鬼像的考虑和处理

       大功率激光光学系统中含有透镜、偏振片、窗口等多个光学表面，激光束在系统中光学表面多次残余反射是这类系统中杂散光与鬼像的主要来源。由于折射面的多次反射的杂散光被系统中元件反射或折射在系统中或系统外不能会聚，因此造成像面背景噪声；多次反射的杂散光被系统中元件反射或折射在系统中或系统外汇聚为实像，称为“鬼像”。如果鬼像位于光学元件附近，能量可能较为集中，将使元件产生热变形，影响输出光束的质量，甚至损坏光学元件。因此，鬼像分析是大功率激光光学系统设计的重要问题。

       以往的杂散光分析一般采用对系统展开的方法，即当光线从第一面入射到第二面，再反射回第一面时，后一个“第一面”作为第三面来处理。如果系统只有两个面，计算这个一次反射鬼像就需要构造一个有三个面的新的光学系统，称为鬼像系统。这样计算若干个鬼像就要首先构造若干个鬼像系统，当光学系统结构比较复杂、面数较多时，采用这种方法将占用大量的时间和内存。虽然国际上知名的商业软件如ZEMAX和CODE V等均具有杂散光分析的功能，但仍然以分析二次反射鬼像为主，这对于激光光学系统是不能满足要求的。因为大功率激光光学系统中的多次反射鬼像也可能具有较高的能量，需要在设计时加以排除。

       当一束光入射于某光学表面，如果正常光路是透射，则反射光束将形成鬼像，于是一束光经过一个透射表面将变为两束光，然后再对这两束光分别进行光线追迹。为全面描述系统中杂散光束的传播情况，并捕捉鬼像点，可以采用二叉树数据结构，它具有在内存中随机开辟空间，可按照杂散光传播路径动态建立、动态删除的特点。采用的杂散光分析二叉树如图1所示。

       由图1可知，二叉树的一个结点就代表入射于某表面的一条光线或一束光，对这束光的描述构成了该结点的数据域或数据成分。同时，每个结点均有三个指针域，可称之为左指针、右指针和父指针，它们分别指向经反射后的下一束光，经透射后的下一束光和产生该光束的来源光。这样，对于任何一个光学系统，入射于系统第一面的光束构成了这棵二叉树的树根，这束光经第一面的光线追迹确定了反射光和透射光，得到了根结点的两个子结点，其中右子结点表征透射光，入射于第二面，以此类推继续进行光路计算，直至达到需要计算的最高反射次数或认为能量衰减到可以忽略不计为止。

       当通过光线追迹，可以获知鬼像的数目及其位置，将形成鬼像的所有光线及其能量记录下来，就可以得知各鬼像处的能量密度。参考系统中光学元件的损伤阈值，可以得出各鬼像处的能量密度。参考系统中光学元件的损伤阈值，可以得出各鬼像的影响区域，即置于影响区域内的光学元件将会受到损伤，光学元件应尽量避开鬼像的影响区域。

       对于激光光电系统，为了避免鬼像而造成损失，提高光束质量的主要措施为对每一个光学元件进行光学检验，其中包括对材料性能、冷加工、镀膜等工序的审核，尽可能地降低因光学原件材料质量或冷加工缺陷等因素所造成的损耗。计算分析由于光学元件表面对激光光束的一次或多次反射并经会聚或放大所后产生的鬼像。虽然在一般情况下，这类鬼像的强度较弱，尚不足以引起对光学元件的损伤，但是，在高功率高强度激光放大系统中，尤其在双程放大系统中，则不能忽视。采取必要的手段，对有可能因鬼像造成损伤的局部区域或位置，或有可能产生鬼像损伤的光学元件，加以重点关注。如在巨型激光器中的双程主放大器中的后反射镜，其剩余反射率的镀膜要求应比一般光学件高出半个至一个数量级。