CN102213833A - 高占空比类卡塞格林型光束合成装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种高占空比类卡塞格林型光束合成装置，能够实现多路平行光束的高占空比拼接。这种紧凑型光束合束器的设计方法结合了旋转抛物面的几何特性和卡塞格林光束变换系统的结构特点，其技术要点在于合束器由两套反射镜组成，分立的入射反射镜和集成的出射反射镜，两套反射镜空间排布成卡塞格林光束变换系统，各反射镜均为平面镜，其中心排布在两个共轴线、共焦点、同方向的旋转抛物面上，镜面的法线方向为旋转抛物面在该处的法线方向。采用本发明设计的合束器的缩束比、占空比有清晰、明确的数学描述，可广泛的应用于多光束的相干合成、非相干合成以及其它涉及光束合成的领域，具有较大的应用前景。

Description

高占空比类卡塞格林型光束合成装置

技术领域

本发明提供一种多光束、高占空比、紧凑型光束合束器的设计方法，能够实现多路平行光束的高占空比拼接。这种紧凑型光束合束器的设计方法可广泛应用于多光束的相干合成、非相干合成以及其它涉及光束合成的领域。

背景技术

随着激光技术应用领域的不断扩大，对激光输出功率和光束质量的要求越来越高。在诸多领域，单路激光的功率、亮度已不能满足应用需求。将多束激光进行相干合成、非相干合成是提升激光亮度、功率的重要途径。在光束的相干合成和非相干合成中，输出光束排布的占空比对最终合成效果有十分重要的影响。此处，定义占空比为光束尺寸与光束排列周期的比值；定义缩束比为入射光束的占空比与出射光束的占空比的比值。目前普遍采用将各光束的输出准直系统直接拼接的方法实现合束，由于单一光束的准直输出系统存在镜片支撑装置，导致直接拼接时光束占空比较低，而且对支撑装置的尺寸要求苛刻。迄今还未见到可以实现任意多路平行光束高占空比拼接、结构紧凑、工艺简单，易于装配调试的合束方法的报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以实现多光束高占空比类似卡塞格林型的拼接的合束器的设计方法。该光束合成装置由两套反射镜组成，分立的入射反射镜与集成的出射反射镜。各反射镜均为平面镜，其中心排布在旋转抛物面上，镜面的法线方向为旋转抛物面在该处的法线方向；两套反射镜空间排布成卡塞格林光束变换系统。

光束合成装置由两套反射镜构成，在同一块基体上加工而成出射反射镜和分立的入射反射镜，两套反射镜构成卡塞格林光束变换系统，结构紧凑、稳定；分立的入射反射镜的位置、角度可以调整，一方面可以随时校准，另一方面可以通过调节镜面角度实现合成光束的共形发射。

各个出射反射镜在同一块基体上研磨、抛光、镀膜而成；将垂直于基体轴线方向的密接正六边形阵列沿轴线方向投影到基体上，将正六边形的六个顶点的投影点所在的平面研磨出来即可，一方面采用现代数控加工工艺很容易实现，另一方面出射光束的占空比即为光束尺寸与相邻正六边形之间的距离的比值，可将占空比提高到很高的水平。

在三维空间直角右手系中，设各个入射反射镜位于旋转抛物面I上，其中心的坐标分别为(x′₁，y′₁，z′₁)，(x₂′，y₂′，z₂′)，……，(x_n′，y_n′，z_n′)；各个出射反射镜分布在旋转抛物面II上，其中心的坐标分别为(x₁，y₁，z₁)，(x₂，y₂，z₂)，……，(x_n，y_n，z_n)。旋转抛物面I、II的曲面方程分别为

旋转抛物面I $y^2+z^2=-2p^{\′}(x-\frac{p^{\′}-p}{2});$ (p’为抛物面焦点到准面的距离)    (1)

旋转抛物面II y²+z²＝-2px；(p为抛物面焦点到准面的距离)    (2)

两个旋转抛物面关于X轴旋转对称，并且共焦点于

图1给出了p’＝6，p＝2的情况下，在XOY平面内合束器的示意图。

入射反射镜和出射反射镜在YOZ平面内等间隔排布，排布周期分别为T₁，T₂，即：

$\sqrt{{({y^{\′}}_i-{y^{\′}}_{i-1})}^2+{({z^{\′}}_i-{z^{\′}}_{i-1})}^2}=T_1---\left(3\right)$

$\sqrt{{(y_i-y_{i-1})}^2+{(z_i-z_{i-1})}^2}=T_2---\left(4\right)$

由旋转抛物面的光学性质可知，当阵列光束平行于X轴入射到入射反射镜的中心(x′_i，y′_i，z′_i)后，向焦点

反射，由于出射反射镜与入射反射镜共焦点放置，光束阵列经过出射反射镜反射后，平行于X轴出射，保证了平行阵列光束入射的情况下，平行光束出射，如图1所示。入射点(x′_i，y′_i，z′_i)、出射点(x_i，y_i，z_i)、焦点

三点共线，即，

$\frac{{x^{\′}}_i+\frac{p}{2}}{x_i+\frac{p}{2}}=\frac{{y_i}^{\′}}{y_i}=\frac{{z_i}^{\′}}{z_i}---\left(5\right)$

考虑到入射点(x′_i，y′_i，z′_i)和出射点(x_i，y_i，z_i)分别位于旋转抛物面I和II上，结合(1)式和(2)式得到，

${x^{\′}}_i=\frac{{y^{\′}}_i^2+{z^{\′}}_i^2}{-2p^{\′}}+\frac{p^{\′}-p}{2}---\left(6\right)$

$x_i=\frac{y_i^2+z_i^2}{-2p}---\left(7\right)$

将(6)式和(7)式代入(5)式得到，

$\frac{{y_i}^{\′}}{y_i}=\frac{{z_i}^{\′}}{z_i}=\frac{p^{\′}}{p}---\left(8\right)$

详细的推导过程如下：(6)式、(7)式代入(5)式后，得到

$\frac{\frac{{y^{\′}}_i^2+{z^{\′}}_i^2}{-2p^{\′}}+\frac{p^{\′}-p}{2}+\frac{p}{2}}{\frac{y_i^2+z_i^2}{-2p}+\frac{p}{2}}=\frac{{y_i}^{\′}}{y_i}=\frac{{z_i}^{\′}}{z_i}$

$\frac{{y^{\′}}_i^2+{z^{\′}}_i^2-p^{\′2}}{y_i^2+z_i^2-p^2}=\frac{p^{\′}\·{y_i}^{\′}}{p\·y_i}=\frac{p^{\′}\·{z_i}^{\′}}{p\·z_i}$

${\left(\frac{{y^{\′}}_i^2+{z^{\′}}_i^2-p^{\′2}}{y_i^2+z_i^2-p^2}\right)}^2={\left(\frac{p^{\′}\·{y_i}^{\′}}{p\·y_i}\right)}^2={\left(\frac{p^{\′}\·{z_i}^{\′}}{p\·z_i}\right)}^2$

$\frac{{({y^{\′}}_i^2+{z^{\′}}_i^2)}^2+p^{\′4}-2\·({y^{\′}}_i^2+{z^{\′}}_i^2)\·p^{\′2}}{{(y_i^2+z_i^2)}^2+p^4-2\·(y_i^2+z_i^2)\·p^2}=\frac{{(p^{\′}\·{y_i}^{\′})}^2}{{(p\·y_i)}^2}=\frac{{(p^{\′}\·{z_i}^{\′})}^2}{{(p\·z_i)}^2}$

$\frac{{({y^{\′}}_i^2+{z^{\′}}_i^2)}^2+p^{\′4}+2\·({y^{\′}}_i^2+{z^{\′}}_i^2)\·p^{\′2}}{{(y_i^2+z_i^2)}^2+p^4+2\·(y_i^2+z_i^2)\·p^2}=\frac{{(p^{\′}\·{y_i}^{\′})}^2}{{(p\·y_i)}^2}=\frac{{(p^{\′}\·{z_i}^{\′})}^2}{{(p\·z_i)}^2}$

${\left(\frac{{y^{\′}}_i^2+{z^{\′}}_i^2+p^{\′2}}{y_i^2+z_i^2+p^2}\right)}^2={\left(\frac{p^{\′}\·{y_i}^{\′}}{p\·y_i}\right)}^2={\left(\frac{p^{\′}\·{z_i}^{\′}}{p\·z_i}\right)}^2$

$\frac{{y^{\′}}_i^2+{z^{\′}}_i^2+p^{\′2}}{y_i^2+z_i^2+p^2}=\frac{p^{\′}\·{y_i}^{\′}}{p\·y_i}=\frac{p^{\′}\·{z_i}^{\′}}{p\·z_i}$

结合 $\frac{{y^{\′}}_i^2+{z^{\′}}_i^2-p^{\′2}}{y_i^2+z_i^2-p^2}=\frac{p^{\′}\·{y_i}^{\′}}{p\·y_i}=\frac{p^{\′}\·{z_i}^{\′}}{p\·z_i}$ 得到

$\frac{p^{\′2}}{p^2}=\frac{p^{\′}\·{y_i}^{\′}}{p\·y_i}=\frac{p^{\′}\·{z_i}^{\′}}{p\·z_i}$

即， $\frac{{y_i}^{\′}}{y_i}=\frac{{z_i}^{\′}}{z_i}=\frac{p^{\′}}{p},$ 那么，缩束比表示为

$R=\frac{T_1}{T_2}=\frac{\sqrt{{y^{\′}}_i^2+{z^{\′}}_i^2}}{\sqrt{y_i^2+z_i^2}}=\frac{p^{\′}}{p}---\left(9\right)$

合束器的缩束比由旋转抛物面的面型参数P’、P决定，这样便可根据缩束需要，灵活设定旋转抛物面的面型、布置反射镜。

本发明的优点在于：

1、不改变入射光束的尺寸，只压缩光束之间的距离，可将占空比提高到接近1的水平。

2、原理清晰可靠，可根据需要灵活设定、调整缩束比。

3、系统结构紧凑；可实现平行合束方式与共形发射方式的灵活转变，在平行合束方式中，可保证平行光束阵列入射的情况下，出射光束阵列亦为平行光束，并且不改变入射光束的光轴方向。

4、充分利用了旋转抛物面的数学特征和现代数控加工技术的优势，加工、装配、检测相对简单。

5、系统集成度高、调整方便，抗干扰性、环境适应性强；用途广泛，可用于多光束的相干合成、非相干合成及其他需要光束合成的领域。

附图说明

图1为采用本发明提供的方法设计的18路光束合束器在XOY平面内的示意图

图2为采用本发明提供的方法设计的18路光束合束器在YOZ平面内的示意图

图3为采用本发明提供的方法设计的18路光束合束器的出射反射镜的加工示意图

具体实施方式

由于入射反射镜与出射反射镜均为平面镜，光束合束装置并不改变光束的宽度(设为w)，只是压缩了光束之间的距离。光束合束装置的各个反射镜按照旋转抛物面排布成卡塞格林光束变换系统。各个出射反射镜在一块表面为旋转抛物面的锥体上研磨抛光而成；各个入射反射镜为分立的平面反射镜，位置和角度由对应的出射反射镜决定。具体的实现方案如下：

1、根据光束宽度w和光束路数N，制作一个反射镜基体，其面型为旋转抛物面，将基体放置到三维空间直角右手系O-XYZ中，使其对称轴与X轴重合，顶点位于坐标原点处。其中，旋转抛物面顶点与焦点的距离即为p/2，这样便得到了参数P和旋转抛物面在空间直角右手系中的曲面方程(2)式。

2、为提高合成光束的占空比，出射反射镜在YOZ平面内以正六边形的方式密集排布，相邻反射镜之间的间距T₂略大于光束宽度，如图2所示，即，

$T_2=\sqrt{{(y_i-y_{i-1})}^2+{(z_i-z_{i-1})}^2}\≥w$ (略大于)    (10)

根据图2的排布方式，确定出射反射镜在YOZ平面内的坐标(y_i，z_i)；进一步根据曲面方程(2)式，确定出射反射镜的三维坐标(x_i，y_i，z_i)，这样，阵列光束经过出射反射镜反射后占空比便可达到w/T₂的水平。

3、出射反射镜的镜面法线方向与旋转抛物面II在(x_i，y_i，z_i)点的法线方向相同。根据(2)式，可以计算得到位于(x_i，y_i，z_i)点的镜面的法线方向为(p，y_i，z_i)。围绕(x_i，y_i，z_i)点的周围，在出射反射镜的基体上研磨出各个六边形的平面反射镜，并使其法线方向为(p，y_i，z_i)。事实上，将YOZ平面内的正六边形蜂窝状的网格沿X轴投影到旋转抛物面II上后，每个正六边形的六个顶点的投影点仍然在同一个平面上，并且这个平面的法线方向就是(p，y_i，z_i)。因此，在实际加工中，只要将正六边形顶点的六个投影点所在的平面研磨出来即可。在目前数控加工工艺水平下，很容易实现出射反射镜镜面的加工，加工后的出射反射镜如图3所示。

4、根据入射光束的占空比和出射光束的占空比w/T₂确定缩束比R；由(9)式和参数p确定参数p’和旋转抛物面I的曲面方程(1)式；由各个出射反射镜的坐标(x_i，y_i，z_i)结合(8)式和(1)式确定各个入射反射镜的三维坐标(x′_i，y′_i，z′_i)。

5、入射反射镜的镜面法线方向与旋转抛物面I在(x′_i，y′_i，z′_i)点的法线方向相同。根据(1)式，可以计算得到位于(x′_i，y′_i，z′_i)点的镜面的法线方向为(-p′，-y_i，-z_i)。将分立的入射反射镜布置在(x′_i，y′_i，z′_i)点，使其镜面法线方向为(-p′，-y_i，-z_i)，这样便完成了整个卡塞格林合束器的装配。

在实际使用过程中，由于出射反射镜是在一整块基体上加工而成，因此各个出射反射镜的相对位置是固定的；而分立的入射反射镜通常会存在位置误差和角度误差，这就要求在使用过程中注意调节、校正入射反射镜的位置和角度。另外，鉴于分立的入射反射镜的灵活性，还可以很方便的通过调节镜面角度实现合成光束的共形发射。

Claims (4)

1.高占空比类卡塞格林型光束合成装置，能够实现多路平行光束的高占空比拼接，其特征在于，该光束合成装置由两套反射镜组成，分立的入射反射镜和集成的出射反射镜，两套反射镜空间排布成卡塞格林光束变换系统，各反射镜均为平面镜，其中心排布在旋转抛物面上，镜面的法线方向为旋转抛物面在该处的法线方向。

2.根据权利要求1所述的高占空比类卡塞格林型光束合成装置，其特征在于，该光束合成装置由两套反射镜构成，在同一块基体上加工而成出射反射镜和分立的入射反射镜，分立的入射反射镜的位置、角度可以调整，一方面可以随时校准，另一方面可以通过调节镜面角度实现合成光束的共形发射。

3.根据权利要求1所述的高占空比类卡塞格林型光束合成装置，其特征在于，各个出射反射镜在同一块基体上研磨、抛光、镀膜而成；将垂直于基体轴线方向的密接正六边形阵列沿轴线方向投影到基体上，将正六边形的六个顶点的投影点所在的平面研磨出来即可。

4.根据权利要求1所述的高占空比类卡塞格林型光束合成装置，其特征在于，具体的实现方案如下：

(1)、根据光束宽度w和光束路数N，制作一个大小适中、材料适宜的反射镜基体，其面型为旋转抛物面，将基体放置到三维空间直角右手系O-XYZ中，使其对称轴与X轴重合，顶点位于坐标原点处；

(2)、为提高合成光束的占空比，出射反射镜在YOZ平面内以正六边形的方式密集排布，相邻反射镜之间的间距T₂略大于光束宽度；

(3)、出射反射镜的镜面法线方向与旋转抛物面II在(x_i，y_i，z_i)点的法线方向相同；

(4)、根据入射光束的占空比和出射光束的占空比w/T₂确定缩束比R；

(5)、入射反射镜的镜面法线方向与旋转抛物面I在(x′_i，y′_i，z′_i)点的法线方向相同，将分立的入射反射镜布置在(x′_i，y′_i，z′_i)点，使其镜面法线方向为(-p′，-y_i，-z_i)，这样便完成了整个卡塞格林合束器的装配。

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