CN101382665A - 相干光束同轴合成的方法 - Google Patents

Abstract

一种相干光束同轴合成的方法，其特点是包括下列步骤：①将一束p偏振光和一束s偏振光经过一块偏振合束镜同轴地合为一束椭圆偏振光；②然后经过一块1/4波片和一块1/2波片将所述的椭圆偏振光变为一束s偏振光或一束p偏振光；③该合成的s偏振光或p偏振光按上述步骤①和步骤②的方法继续与其他p偏振光或s偏振光合束，采用多级合成的方式，达到多束激光同轴相干合成的目的。本发明实现多束相干激光束的合成具有原理简单、容易实现、合成效率高、光束质量好和通用性强等特点。

Description

相干光束同轴合成的方法

技术领域

本发明与激光技术相关，特别是一种相干光束同轴合成的方法，以高效率地提高合成光束的能量并保持良好的光束质量。

技术背景

随着激光在国防、科研、工业生产等领域的应用逐步加大，对大功率、高光束质量的激光束的需求也日益迫切。但是由于各种激光器受到不同机制或条件的限制，其输出功率的提高总是有限的，而且单个激光器的输出功率与光束质量成反比。如固体激光器在高强度输出时，其增益介质的非线性效应和热效应明显严重，产生的热致双折射及热透镜效应使输出功率的进一步提高受到了限制，甚至损坏或破坏增益介质及输出镜等元件，同时光束质量下降。尽管采取一些措施来改善这种情况，如使用板条形的增益介质，或者采用传统的行波放大技术，但是最终都不能完全摆脱热效应的影响，使输出功率不能大幅度的提高。再如：光纤激光器具有结构紧凑、光束质量好和输出稳定等优点，但是，大功率的输出系统仍然受到了掺杂光线的非线性效应，光学损伤及热效应的限制。一般来说，大幅度提高一个激光器的输出功率是相当困难的，而且费用昂贵。

发明内容

本发明的目的是提供一种相干光束同轴合成的方法，该方法实现多束相干激光束的合成具有原理简单、容易实现、合成效率高、光束质量好和通用性强等特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种相干光束同轴合成的方法，其特点是包括下列步骤：

①将一束p偏振光和一束s偏振光经过一块偏振合束镜同轴地合为一束椭圆偏振光；

②然后经过一块1/4波片和一块1/2波片将所述的椭圆偏振光变为一束s偏振光或一束p偏振光；

③该合成的s偏振光或p偏振光按上述步骤①和步骤②的方法继续与其他p偏振光或s偏振光合束，最终实现多束相干光束的合成。

所述的第①步的调整方法是：

先精确定位所述的偏振合束镜，使待合成的p偏振光透过所述的偏振合束镜，待合成的s偏振光经一高反射镜的反射后入射到所述的偏振合束镜的出射面并与透过所述的偏振合束镜的待合成的p偏振光的光斑重合，使被所述的偏振合束镜反射的s偏振光和透过该偏振合束镜的p偏振光在空间叠加，在目视精度内保证叠加的光束在近场和远场的光斑尺寸与所述的p偏振光或s偏振光的光束尺寸相同；

再通过干涉条纹观察方法进一步调整，确保两束光完全叠加在一起并形成一束具有稳定偏振态的椭圆偏振光：当所述的p偏振光和s偏振光经过所述的偏振合束镜后成为合成光束，在该合成光束中插入一个检偏器，该检偏器的光轴不同于所述的p偏振光和s偏振光的振动方向，在该检偏器后，垂直于所述的合成光束传播方向的平面上观察等厚干涉条纹，通过微调夹持所述的高反射镜的镜架的微调螺母，使干涉条纹逐渐稀疏并最终消失，这时所述的p偏振光和s偏振光在叠加处具有近似相等的波前，即两束光在空间叠加很好并形成一束具有稳定偏振态的椭圆偏振光。

所述的镜架为普通的二维光学调整架。

所述的第②步的调整方法是：

通过检偏器和功率计判断所述合成光束的椭圆偏振光的主轴方向；

在所述椭圆偏振光的合成光束中依次插入一块1/4波片、一块1/2波片和一个偏振分束器，要求所述的1/4波片的光轴与所述的椭圆偏振光的主轴平行；

旋转所述的1/2波片并用功率计测量透过所述的偏振分束器的光束的强度，当所述的1/2波片旋转到某一个角度时，所述的功率计测得光束的强度最小甚至为0，说明此时所述的p偏振光和s偏振光已合成为一束s偏振光；当所述的1/2波片旋转到某一个角度时，所述的功率计测得光束的强度最大，则说明此时所述的p偏振光和s偏振光已合成为一束p偏振光；

所述的1/2波片定位后，移开所述的偏振分束器。

所述的待合成的p偏振光和s偏振光是任何激光器输出的同频率且相位差恒定的偏振光束。

所述的p偏振光和s偏振光是多纵模的，在叠加时，两光束的几何传播路程差要控制在一定范围内以获得很高的合成效率。

所述的偏振合束镜是偏振平板或偏振棱镜。

所述的1/4波片也可以是薄膜型90°相位延迟片。

所述的1/2波片也可以是法拉第旋光器。

本发明具有以下优点：

1、本发明利用偏振光的偏振转换原理实现多光束的相干合成，原理简单，容易实现。

2、本发明可以将多束激光合成一束相干光束，并具有较高的光束合成效率。

3、本发明属于同轴光束合成技术，在合成的光束的横截面上每一点的光强放大了相同的倍数，所以合成光束的相对强度分布与单元光束相同，光束质量不会下降。

4、本发明属于相干光束合成技术，但是不需要精密探测单元光束之间的相位差，也不需要精确控制单元光束之间的相位差为0，降低了相干合成的实施难度。

5、本发明属于外腔光束合成技术，不受到特定的激光器的限制，可适用于固体激光器，光纤激光器，半导体激光器，化学激光器等多种激光器，具有广泛的适用性。

6、本发明既可用于单纵模的合成，也可用于多纵模合成的情况。

附图说明

图1是本发明相干光束同轴合成的方法的原理及装置示意图

图2是通过干涉条纹调节两束光完全叠加的装置的示意图

图3是本发明的一个应用实施例，基于主振荡多级放大的四束相干光束同轴合成的结构示意图

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明相干光束同轴合成的方法的原理及装置示意图，由图可见，本发明相干光束同轴合成的方法，包括下列步骤：

①将一束p偏振光和一束s偏振光经过一块偏振合束镜P1同轴地合为一束椭圆偏振光；

②然后经过一块1/4波片Q1和一块1/2波片H1将所述的椭圆偏振光变为一束s偏振光或一束p偏振光；

③该合成的s偏振光或p偏振光按上述步骤①和步骤②的方法继续与其他p偏振光或s偏振光合束，最终实现多束相干光束的合成。

所述的第①步的调整方法是：

先精确定位所述的偏振合束镜P1，使待合成的p偏振光透过所述的偏振合束镜P1，待合成的s偏振光经一高反射镜R1的反射后入射到所述的偏振合束镜P1的出射面并与透过所述的偏振合束镜P1的待合成的p偏振光的光斑重合，使被所述的偏振合束镜P1反射的s偏振光和透过该偏振合束镜P1的p偏振光在空间叠加，在目视精度内保证叠加的光束在近场和远场的光斑尺寸与所述的p偏振光或s偏振光的光束尺寸相同；

再通过干涉条纹观察方法进一步调整，确保两束光完全叠加在一起并形成一束具有稳定偏振态的椭圆偏振光：参见图2，当所述的p偏振光和s偏振光经过所述的偏振合束镜P1后成为合成光束，在该合成光束中插入一个检偏器2，该检偏器2的光轴不同于所述的p偏振光和s偏振光的振动方向，在该检偏器2后，垂直于所述的合成光束传播方向的平面上观察等厚干涉条纹，通过微调夹持所述的高反射镜R1的镜架3的微调螺母，使干涉条纹逐渐稀疏并最终消失，这时所述的p偏振光和s偏振光在叠加处具有近似相等的波前，即两束光在空间叠加很好并形成一束具有稳定偏振态的椭圆偏振光。

所述的镜架3为普通的二维光学调整架。

所述的第②步的调整方法是：

通过检偏器和功率计判断所述合成光束的椭圆偏振光的主轴方向；

参见图1，在所述椭圆偏振光的合成光束中依次插入一块1/4波片Q1、一块1/2波片H1和一个偏振分束器P2，要求所述的1/4波片Q1的光轴与所述的椭圆偏振光的主轴平行；

旋转所述的1/2波片H1并用功率计1测量透过所述的偏振分束器P2的光束的强度，当所述的1/2波片H1旋转到某一个角度时，所述的功率计1测得光束的强度最小甚至为0，说明此时所述的p偏振光和s偏振光已合成为一束s偏振光；当所述的1/2波片H1旋转到某一个角度时，所述的功率计1测得光束的强度最大，则说明此时所述的p偏振光和s偏振光已合成为一束p偏振光；

所述的1/2波片H1定位后，移开所述的偏振分束器P2。

该过程在充气隔振光学平台上实施的。图1中虚线框包含的结构为合成单元U1，是实现多束光合成的基本结构。

在实施例中，要求参与合成的p偏振光和s偏振光的光斑尺寸相等且波阵面平行。

在实施例中，偏振分束器P2也可以是检偏器，其作用是判断1/2波片H1的光轴方位角定位在何位置时合成的光束达到理想的要求。偏振分束器P2不是最终合成光路中的元件，当1/2波片H1定位后，移开偏振分束器P2。

参见图3，图3是本发明的一个应用实施例，基于主振荡多级放大的四束相干光束同轴合成的结构示意图，目的是描述一个主振荡多级放大结构产生的四束相干光的偏振合成装置和步骤。图中：由激光光源M1，准直透镜L1，起偏器4，分光镜S1，S2，S3，相同的激光放大介质A1，A2，A3，A4以及1/2波片H2和H4等构成了主振荡多级放大系统，产生具有相同频率并且相位关系固定的四束高能量相干光束B1，B2，B3和B4。其中激光光源M1的输出光束具有良好的光束质量；准直透镜L1是为了将激光光源M1发出的球面波转变成平面波，以消除合成时由于光束的传播路程不等引起的高斯光束径向相位差的影响；起偏器4的透光轴与p偏振光的偏振方向平行。光束B1和B4分别经光轴45度放置的1/2波片H2和1/2波片H4后成为s偏振光，然后分别与光束B2和光束B4经过合成单元U2和合成单元U3后成为s偏振光和p偏振光，其中s偏振光经高反射镜R4反射后与p偏振光通过偏振合束镜P5后合为一束输出光束，实现了4束光的合成。很明显，通过拓展图3的结构可以实现更多束光的同轴合成。

在实施例中，主振动多级放大系统的作用是提供多束高能量的相位锁定的相干激光束。其他任何具有相同作用的结构或系统都可代替该主振动多级放大系统。

在实施例中，合成单元U2和合成单元U3与图1中的单元合成单元U1的结构相同属于同一过程。相关标号的意义是：R2和R3为高反射镜，P3和P4为偏振合束镜，Q2和Q3为1/4波片，H3和H5为1/2波片。

经分析和实验表明：本发明可以实现多束相干光束的合成，并且不需要对各光束的相位或光束之间的相位差进行复杂的检测或精密控制。合成光束的功率或能量大幅提高的同时，保持了和单光束相同的光束质量。适用于单纵模光束的合成，也适合于多纵模光束的合成，还能用于多种激光器的光束合成。具有原理简单、容易实现、合成效率高、光束质量好和通用性强等特点。

Claims (9)

1、一种相干光束同轴合成的方法，其特征在于包括下列步骤：

①将一束p偏振光和一束s偏振光经过一块偏振合束镜(P1)同轴地合为一束椭圆偏振光；

②然后经过一块1/4波片(Q1)和一块1/2波片(H1)将所述的椭圆偏振光变为一束s偏振光或一束p偏振光；

③该合成的s偏振光或p偏振光按上述步骤①和步骤②与其他p偏振光或s偏振光合束，最终实现多束相干光束的合成。

2、根据权利要求1所述的相干光束同轴合成的方法，其特征在于所述的第①步的调整方法是：

先精确定位所述的偏振合束镜(P1)，使待合成的p偏振光透过所述的偏振合束镜(P1)，待合成的s偏振光经一高反射镜(R1)的反射后入射到所述的偏振合束镜(P1)的出射面并与透过所述的偏振合束镜(P1)的待合成的p偏振光的光斑重合，使被所述的偏振合束镜(P1)反射的s偏振光和透过该偏振合束镜(P1)的p偏振光在空间叠加，在目视精度内保证叠加的光束在近场和远场的光斑尺寸与所述的p偏振光或s偏振光的光束尺寸相同；

再通过干涉条纹观察方法进一步调整，确保两束光完全叠加在一起并形成一束具有稳定偏振态的椭圆偏振光：当所述的p偏振光和s偏振光经过所述的偏振合束镜(P1)后成为合成光束，在该合成光束中插入一个检偏器(2)，该检偏器(2)的光轴不同于所述的p偏振光和s偏振光的振动方向，在该检偏器(2)后，垂直于所述的合成光束传播方向的平面上观察等厚干涉条纹，通过微调夹持所述的高反射镜(R1)的镜架(3)的微调螺母，使干涉条纹逐渐稀疏并最终消失，这时所述的p偏振光和s偏振光在叠加处具有近似相等的波前，即两束光在空间叠加很好并形成一束具有稳定偏振态的椭圆偏振光。

3、根据权利要求2所述的相干光束同轴合成的方法，其特征在于所述的镜架(3)为普通的二维光学调整架。

4、根据权利要求1所述的相干光束同轴合成的方法，其特征在于所述的第②步的调整方法是：

通过检偏器和功率计判断所述合成光束的椭圆偏振光的主轴方向；

在所述椭圆偏振光的合成光束中依次插入一块1/4波片(Q1)，一块1/2波片(H1)和一个偏振分束器(P2)，要求所述的1/4波片(Q1)的光轴与所述的椭圆偏振光的主轴平行；

旋转所述的1/2波片(H1)并用功率计(1)测量透过所述的偏振分束器(P2)的光束的强度，当所述的1/2波片(H1)旋转到某一个角度时所述的功率计(1)测得光束的强度最小甚至为0，说明此时所述的p偏振光和s偏振光已合成为一束s偏振光；当所述的1/2波片(H1)旋转到某一个角度时，所述的功率计(1)测得光束的强度最大，则说明此时所述的p偏振光和s偏振光已合成为一束p偏振光；

所述的1/2波片(H1)定位后，移开所述的偏振分束器(P2)。

5、根据权利要求1所述的相干光束同轴合成的方法，其特征在于所述的待合成的p偏振光和s偏振光是任何激光器输出的同频率且相位差恒定的偏振光束。

6、根据权利要求1所述的相干光束同轴合成的方法，其特征在于所述的p偏振光和s偏振光是多纵模的，在叠加时，两光束的几何传播路程差要控制在一定范围内以获得很高的合成效率。

7、根据权利要求1所述的多束偏振激光束同轴合成的方法，其特征在于所述的偏振合束镜(P1)是由偏振平板或偏振棱镜构成的对入射的p偏振光高透对入射的s偏振光高反的合束镜，。

8、根据权利要求1所述的相干光束同轴合成的方法，其特征在于所述的1/4波片(Q1)可用薄膜型90°相位延迟片代替。

9、根据权利要求1所述的相干光束同轴合成的方法，其特征在于所述的1/2波片(H1)可用法拉第旋光器代替。

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