[文献速递Vol.104]-用于天基激光空间碎片清除任务的光学设...

太空越来越容易发生涉及过时轨道物体的事故。至今，太空中各种大小的碎片总数超过7500万枚，质量约为6500吨；其中，77%的空间碎片集中在低地球轨道（LEO），其中轨道高度900km和1400 km处有较高的集中度。对于大型碎片（尺寸超过10厘米），可采用卫星避碰机动避让目标，或设置专门的在轨保护飞行器，使卫星周围的空间碎片脱离轨道。而对于小型碎片（尺寸小于1厘米），可采用坚固结构，同时加强卫星外部装甲作为解决方案。对于中型碎片，本文提出一种高能脉冲激光器清除选定区域周围有害碎屑的光学系统设计方案。高功率脉冲、高频率和超精细的望远镜给超远距高功率激光空间碎片清除（SLDR）系统提供了可能性。为实现高精度的跟踪和发射，大功率SLDR系统的光学系统由高分辨率目标探测望远镜和激光发射望远镜组成。在光学设计阶段，应充分考虑系统的紧凑性、高分辨率性能和高精度杂散光抑制能力。

本文介绍了一种大功率SLDR系统的光学设计和杂散光控制结构设计。在光学设计阶段，从杂散光抑制的角度出发，于第2节着重分析了主镜的后截距和主镜的横向位移之间的关系。并进行后续光学系统性能分析、介绍涂层的注意事项以及后续公差分析。本文研究探测器曝光时间和信噪比关系得到系统杂散光抑制要求。介绍了“本机”散射模型的初步分析结果、双向散射分布函数（BSDF）数据的分析结果分析结果。第7节介绍了大功率SLDR系统的光学设计和杂散光控制的结论。

图1. 共用光路设计的光学布局示意图。

考虑到系统体积的限制，为实现高能激光对空间碎片的跟踪、瞄准和精确照射，目标探测望远镜和发射望远镜采用共用光路设计。

图2. 探测光路设计图。

两反离轴缩束系统采用无焦Mersene–Gregorian设计，中间像面位于主镜和次镜的中间焦面上，便于设置视场孔径。七个透镜组成三组，形成“正-负-正”结构，有效地校正场曲率。两正一负结构承受总光功率，更有利于校正球差。

图3. 绿色曲线表示后视镜的净光圈。黑色的直线表示上光线。金色的直线表示较低的光线。蓝色字母d是目标探测望远镜的入瞳直径。为合理设置h和l，F、G和h三个点应在一条直线上，如红色虚线所示。

当三个点F、G和H在一条直线上时，视场外杂光（OFS）直接照射在45°反射镜上，通过设计的挡板阻挡，OFS到达探测器的概率被降至最低。根据F、G和H三个点所在的直线方程，可以得到主镜的后截距和横向位移之间的关系。

图4. 主镜的后截距和横向位移之间的关系。

从图4可以看出，减小主镜的后截距和横向位移是相互矛盾的，不可能同时实现系统的轴向和径向减小。可根据系统总体尺寸的限制要求，合理平衡两者。考虑到780 mm离轴主镜的支撑结构、主镜底板的厚度以及45°反射镜的支撑结构，主镜的横向位移设置为250 mm，然后主镜的后截距设置为589 mm。以下是光学设计结果。

图5. 光学设计点列图（RMS直径小于10um）。

图6. 包围圆能量分布曲线（80%能量在2*2个像元内）。

图7. 初始分析结果和分析结果与实测 BSDF 数据的 PST 曲线比较。

文章链接：

https://doi.org/10.1364/AO.432386