激光周向探测光学系统Zemax仿真

关键词：Zemax；激光引信；光束整形；周向探测；光学仿真

一、文章简要介绍

激光引信要精准引爆战斗部，前提是短距离内看清目标从哪个方向过来。传统方案要么堆一堆激光收发模块做全方位覆盖，要么靠电机带着镜子转——前者系统复杂、稳定性差，后者怕电磁干扰。这篇文章（Chen等，2025，Scientific Reports，DOI: 10.1038/s41598-025-07471-y）提出一种完全静态的透射-反射组合光学方案：入射高斯光束先被整形为平顶光束，再经锥面镜和抛物柱面镜变成一圈均匀的锥形探测光束，实现360度周向覆盖，全程无运动部件，功耗还不到1瓦。

图1是系统原理图：高斯激光经两片非球面透镜整形为平顶光束，经空心全反射镜进入反射整形模块，由固定锥面镜偏转90度形成径向均匀探测场，再经聚焦镜和可调锥面镜会聚为指定前倾角的静态周向探测视场。

二、仿真步骤

步骤一：透射式平顶光束整形设计（Zemax序列模式）。根据等能量分割原理，让入射高斯光束每个环带内的能量等于输出平顶光束对应环带的能量，推导出入射投影高度R1与出射投影高度R2的映射关系。设定切趾因子q=2、波长905纳米、入瞳半径9毫米、束腰半径6.36毫米、平顶光束半径16.8毫米后，把映射数据通过REAY操作数输入Zemax，用ANAR操作数优化准直，得到两片平凸高次非球面（K9玻璃）组成的整形系统。

图2展示了透射平顶光束的整形原理：入射高斯能量分布（中间强、边缘弱）通过两片非球面透镜重新分配能量，输出为孔径内强度均匀的平顶分布，显著提升目标照射效率。

步骤二：反射式周向探测场设计（几何光线追迹）。反射系统由固定锥面镜、抛物柱面镜和可动锥面镜三部分组成，都是绕光轴旋转的曲面。平顶光束在系统内经三次反射聚焦到离轴点F1，在焦平面上形成半径为r的环形光束。通过推导锥面镜锥角α、轴向位移L与环半径、光束前倾角的解析关系，确定反射镜的几何参数。

图3是反射式周向整形系统结构：固定锥面镜半顶角45度，抛物柱面镜负责会聚，可动锥面镜可沿光轴平移或改变锥角，从而连续调节周向探测光束的前倾角与环半径。

步骤三：非序列模式实体建模与光机验证（Zemax非序列模式）。把设计好的透射整形系统和反射整形系统组合为完整非序列实体模型，设置905纳米半导体激光光源，追迹光线到探测器平面，评估焦平面和离焦平面上的光强分布。

图4是Zemax非序列模式下的实体模型：抛物柱面镜长度与固定锥面镜高度匹配，整体结构紧凑，便于加工装配，同时降低系统尺寸。

步骤四：性能指标评估。在非序列模式中，基于焦平面辐照度分布计算三项关键指标：能量均匀性RMS误差、峰值强度偏差、焦斑直径变化，定量验证整形效果。

三、关键结果与发现

第一，Zemax序列模式仿真显示，透射整形系统输出的平顶光束空间均匀性优异：入射高斯光束能量集中在中心，整形后能量均匀铺开，光斑RMS误差仅3.2%，峰值强度偏差控制在均值正负4.5%以内，环形方向光斑直径变化小于2%。

图5是Zemax序列模式下的整形结果：左列为入射高斯光束的能量分布与强度剖面（中间凸起），右列为整形后平顶光束（顶部平坦），对比直观。

第二，非序列模式仿真验证了反射系统的周向整形能力：若高斯光束跳过整形直接进入反射系统，离焦后环形光束能量会不对称集中；而平顶光束经反射整形后，离焦平面上强度保持均匀，探测精度和抗干扰能力显著提升。

图6是Zemax非序列模式的光强分布仿真：焦平面和离焦平面上环形光束的能量分布均匀，与高斯直射方案相比优势明显。

第三，参数影响规律清晰：锥面镜位移对光束尺寸影响有限，适合精调；锥角变化对光束尺寸影响显著，适合粗调探测范围。回波仿真还表明，回波幅度随发射功率、锥角、位移和目标投影面积增大而增大，其中锥角影响最明显。

图7对比了锥面镜锥角与轴向位移对焦平面环形光束尺寸的影响：锥角主导探测范围调节，位移用于精细调焦，二者结合可灵活配置周向探测视场。