement/mm 0.32 0.44 0.324 Table 3. Spot diameters at different temperatures (L=3000m)
观察各个温度下的光斑发现无切光现象,圆斑能量分布均匀,与仿真的能量包络图结果吻合。由表 3可知,远距离探测时,低温对系统离焦的影响很大,而高温的影响很小,实验与仿真结果相同。