目前广泛使用的1.06 μm激光测距仪容易带来人眼损伤甚至致盲的危险,因此各国竞相研制新的人眼安全激光测距仪^[1]。研究表明:波长1.5~1.6 μm的激光在辐射人眼时大部分会被晶状体吸收,只有小部分到达视网膜,对人眼损伤低,因此这一波段内的激光被称为人眼安全激光。为了携带方便和测距灵活,研制小型化、轻量化的人眼安全激光测距仪已成为国内热点,其中人眼安全激光器的结构大小对测距仪整体尺寸有着较大影响,因此激光器结构的研制在测距仪整个设计中占有重要的作用。

本文设计一种紧凑型人眼安全激光器的结构装置,该结构选用铝材,能够减轻整体重量,装置将调Q晶体Cr⁴⁺YAG、工作物质NdYAG晶体和非线性晶体KTP紧密结合,有效减少了整体长度。用Zemax软件设计用于激光器发射和接收的光学系统,将激光发散角控制在1 mrad以下。

如图 1所示的1.57 μm人眼安全激光器工作原理图^[2],从左至右分别为全反镜,可饱和调Q晶体掺铬钇铝石榴石(Cr⁴⁺YAG),工作物质掺钕钇铝石榴石(NdYAG),泵浦源氙灯和倍频晶体磷酸氧钛钾(KTP)。其中全反镜镀1.06 μm的全反膜,Cr⁴⁺YAG晶体的透过率为33%,KTP晶体的左表面镀1.06 μm的增透膜和1.57 μm 的高反膜,右表面镀1.06 μm的高反膜和1.57 μm 的半透膜。在结构设计中,将Cr⁴⁺YAG晶体、NdYAG晶体和KTP晶体各部件紧密结合,缩短激光器的长度。

图 1

Fig. 1

图 1 1.57 μm人眼安全激光器 Fig. 1 1.57 μm eye-safe laser

图 2和图 3所示为根据图 1各工作元件和结构设计的紧凑、轻便型人眼安全激光器装置^[3]。该结构所选材料为铝制。在图 3剖面视图中,1为全反射镜座固定部件,2为被动调Q晶体Cr⁴⁺YAG和工作物质NdYAG的连接件,3为激光器外壳,4是磷酸氧钛钾(KTP)晶体的固体部件。

图 2

Fig. 2

图 2 激光器装置 Fig. 2 Laser device

图 3

Fig. 3

图 3 剖面视图 Fig. 3 Sectional view

图 4为人眼安全激光器各部件结构图,其中(a)为全反射镜座的固定部件,101为全反射镜的固定孔,102为调整垫,调整垫厚度易于打磨,可用于平行性调节,103为通孔,螺丝通过通孔将反射镜座和被动调Q和工作物质连接件组装在一起。201为Cr⁴⁺YAG的安放位置孔,202是NdYAG的固定孔,203为螺纹孔,204为通孔,螺丝通过通孔连接激光器外壳左侧的内置螺纹孔,并固定部件(b)和激光器外壳(c),205为氙灯固定槽。激光器外壳内部安置氙灯,其中301为螺纹孔,连接KTP固定部件(d),302是氙灯引线孔。在图 4(d)中401为安放KTP晶体的方孔,402是通孔,螺丝通过通孔连接激光器外壳上右侧的三个螺纹孔,并固定激光器外壳(c)和KTP固定部件(d)。KTP晶体两面镀膜,取代了一面谐振腔,从而进一步压缩了人眼安全激光器的整体长度,用铝作为激光器外壳的材料,既控制了成本又减轻了激光器的重量。

图 4

Fig. 4

图 4 各部件结构图 Fig. 4 Structure of the components

光学系统设计的目标是将1.57 μm激光光束，5 mrad的发散角压缩到1 mrad以下,而且该系统必须能够很好地校正光束各类像差,如球差、彗差、像散以及垂轴色差等^[4]。同时考虑到测距仪要求加工、组装方便等特点,本文采用一个单透镜和一组双胶合透镜的组合结构作为激光器的发射和接收部分^[5],利用Zemax的优化功能设计出如图 5的光学系统,从表 1中可以看出各个透镜都是常用玻璃且为球面,有利于机械加工和成本控制。

图 5

Fig. 5

图 5 激光发射和接收系统 Fig. 5 Laser transmitting and receiving system

表 1Table 1)

表 1 透镜参数 Tab. 1 Lens parameters 表面 半径/mm 厚度/mm 玻璃 1 88.976 6.910 BK7 2 -655.498 22.200 3 39.726 9.700 BK7 4 -57.895 8.200 F2 5 529.615 51.212

表 1 透镜参数 Tab. 1 Lens parameters

从系统点列图和调制传递函数(MTF)评价设计的光学系统。

图 6点列图中的艾里斑半径为4.392 μm,从图中可以看出系统各个视场的均方根半径都小于3 μm,根据设计经验,当点列图中弥散斑的80%集中于艾里斑半径之内,可以认为系统是完善的。从图 7中可以看出,在50 lp/mm处的MTF为0.75,接近衍射极限。综上所述该光学系统设计合理,加工容易,成本低廉,可以用于人眼安全激光器的发射和接收部分。

图 6

Fig. 6

图 6 点列图 Fig. 6 Spot diagram

图 7

Fig. 7

图 7 调制传递函数 Fig. 7 Modulation transfer function

本文给出一种紧凑型人眼安全激光器的结构装置,该结构选择铝作为材料,能够减轻整体重量。此装置将调Q晶体Cr⁴⁺YAG、工作物质NdYAG晶体和非线性晶体KTP紧密结合,有效减少了整体长度,能够实现测距仪的小型化和轻量化。用Zemax软件设计了激光器的光学系统,并通过分析得知该光学系统各项指标符合测距仪的性能要求,可以用于人眼安全激光器的发射和接收。