Optical system design of calibration light source in 0.05-0.1 MPa wide atmospheric pressure environment

DONG Dapeng; YU Xin; WANG Yiqun; PAN Guotao; BAI Suping

doi:10.37188/OPE.20233108.1124

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Optical system design of calibration light source in 0.05-0.1 MPa wide atmospheric pressure environment

Modern Applied Optics | 更新时间：2023-05-04

- Optical system design of calibration light source in 0.05-0.1 MPa wide atmospheric pressure environment
- Optics and Precision Engineering Vol. 31, Issue 8, Pages: 1124-1135(2023)
- 作者机构：
  
  1.长春理工大学光电工程学院，吉林长春 130022
  2.之江实验室，浙江杭州 311121
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.37188/OPE.20233108.1124
  CLC： TH74;TG502.33
- Received：24 October 2022，
  
  Revised：14 November 2022，
  
  Published：25 April 2023
- 稿件说明：
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董大鹏,于信,汪逸群等.0.05~0.1 MPa宽气压环境下校准光源光学系统设计[J].光学精密工程,2023,31(08):1124-1135.

DONG Dapeng,YU Xin,WANG Yiqun,et al.Optical system design of calibration light source in 0.05-0.1 MPa wide atmospheric pressure environment[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(08):1124-1135.
董大鹏,于信,汪逸群等.0.05~0.1 MPa宽气压环境下校准光源光学系统设计[J].光学精密工程,2023,31(08):1124-1135. DOI： 10.37188/OPE.20233108.1124.

DONG Dapeng,YU Xin,WANG Yiqun,et al.Optical system design of calibration light source in 0.05-0.1 MPa wide atmospheric pressure environment[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(08):1124-1135. DOI： 10.37188/OPE.20233108.1124.

摘要

激光武器已经成为未来大国战略制衡，改变战争样式的重要手段。它通常采用以哈特曼波前探测为反馈的自适应光学（AO）系统提升光束质量，保证毁伤效果。但由于环境中气压的改变，空气折射率、玻璃材料折射率发生变化从而引入额外的波前探测误差，难以保证光束质量。校准光源的引入可以实时标定AO系统，去除系统误差，保证校正效果，但同时也要求了校准光源的绝对稳定。因此本文设计了一款适用于宽气压范围的校准光源。首先，基于气压对光学系统的影响，通过分析像面位移系数和材料折射率关系，采用合理搭配光学材料，分配光焦度的方法补偿气压对光束质量的影响；再次，建立光学系统仿真模型，分析系统的波像差的稳定性和公差分配，为实验平台的搭建提供基础；最后，建立实验平台、验证设计结果。结果表明：气压在0.05~0.1 MPa范围内，相比于0.1 MPa的工作点，波像差呈先降低再上升的趋势，0.08 MPa达到最小，波像差PV值从0.087 4

变动到0.019 8

，最大变动量为0.067 6

。校准光源的稳定性得到了满足，实现了对压强变化的有效补偿。

Abstract

Laser weapons would be an important means of strategic checks and balances for major powers in the future， and they can change the pattern of war. They usually use an adaptive optical （AO） system with Hartmann wavefront detection as feedback to improve the beam quality and ensure the damage effect. However， the refractive indices of air and glass materials change with the change in air pressure in the environment， introducing additional wavefront detection errors and making it difficult to ensure beam quality. The introduction of a calibrating light source can aid in calibrating the AO system in real-time， remove the system error， and ensure the correction effect； however， this method requires the absolute stability of the calibration light source. Therefore， a calibration light source suitable for a wide barometric pressure range is designed. First， based on the influence of air pressure on the optical system， by analyzing the relationship between the image surface displacement coefficient and the refractive index of the material， a method for rationally matching the optical materials and assigning optical focus is used to compensate for the influence of air pressure on beam quality. Thereafter， the simulation model of the optical system is constructed to analyze the stability and tolerance distribution of the wave aberration of the system， establishing a basis for the construction of the experimental platform. Finally， an experimental platform is established to verify the design results. According to the results， when the air pressure is in the range of 0.05-0.1 MPa， compared with that at the working point of 0.1 MPa， the wave aberration first decreases and then increases， reaching the minimum at 0.08 MPa， while the wave aberration PV value changes between 0.087 4λ and 0.019 8λ， with the maximum change being 0.067 6λ. Thus， the stability of the calibrated light source is satisfied， and effective compensation for pressure changes is realized.

关键词

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