CN101320132B - 高功率激光光束扩束器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高功率激光光束扩束用扩束镜，其主要技术特点是，将多根长度相等的光纤棒均紧密排列在壳体的腔体内并使端面分别构成输入、输出面；所述光纤棒为裸光纤，也可以采用小于单模光纤芯径的光学纤维；本发明既能够进行激光光束扩束，又能对激光束进行整形和稳定光束方向的作用。本发明的优点是，抗激光损伤阈值高，结构简单，可大大减小激光发射系统体积、重量。

Description

高功率激光光束扩束器

技术领域

本发明涉及一种激光扩束器，主要涉及一种高功率密度激光发射系统使用的扩束器，尤其是涉及一种可对高功率密度重复频率脉冲激光进行光束整形和光束指向稳定的扩束器。

背景技术

随着激光技术的发展，高功率重复频率脉冲激光在光电系统中的应用越来越多，成为提高整个光电武器系统作用距离与效能的重要技术措施。这类激光系统中存在的常见问题有：光学元件的激光损伤、激光光斑分布均匀性差、激光光束指向稳定性差、激光与其他光电系统光轴同轴度难以保证问题。这些问题直接影响激光系统作用效能的正常发挥。

工程上使用的重复频率脉冲激光器输出光束的能量分布通常为多模激光束，不能直接满足使用要求，也容易损伤探测器表面，需要激光发射系统对其进行光束整形、光束指向稳定、扩束和准直后，才能使发射激光满足在远距离处作用面一定的激光覆盖面积上的激光能量分布要求；这种激光发射系统的光学器件局部上要承受高功率密度的激光辐射，因而易于导致激光传输光路上光学器件的激光损伤和失效；在光电系统中，激光器的故障率通常最高，需要更换，更换后的激光光轴校准需要的时间较长，而且需要专用的设备和空间，这种现状与激光武器系统的快速维修性要求存在一定差距。随着国防科技对激光功率/能量增大需求的增加，高功率密度激光的需求会不断增加，激光对光学元件的损伤将会是制约高功率密度激光在光电系统中广泛使用的主要因素。随着光电系统对超视距目标探测要求的增加，对激光发射光轴的指向稳定性以及与光电系统其它光轴的同轴度要求增加。

传统的激光扩束系统是基于几何光学的原理，采用反向望远镜光学结构，典型的有反向透射伽利略式和反向折反卡塞格林式，其特点是起扩束作用的光学元件承载的激光功率密度最大，高功率密度激光在光学材料中的热透镜效应和光学器件表面的损伤，影响激光光束的光束指向稳定性、扩束效果；在重复频率脉冲激光的初始工作和稳定工作条件下，这种现象尤其严重；而且这种扩束器件在与激光器装配时需要与激光器输出镜间隔一段距离，光轴调整复杂。这种激光扩束系统，在通常情况下扩束比等于准直透镜组的焦距与扩束镜的焦距之比，焦距太短时调试困难，焦距太长易于导致激光发射天线的总的几何尺寸太长，对于远距离作用的激光发射系统易于形成“纵目”现象，不利于系统的整体体积重量的降低，对于小型化的激光发射系统不利。这种光学系统中采用的都是整块的光学器件，光学器件对光束的变换是线性变换，其输入输出图像(激光能量分布)满足物像公式，不能对多模激光实现光束的整形和光束指向稳定，工程上激光小目标作用系统要求激光光斑为能量均匀分布，而现有的传统扩束镜是基于成像光学原理制作，不能改善激光的光斑分布，需要另外设计光束整形器和指向稳定单元对激光束进行整形和指向稳定性；这种光学系统的光路是可逆的，对于瞄准它的光会产生“猫眼效应”，不利于光电武器系统的隐身，降低了战场生存能力。而且折反式的激光扩束发射系统输出的激光光斑，在激光传输光路上，激光光斑中心有能量空洞，存在盲区，导致漏探测。

国内外在激光光束的指向稳定性方面有大量的专利和文献报道，其主要方法有反馈式，通过分束法检测发射激光，再将检测信号反馈到自动控制光学系统的透镜，进行激光指向调整，保证发射系统发射激光光轴的指向稳定性。美国专利US006865034B1(Method and apparatus for eliminating alignment error inan optical system)公开了一种用于在光路中消除激光发射光轴热漂移的方法和仪器，该方法采用调校透镜进行微位移，消除由于热膨胀导致的侧向光轴漂移。在透镜的径向周围装有三个能反向变形的柔性电控器件，该器件的变形量由计算机中央处理设备提供控制信号。这种方法涉及机械结构、电学传感器、电信号的实时解算和反馈驱动电路，其设计环节复杂，不利于整个激光发射系统的小型化。

传统的激光光束整形方法有：对激光器输出激光的空间滤波(选模)法，激光谐振腔输出镜反射率高斯分布法，乳白玻璃的余弦修正法；激光光束整形的最新产品是德国的Molecular Technology Gmbh公司生产的光束整形器，该光束整形器可将激光器输出的高斯光束转换为平顶形状分布的光束(πshaper)，没有公开其内部光路的工作方式和器件的工作原理。

发明内容

本发明要解决的第一个技术问题是，为进行激光光束扩束提供一种采用光纤棒构成的具有高功率密度激光损伤阈值的扩束器。

本发明要解决的第二个技术问题是，所提供的扩束器不仅能够解决多模激光束的能量分布的均匀化问题，而且还可以起到稳定发射激光光轴的作用。

本发明要解决的第三个技术问题是，所提供的扩束器能够紧贴激光器输出镜装配，而且是激光光路不可逆。

为解决上述技术问题，本发明包括扩束镜、壳体。所述扩束镜由若干根单模光纤棒组成，也可以采用小于单模光纤芯径的光学纤维。所述壳体带有形状规则的通透腔体且腔体端面大于激光的照射光斑尺寸；所述的光纤棒为去掉涂敷层的裸光纤，并沿光轴方向紧密排列在壳体的腔体内，所有光纤棒的长度相等，且所有光纤棒的前端面与后端面分别对齐，均处在同一个平面内，若干根单模光纤棒的输入端面构成扩束镜的接收面，输出端面构成扩束镜的输出面。每根单模光纤棒对从光纤棒输入端入射的激光，从另一端输出到自由空间，每根光纤棒输出激光在自由空间的能量分布具有同一的规律，激光束散角得到扩大，且仅与单模光纤棒输出端的距离有关；单模光纤棒之间的每个缝隙构成空腔，激光穿过空腔后，在自由空间的能量分布具有同一的规律，激光束散角得到扩大，且仅与单模光纤棒输出端的距离有关。扩束后在近距离内激光光斑扩大很多，激光光斑内每一点的激光能量是扩束镜中每根光纤棒和每个空腔输出激光能量的叠加，大量光纤棒和空腔输出激光能量的叠加起到了对多模激光束的统计作用，类似于对随机事件的统计平均，使扩束后激光束的能量分布趋于一个较稳定的正态分布，起到对激光束进行扩束、整形和稳定光束方向的作用。

本发明的有益效果体现在以下几个方面。

(一)本发明的扩束镜主要由多根单模光纤棒构成，由于单模光纤棒的直径小，因而其单模光纤端面所能接收到的激光能量也小，而且单模光纤棒的纤芯直径远小于包层直径，纤芯折射率大于包层折射率。这样，照射到单模光纤棒的纤芯上的激光只能在纤芯中传输，照射到单模光纤棒的包层上的激光大部分只能在包层中传输，激光不能聚焦到一点，有效的降低了局部激光能量密度，由此提高了扩束镜的激光损伤阈值；

(二)采用了本发明扩束镜的扩束系统，其光路是不可逆的，大大降低了敌方激光搜索照射在该扩束系统上激光的回波反射能量，提高了隐身能力；

(三)本发明的单模光纤棒之间形成的空腔有利于空气的流动，起到了对扩束镜的散热作用；

(四)本发明可使经过扩束器的光纤棒和空腔输出的激光能量分布仅与单模光纤棒输出端的距离有关。在扩束器后大于三倍以上激光光斑直径的距离处，扩束后光斑的能量分布为正态分布，与扩束前激光的能量分布无关，因而可降低光电系统对激光器的模式要求，可减少激光器选模导致的能量损失，从而提高了整个激光系统的能量转换效率；

(五)本发明可使经过扩束器后激光光轴方向仅与单模光纤的安置方向有关。激光器输出激光光轴与光纤棒光轴基本同轴时，经过扩束器后，激光光束方向相对光纤棒光轴基本不变，从而降低了更换激光器时的光轴调校难度，提高了激光器的互换性，有利于整个光电系统的光轴调校，从而可缩短更换激光器时激光发射系统光轴的调校时间，同时还可提高不同使用环境条件下，激光发射系统首发输出激光光束的指向稳定性；

(六)本发明可使扩束后激光束的能量分布趋于一个较稳定的正态分布，其光斑中心位置的能量密度大，周围能量密度小，无能量空洞，且能量密度分布沿径向变化缓慢，因此，扩束镜起到了对激光束的整形作用。

(七)本发明的扩束器能够在近距离内，光斑数倍扩大，相当于缩短了传统扩束镜的焦距，进而可减小扩束准直激光发射系统的几何长度，减小了体积重量，有利于系统的小型化，可改变现在使用的激光发射天线的“纵目”现象。

附图说明

图1是本发明用于激光扩束镜的原理示意图。

图2是本发明用于高功率激光参数测量装置的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

实施例1  扩束镜：根据图1所示，本发明的优选实施例包括扩束器1、壳体2、镜管4、光学系统5。扩束器1采用一组相等长度的短的裸单模光纤棒11紧密排列而成，裸光纤棒沿轴向整齐排列在圆柱筒形的壳体2内，光纤棒输入/输出端面分别严格对齐。光纤棒采用市售单模光纤，去掉单模光纤涂敷层，将裸光纤用专用切割刀切成小段，长度5mm。壳体2包括防护镜7、压圈3、多个压片9和螺钉8。壳体2由内壁具有一个或多个沿轴向通槽的圆柱管，圆柱管的内径为Φ12mm，长度10mm，用于紧箍单模光纤棒11，圆柱管壁上正对每个通槽，距圆柱两端相等距离有一螺孔，一个或多个压片9和螺钉8均布，用于从侧面压紧固定光纤棒11；防护镜7采用Φ14mm的薄石英玻璃，也可用微晶玻璃，用于激光打在光纤棒11上时，阻止光纤棒11纵向移动；压圈3用于紧固防护镜7。镜管4用于连接壳体2和光学系统5，其长度满足光学系统5的焦平面位于扩束器1的输出面附近；镜管4长度25mm，内腔直径30mm，与壳体2固定连接。镜管4与光学系统5用压圈6紧固连接。光学系统5的焦距20mm、口径Φ25mm，对光束口径Φ10mm的激光，扩束后口径为25mm；光学系统5也可以用照相机镜头，微调照相机镜头焦距；实现对激光光束的扩束和准直。该扩束镜可用于激光照射器和对激光光束空间均匀性要求高的激光系统，也可用于标准激光光源系统。

实施例2  高功率激光参数测量装置：根据图2所示，本发明的优选实施例包括扩束器1、吸收腔12、冷却系统13、探测系统14。扩束器1与实施例1相同；吸收腔12为一圆柱型腔体，其腔体的内壁为锯齿型吸收纹，扩束器1安装在圆柱腔的一个底面中心，扩束器1的光纤棒光轴方向与圆柱腔同轴。冷却系统13紧贴吸收腔12，用于对吸收腔12进行冷却，使吸收腔12在吸收了激光能量后保持温度不变，同时减少腔体变形。探测系统14由干涉滤光片、探测器及其测量和数据处理系统组成，干涉滤光片的通带波长在激光波长上，探测器及其测量和数据处理系统用于对扩束和滤掉杂散光和激光器泵浦光后的激光信号探测，可以是快速光电单元探测器，测量激光功率/能量和时域参数；也可以是对扩束器1的输出端面成像的面阵探测器，用于测量激光光斑的空域参数，例如：激光光斑形状、指向稳定性等；也可以是多个光电探测系统同时测量；探测系统14安装在吸收腔12的另一底面上，其纵向距离扩束器输出端面根据被测激光的功率大小而定，随激光功率增加，距离加长，其探测系统14的径向位置位于扩束器1的两倍半径以外的圆周上。经过对该测量装置的准确定标可实现对高功率激光参数的精确测量。

该高功率激光参数测量装置具有损伤阈值高、面响应均匀性好的特点，而且有效的去除了激光器泵浦光对激光参数测量结果的影响。

Claims (3)

1.一种高功率激光光束扩束用扩束器，包括扩束镜[1]、壳体[2]；所述扩束镜[1]由若干根长度相等的单模光纤棒组成，所述光纤棒为去掉涂敷层的裸光纤棒；所述壳体[2]带有形状规则的通透腔体；所述光纤棒沿光轴方向紧密固定排列在壳体[2]的腔体内，且所有光纤棒的前端面对齐，处在一个平面内，所有光纤棒的后端面对齐，处在一个平面内；若干根光纤棒的输入端面构成扩束镜[1]的接收面，输出端面构成扩束镜[1]的输出面；光纤棒的纤芯、包层以及光纤棒之间的空腔均为激光的传输通道。

2.根据权利要求1所述高功率激光光束扩束用扩束器，所述扩束镜[1]也可以由若干根长度相等的光学纤维组成，所述光学纤维是芯径小于单模光纤棒芯径的光学纤维；所述光学纤维沿光轴方向紧密固定排列在壳体[2]的腔体内，且所有光学纤维的前端面对齐，处在一个平面内，所有光学纤维的后端面对齐，处在一个平面内；若干根光学纤维的输入端面构成扩束镜[1]的接收面，输出端面构成扩束镜[1]的输出面；每根光学纤维及其光学纤维之间的空腔均为激光的传输通道。

3.根据权利要求1所述高功率激光光束扩束用扩束器，其中所述壳体[2]还包括防护镜[7]、压圈[3]、多个压片[9]和螺钉[8]。

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