一种超轻型激光照射器的制作方法

本发明涉及一种激光照射装置，特别涉及一种具有光轴自动控制、目标指示和测距功能的超轻型激光照射器。

背景技术：

自激光问世以来，军事领域的需求始终引领着激光技术的发展。激光照射器是一种日趋成熟的军用激光设备，它向目标发射激光，制导弹药根据目标漫反射光束寻找目标，对其进行打击。传统激光照射器存在着体积大、质量大、功耗高等问题，并且不具备根据目标距离自动调整发射光束倾角的功能。

技术实现要素：

为了解决传统激光照射器存在的体积大、质量大、功耗高等问题，本发明提供一种具有光轴自动控制、目标指示和测距功能的超轻型激光照射器，其体积小、质量轻、功耗低，方便携带。

本发明的技术解决方案是提供一种超轻型激光照射器，其特殊之处在于：包括激光发射器1、激光接收与目视瞄准器2、激光测距模块3、光轴控制器4、投影显示器5及信号处理器6；

上述激光发射器1用于发射激光光束，照射目标；

上述激光接收与目视瞄准器2用于接收由目标漫反射的激光回波信号以及对选定目标进行观测和瞄准；

上述激光测距模块3用于根据发射信号和回波信号之间的时间差计算目标距离，并将计算结果发送至信号处理器6；

上述信号处理器6用于向激光发射器1发送驱动其出光的控制信号，并根据目标距离计算光轴控制角度，向光轴控制器4发送光轴控制角度控制命令，向投影显示器5发送目标距离和光轴控制角度的测算结果；

上述光轴控制器4根据光轴控制角度控制命令对光轴角度进行自动控制；

上述投影显示器5用于将目标距离和光轴控制角度的测算结果以及瞄准十字丝投影显示在使用者的目视瞄准视野中。

进一步地，上述激光发射器1包括沿光路依次设置的驱动电路11、固体激光器12及分光镜13，还包括设置在所述分光镜13透射光路中的第一雪崩二极管14及依次设置在所述分光镜13反射光路中的第一一维调整镜15与扩束镜组16；

上述驱动电路11与信号处理器6连接，用于根据信号处理器6发送的触发信号驱动固体激光器12发射激光光束；

上述固体激光器12用于在驱动电路11的驱动信号作用下发射激光光束；

上述分光镜13用于将固体激光器12发射的激光光束分为两束光；

上述第一雪崩二极管14用于接收透射通过分光镜13的激光，向激光测距模块3发送计时开始信号；

上述第一一维调整镜15用于调整被分光镜13反射并进入扩束镜组16的激光的出光方向；

为了扩束倍率大，较小发射系统的波像差，上述扩束镜组16包括沿光路依次设置曲率半径依次增大的三块镀有增透膜的透镜，用于扩大照射目标的激光光束直径。

进一步地，上述固体激光器12包括沿光路依次设置的半导体泵浦源121、耦合透镜组122、nd:yag晶体123、偏振片124、q开关125及部分反射镜126；

上述nd:yag晶体123为工作物质，其输入端镀有对泵浦光增透、对激光全反射的介质膜层；

上述半导体泵浦源121采用端面泵浦方式，激励nd:yag晶体123实现粒子数反转；

上述耦合透镜组122，用于将泵浦光聚光；

上述偏振片124，用于将工作物质辐射出的光束转化为线偏振光；

上述q开关125用于根据驱动电路11发出的驱动信号调制激光能量及脉冲；

上述部分反射镜126与nd:yag晶体123输入端的介质膜层共同组成光学谐振腔。

该固体激光器装置简单，泵浦光束与谐振腔模匹配良好，工作物质对泵浦光吸收更加充分。

进一步地，上述固体激光器12还包括半导体泵浦源散热器127用于对半导体泵浦源121进行散热；上述半导体泵浦源散热器127包括紫铜扩热板1271、温度传感器1272、tec1273、肋片式铜质散热器1274；

上述紫铜扩热板1271安装在半导体泵浦源121的底部；上述温度传感器1272安装在紫铜扩热板1271安装面，用于对半导体泵浦源121的工作温度进行监测反馈；上述tec1273的冷端紧贴紫铜扩热板1271的底部，tec1273的热端安装肋片式铜质散热器1274作为散热终端。

进一步地，上述固体激光器12还包括nd:yag晶体散热器128，用于对nd:yag晶体123进行散热；

上述nd:yag晶体散热器128包括用于安装nd:yag晶体123的铝制晶体支座1281及位于铝制晶体支座1281安装面上的散热风道1282。

进一步地，上述激光接收与目视瞄准器2包括沿光路依次设置的第二一维调整镜21、折转光路反射镜22、物镜组23、转像棱镜24及分光棱镜25，还包括位于分光棱镜25反射光路中的第二雪崩二极管26及位于分光棱镜25透射光路中的目镜组27；

上述第二一维调整镜21与第一一维调整镜15的镜面平行，用于接收由目标漫反射的激光回波信号并调整折转光路反射镜22的入射光方向；

上述折转光路反射镜22与分光镜13的镜面平行，用于将光路折转，使光路光轴与物镜组23、目镜组27共光轴；

上述物镜组23用于对所选定的目标进行成像，成倒立的实像；

上述转像棱镜24用于将物镜组23所成倒立的像上下翻转，使之正立；

上述分光棱镜25，用于反射接收的激光光束至第二雪崩二极管26及透射可见光波段至目镜组27用于目视瞄准；

上述第二雪崩二极管26用于接收分光棱镜25反射的激光光束即激光回波信号，向激光测距模块3发送计时停止信号；

上述目镜组27，用于将转像棱镜24所成的正立实像进一步放大，成正立的虚像。

进一步地，为了减小等效光程，上述转像棱镜24包括一块普罗2号转像棱镜，加工简单，无色散现象，旋向性不发生改变；为了提高成像质量，上述目镜组27包括两块胶合镜。

进一步地，上述光轴控制器4包括运动控制器41、直流伺服电机42、光电编码器43、蜗轮蜗杆44及镜座45，

上述镜座45用于安装镜面相互平行的第一一维调整镜15和第二一维调整镜21；

上述运动控制器41与信号处理器6连接，用于根据信号处理器6计算的光轴控制角度对直流伺服电机42的运动状态进行控制；

上述直流伺服电机42用于驱动镜座45的旋转，带动第一一维调整镜15和第二一维调整镜21旋转；

上述光电编码器43用于将直流伺服电机42的运动状态反馈至运动控制器41，实现闭环控制；

上述蜗轮蜗杆44用于将直流伺服电机42的运动传动至镜座45带动镜座45旋转。

进一步地，上述投影显示器5包括沿光路依次设置的显示屏51、投影聚光镜组52、分光棱镜25及目镜组27；上述投影显示器5与激光接收与目视瞄准器2共用分光棱镜25与目镜组27；

上述显示屏51与信号处理器6连接用于显示目标距离、光轴控制角度和瞄准十字丝；

上述投影聚光镜组52用于将显示屏51上呈现的信息放缩并成像至分光棱镜25；

上述分光棱镜25用于反射显示屏51波段的光至目镜组27；

上述目镜组27包括两块胶合镜，用于将分光棱镜25上的成像进一步放大，成正立的虚像。

进一步地，上述投影聚光镜组52包括沿光路依次设置的凸透镜521、第一胶合镜522、折轴镜523、凹透镜524及第二胶合镜525，用于将显示屏51上的信息放缩成像并折转光路，使所成的像投影在分光棱镜25上。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过信号处理器控制光轴控制器，实现光轴的自动控制；还具有激光测距模块，实现目标指示及测距功能；

2、本发明采用固体激光器，使得整个激光照射器的结构简单、体积小、质量轻；本发明的超轻型激光照射器外形尺寸160mm*120mm*70mm，质量0.8kg；

3、本发明固体激光器中还包括半导体泵浦源散热器及nd:yag晶体散热器，分别对半导体泵浦源于nd:yag晶体进行散热，其效果包括：(1)防止因温度过高而导致激光器阈值电流增大，进而引起激光器输出功率下降；(2)防止因温度过高而导致有源层材料的禁带宽度变窄，进而引起输出激光的波长向长波方向移动，即红移现象；

4、本发明激光发射器中的扩束镜组包括三块镀有增透膜的透镜，扩束倍率大，发射系统的波相差小。

附图说明

图1为本发明的超轻型激光照射器组成框图。

图2为本发明的激光发射器组成框图。

图3为本发明的激光发射器光路图。

图4为本发明的固体激光器组成框图。

图5为本发明的固体激光器组成示意图。

图6为本发明的半导体泵浦源散热器组成框图。

图7为本发明的晶体散热器组成框图。

图8为本发明的激光接收与目视瞄准器组成框图。

图9为本发明的激光接收与目视瞄准器光路图。

图10为本发明的光轴控制器组成框图。

图11为本发明的投影显示器组成框图。

图12为本发明的投影显示器光路图。

图中附图标记为：1-激光发射器，2-激光接收与目视瞄准器，3-激光测距模块，4-光轴控制器，5-投影显示器，6-信号处理器；

11-驱动电路，12-固体激光器，13-分光镜，14-第一雪崩二极管，15-第一一维调整镜，16-扩束镜组；

121-半导体泵浦源，122-耦合透镜组，123-nd:yag晶体，124-偏振片，125-q开关，126-部分反射镜，127-半导体泵浦源散热器，128-nd:yag晶体散热器；

1271-紫铜扩热板，1272-温度传感器，1273-tec，1274-肋片式铜质散热器；

1281-铝制晶体支座，1282-散热风道；

21-第二一维调整镜，22-折转光路反射镜，23-物镜组，24-转像棱镜，25-分光棱镜，26-第二雪崩二极管，27-目镜组；

41-运动控制器，42-直流伺服电机，43-光电编码器，44-蜗轮蜗杆，45-镜座；

51-显示屏，52-投影聚光镜组，521-凸透镜，522-第一胶合镜，523-折轴镜，524-凹透镜，525-第二胶合镜。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步的描述。

从图1可以看出，本发明超轻型激光照射器包括激光发射器1、激光接收与目视瞄准器2、激光测距模块3、光轴控制器4、投影显示器5及信号处理器6；其中，信号处理器6在电气上分别与激光发射器1、激光测距模块3、光轴控制器4、投影显示器5相连接；激光测距模块3还分别与激光发射器1、激光接收器2相连接。

从图2及图3可以看出，本发明的激光发射器1包括沿光路依次设置的驱动电路11、固体激光器12及分光镜13，还包括设置在分光镜13透射光路中的第一雪崩二极管14及依次设置在分光镜13反射光路中的第一一维调整镜15与扩束镜组16；其中，扩束镜组16包括曲率半径一次增大的三块镀有增透膜的透镜，驱动电路11在电气上与信号处理器6连接。

从图4及图5可以看出，本发明的固体激光器12包括沿光路依次设置的半导体泵浦源121、耦合透镜组122、nd:yag晶体123、偏振片124、q开关125及部分反射镜126，还包括半导体泵浦源散热器127、nd:yag晶体散热器128；

nd:yag晶体123为该激光器的工作物质，其输入端镀有对泵浦光增透、对激光全反射的介质膜层；部分反射镜126与nd:yag晶体123输入端的介质膜层共同组成光学谐振腔。

半导体泵浦源散热器127是半导体泵浦源121的散热装置，从图6可以看出，半导体泵浦源散热器127包括紫铜扩热板1271、温度传感器1272、tec1273、肋片式铜质散热器1274；紫铜扩热板1271安装在半导体泵浦源121的底部；温度传感器1272安装在紫铜扩热板1271安装面，用于对半导体泵浦源121的工作温度进行监测反馈；tec1273的冷端紧贴紫铜扩热板1271的底部，tec1273的热端安装肋片式铜质散热器1274作为散热终端。半导体泵浦源121的散热路径是：半导体泵浦源121——紫铜扩热板1271——tec1273冷端——tec1273热端——肋片式铜质散热器1274——环境热沉。

nd:yag晶体散热器128是nd:yag晶体123的散热装置，从图7可以看出，nd:yag晶体散热器128包括用于安装nd:yag晶体123的铝制晶体支座1281及位于铝制晶体支座安装面上的散热风道1282。铝制晶体支座1281起到支撑固定和热传导的作用，nd:yag晶体123的散热路径是：nd:yag晶体123——铝制晶体支座1281——散热风道1282——环境热沉。本发明的固体激光器12输出的激光脉冲束散角在0.125mrad以内，能量可达30mj，脉冲宽度10ns，能量不稳定性只有1.18％。

从图8及图9可以看出，激光接收与目视瞄准镜2包括沿光路依次设置的第二一维调整镜21、折转光路反射镜22、物镜组23、转像棱镜24及分光棱镜25，还包括位于分光棱镜25反射光路中的第二雪崩二极管26及位于分光棱镜透射光路中的目镜组27；其中第二一维调整镜21与第一一维调整镜15的镜面平行，折转光路反射镜22与分光镜13的镜面平行，物镜组23和目镜组27共光轴，且与固体激光器12出光方向平行。转像棱镜24选用普罗2号转像棱镜，其等效光程小，加工简单，无色散现象，旋向性不发生改变。目镜组27包括两块胶合镜，进一步提高成像质量。

从图10可以看出，光轴控制器4包括运动控制器41、直流伺服电机42、光电编码器43、蜗轮蜗杆44、镜座45。其中运动控制器41在电气上与信号处理器6相连接，镜座45上安装第一一维调整镜15和第二一维调整镜21。光轴控制器4的光轴调节范围是0-15°，控制精度是0.01°。

结合图11与图12可以看出，投影显示器5包括沿光路依次设置的显示屏51、投影聚光镜组52、分光棱镜25及目镜组27，其中显示屏51在电气上与信号处理器6相连接。该投影显示器5与激光接收与目视瞄准器2共用分光棱镜25、目镜组27。

本发明的工作过程如下：

激光发射器1的驱动电路11在信号处理器6发出的触发信号作用下产生驱动固体激光器12发射激光脉冲的信号。固体激光器12输出的直径3mm激光脉冲经过分光镜13后分为两个部分：一部分透过分光镜13进入第一雪崩二极管14转化为电信号并发送至激光测距模块3产生计时开始信号；另一部分被分光镜13反射，再通过第一一维调整镜15调整其光轴角度，然后通过由三片镀有增透膜的透镜组成的扩束镜组16，其光束直径增加到40mm，最后射向目标。

固体激光器12发射激光脉冲的详细过程如下：半导体泵浦源121采用端面泵浦方式，其发出的泵浦光通过耦合透镜组122后进入nd:yag晶体123，使nd:yag晶体123实现粒子数反转。nd:yag晶体123输出的光束经过偏振片124后成为线偏振光。线偏振光经过加上电压的q开关125后产生相位延迟，经部分反射镜126透射的光束被损耗，而被其反射后的光束再次通过q开关125又会产生相位延迟，最终得到偏振方向垂直于偏振片124偏振方向的线偏振光，因此其不能通过偏振片124。这种情况下固体激光器12不能振荡，激光上能级不断积累粒子。在驱动电路11发出的信号作用下，q开关125每隔一定的时间撤去电压，则产生的光束能够在nd:yag晶体123输入端的全反射介质膜层和部分反射镜126之间来回振荡，最终产生高能量短脉冲激光。

由目标漫反射回来的激光和自然光组成的混合光被激光接收与目视瞄准器2接收。混合光首先通过第二一维调整镜21调整其光轴角度，再通过折转光路反射镜22的反射后，其传播方向与物镜组23、目镜组27光轴方向平行。混合光经过物镜组23后，其成像发生上下翻转，因此采用转像棱镜24将物镜组23所成的像再做一次上下翻转。随后，混合光经过分光棱镜25并分为两个部分，激光回波被分光棱镜25反射进入第二雪崩二极管26转化为电信号并发送至激光测距模块3产生计时停止信号；自然光透过分光棱镜25并通过目镜组27成像，方便操作人员对目标进行观察和目视瞄准。

激光测距模块3根据计时开始信号和计时停止信号之间的时间间隔计算出目标距离，并将计算结果发送至信号处理器6。信号处理器6根据目标距离计算光轴角度，然后向运动控制器41发送光轴角度控制命令。运动控制器41接到命令后对直流伺服电机42的转子角位置进行闭环控制，其控制精度依靠光电编码器43的角位置信息反馈来保证。直流伺服电机42带动蜗轮蜗杆44，使镜座45转动，进而带动安装在镜座45上的第一一维调整镜15和第二一维调整镜21转动相同的角度，使二者的镜面始终平行。这样即可保证在改变发射光束倾角的过程中，第二一维调整镜21的反射光方向始终不发生改变。

在控制光轴角度的同时，信号处理器6将目标距离和光轴角度发送至显示屏51，显示屏51显示的目标距离、光轴角度和瞄准十字丝通过投影聚光镜组52成像，再经过分光棱镜25反射至目镜组27成像，从而使操作人员可以在瞄准视野中看到瞄准十字丝以及目标距离、光轴角度信息。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中一些技术特征做出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。