CN102299473A - 可扩展的多台激光器复合系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可扩展的多台激光器复合系统,包括三台不同波长的激光器、安装在每一台激光器腔外的腔外准直透镜、第一光学滤波器和第二光学滤波器,三台激光器通过第一个光学滤波器和第二个光学滤波器合并成一束激光束输出。本发明设计合理,采用多台不同波长的激光器和光学滤波器实现在大光谱范围内波长相差超过100纳米甚至更大的不同波长的多台激光器的输出复合成单一激光束输出,具有性能稳定可靠、成本低廉、尺寸小、易于安装及生产等特点,可广泛应用于生物、医疗器械和光纤传感器网络等领域中。
Description
技术领域
本发明属于激光技术领域,尤其是一种可扩展的多台激光器复合系统。
背景技术
自从上世纪六十年代的第一台红宝石激光器问世用来,激光技术和各类应用得到了迅猛的发展。常用的激光器的波长已覆盖了从小于100纳米的短波长到超过10微米的长波长的一个大的光谱范围。但是,一般的激光器都是单一波长输出,尽管有些可调谐激光器可以在一定的光谱范围内实现波长调谐,但调谐范围一般只有几十纳米,因此,要实现在一台激光器中实现多波长输出,并能对每一个输出波长的功率进行单独控制,不仅在技术上有很大的难度,对有些特定的多波长要求,在理论上都是不可能的,同时也存在成本高、尺寸大且不便于生产等缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种低成本、尺寸小、易于生产且性能高的可扩展的多台激光器复合系统。
本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的:
一种可扩展的多台激光器复合系统,包括三台不同波长的激光器、安装在每一台激光器腔外的腔外准直透镜、第一光学滤波器和第二光学滤波器,第一个光学滤波器放置在第一台激光器的输出光束的光轴上并与第一台激光器的输出光束成45度夹角,第二台激光器安置在与第一台激光器成90度的方向上且其输出光束方向和第一个光学滤波器成45度夹角;第二个光学滤波器放置在第一个光学滤波器后并在第一个光学滤波器合成的激光束的光轴上,第二个光学滤波器与第一个光学滤波器平行并与上述合成激光束成45度角;第三台激光器安置在第二台激光器后并与其平行的同一侧方向上,三台激光器通过第一个光学滤波器和第二个光学滤波器合并成一束激光束输出。
而且,在每一台激光器的腔外准直透镜与光学滤波器之间依次安装有光隔离器和可调光衰减器,光学隔离器和可调光衰减器的光学特性满足所对应的激光器的输出光谱特性。
而且,所述的三个激光器的波长逐级递增或逐级递减。
而且,所述的光学滤波器是一种基片为光学玻璃的阶跃式多层介质薄膜滤波器,其中的第一个通光面镀多层光学介质增透膜,第二通光面镀多层介质反射膜。
而且,第一个光学滤波器的第一和第二通光面对第一台激光器的输出为全透射,第一个光学滤波器的第二通光面对第二台激光器的输出为全反射;第二个光学滤波器的第一和第二通光面对第一台激光器和第二台激光器的输出为全透射,第二个光学滤波器的第二通光面对第三台激光器的输出为全反射。
一种可扩展的多台激光器复合系统,包括三台不同波长的激光器、安装在每一台激光器腔外的腔外准直透镜、第一光学滤波器和第二光学滤波器,第一个光学滤波器放置在第一台激光器的输出光束的光轴上并与第一台激光器的输出光束成45度夹角,第二台激光器安置在与第一台激光器成90度的方向上且其输出光束方向和第一个光学滤波器成45度夹角;第二个光学滤波器放置在第一个光学滤波器后并在第一个光学滤波器合成的激光束的光轴上,第二个光学滤波器与第一个光学滤波器垂直并与上述合成激光束成45度角;第三台激光器安置在第二台激光器后并与其平行的相反方向上,三台激光器通过第一个光学滤波器和第二个光学滤波器合并成一束激光束输出。
而且,在每一台激光器的腔外准直透镜与光学滤波器之间依次安装有光隔离器和可调光衰减器,光学隔离器和可调光衰减器的光学特性满足所对应的激光器的输出光谱特性。
而且,所述的三个激光器的波长逐级递增或逐级递减。
而且,所述的光学滤波器是一种基片为光学玻璃的阶跃式多层介质薄膜滤波器,其中的第一个通光面镀多层光学介质增透膜,第二通光面镀多层介质反射膜。
而且,第一个光学滤波器的第一和第二通光面对第一台激光器的输出为全透射,第一个光学滤波器的第二通光面对第二台激光器的输出为全反射;第二个光学滤波器的第一和第二通光面对第一台激光器和第二台激光器的输出为全透射,第二个光学滤波器的第二通光面对第三台激光器的输出为全反射。
本发明的优点和积极效果是:
1、本激光器复合系统采用多台不同波长的激光器和光学滤波器实现在大光谱范围内波长相差超过100纳米甚至更大的不同波长的多台激光器的输出复合成单一激光束输出,光学滤波器采用了成本低、工作稳定和性能优越的多层介质膜光学滤波器大大降低了整体激光器系统的成本,也有利于提高了整体系统的工作性能,与此同时,多层介质膜光学滤波器对于光波长的选择范围广、波长选择灵活。
2、本激光器复合系统可以在不改变已有系统的基础上,增加不同波长的激光器进行扩展,由于多层介质膜光学滤波器的光学插入损耗低,使得把三个以上激光器的输出复合起来成为可能。
3、本发明具有性能稳定可靠、成本低廉、尺寸小、易于安装及生产等特点,可广泛应用于生物、医疗器械和光纤传感器网络等领域中。
附图说明
图1是现有的两台激光器复合系统的示意图;
图2是两束激光光束在多层介质膜光学滤波器中的传播示意图;
图3是两台激光器复合系统的各个激光器的输出光谱示意图;
图4是两台激光器复合系统中光学滤波器的透射率曲线示意图;
图5是本发明的一种多台激光器复合系统的示意图;
图6是三束激光光束在两个多层介质膜光学滤波器中的传播示意图;
图7是图5中各个激光器的输出光谱示意图;
图8是图5中第一个光学滤波器的透射率曲线示意图;
图9是图5中第二个光学滤波器的透射率曲线示意图;
图10是在图5中增加光隔离器和可调光衰减器的无位移补偿的三台激光器复合系统的示意图;
图11是本发明的另一种多台激光器复合系统的示意图;
图12三束激光光束在有位移补偿的两个光学滤波器中的传播示意图;
图13是在图11中增加光隔离器和可调光衰减器的有位移补偿的三台激光器复合系统的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。
图1是一个两台激光器复合系统200的连接示意图,该激光器复合系统200包括激光器2、激光器200、准直透镜6、准直透镜16和光学滤波器12。激光器2和激光器20具有不同的输出光谱30和32,如图2所示。激光器2和激光器20的输出光束4和18分别通过准直透镜6和16后,成为准直光束8和14。准直光束8经过光学滤波器12的第一个通光面12a折射后,成为光束10,再经过光学滤波器12的第二个通光面12b折射后输出。光学滤波器12的两个通光面12a和12b对激光器2输出的光束全透射,因此,激光器2的输出光束4几乎能够全部透过光学滤波器12。在实际系统中,由于吸收和散射等原因,光学滤波器12会引入一些光插损,这些插损一般不大于1%。光学滤波器12的第二个通光面12b对激光器20输出的光束全反射,准直光束14经光学滤波器12的第二个通光面12b全反射后和激光器2的输出光束透过光学滤波器12合并成为输出光束22。图3显示了光学滤波器12的第二个通光面12b的透射率曲线。具有这种透射率曲线的光学滤波器常被称为“阶跃式”滤波器。如图4所示,由于光学滤波器12有一定的厚度H,因此,激光器2的输出光束4透过光学滤波器12后会产生一个横向位移D。根据图2可以得出:D=(H/cosβ)sin(45°-β),β可以用下面的公式计算得到:n1是光滤波器12对激光器2的输出光束的光学材料的折射率系数,n0是入射光线8所在空间的折射率系数。一般可以假设在空气中,则n0=1。对于不同波长的入射光线,n1是不同的,因此,横向位移D也就不同。
图5是第一种多台激光器复合系统300的示意图。该系统300是在系统200的基础上扩展而来的,其与系统200相比,增加了第三台激光器44和第二个光滤波器36。第三台激光器44的输出光束42经准直透镜40后的准直光束38被第二个光学滤波器36的第二个通光面36b全反射,和光束22透过光学滤波器36的光束合并后成为光束46。因此,光束46包含了激光器2,20和44三台激光器的输出光束,其光谱如图6所示。为了实现上述三台激光器输出光束的合并,光学滤波器36的第一个通光面36a和第二个通光面36b必须是对激光器2,20的输出光束全透射;第二个通光面36b必须是对激光器44的输出光束全反射。光学滤波器36的第二个通光面的透射率曲线如图8所示。为了便于说明,把第一个光学滤波器12的第二个通光面12a的透射率曲线34重新示于图7中。从图6,7和8中可以看出,激光器20的波长比激光器2的波长要长,激光器44的波长比激光器20的波长要长。这样设计的结果是,光学滤波器36的第二个通光面36b的透过率曲线78也类似于光学滤波器12的透过率曲线34,即“阶跃式”式滤波器。而这种“阶跃式”式滤波器的制造难度比其他透射率曲线的多层介质膜滤波器要低一些。这是采用后级增加的激光器的波长比前一级激光器的波长要长的主要原因。但各个激光器输出光谱的波长间隔不必相等。也可以采用激光器的波长依次递减的方法,同样可以利用这种“阶跃式”式的滤波器实现较为简单的多波长复合。如果激光器的波长不是依次递增或依次递减,则使得对光滤波器的两个通光面的透射率要求变得复杂。
多台激光器复合系统300是无位移补偿的多台激光器复合系统,其存在的一个缺点是由光学滤波器12和36造成的横向位移没有得到补偿,而是累加的。如图9所示。光束8和光束46的横向距离是第一个滤波器12所造成的位移D和第二个滤波器36所造成的横向位移E的相加,即D+E。假设滤波器36和滤波器12有相同的厚度H,则累积横向位移是随着滤波器数量的增加而等比例增加。所以,系统300一般适合于数量小于5台的多台激光器复合系统。另外,由于光束22中包含从激光器2和20输出的两束具有不同波长的光束8和14,滤波器36对光束8和14的材料折射率不同,因此,光束46中光束8和14会有一定的发散性。波长相差越大,发散角就越大。因此,系统300中的各个激光器的波长不宜相差太大。
多台激光器复合系统400是对图5所示系统300的进一步扩充,如图10所示,该系统400是在系统300中的每一台激光器2,20,和44的输出光路中分别增加了光隔离器50,56和60以及可调光衰减器52,54和58。光隔离器50,56和60起到防止反射光反馈回到中激光器2,20,和44中,从而影响激光器的稳定工作。可调光衰减器52,54和58则可以对激光器2,20,和44的输出进行单独控制,从而在复合光束46中实现单一或多台激光器输出,并且每一台激光器的输出的光强可以单独控制。这种功能在很多应用中是需要的。
第二种多台激光器复合系统500,如图11所示,该系统500为有位移补偿的多台激光器复合系统,系统500的前两台激光器100和118的输出经光滤波器110的复合的原理和图5所示的系统300中前两台激光器2和20的输出经光滤波器12的复合是完全一样的,其与系统300的不同之处在于第二个光滤波器132的放置。在图5所示的系统300中的第二个光滤波器36和第一个光滤波器12是平行放置的,因此,产生了复合光束46相对于第一台激光器的输出光束8的横向位移问题,而图11所示系统中的第二个光滤波器132和第一个光滤波器110成90度直角放置,其第二个反射面132b就转向了激光器118相反的另一侧,第三台激光器124相应的也被放置在激光器118的相反的另一侧才能实现和激光器100,118输出光束通过光滤波器110和132的复合。由于光滤波器110和132的垂直放置,复合后的光束134和第一台激光器106的输出光束106的横向位移为零,如图12所示。这个特点有利于进行激光器数量等于或超过3台的奇数扩展复合系统,如激光器的数量为3,5,7,9等,或者说所需的光滤波器的数量为偶数时如2,4,6等。当然,如果系统500的扩展中,采用了奇数数量的光滤波器(可实现复合的激光器数量则为偶数),那么,也会产生相当于一个光滤波器产生的横向位移。
多台激光器复合系统600是对图11所示系统的进一步扩充,如图13所示,该系统是在系统500中的每一台激光器100,118,和124的输出光路中分别增加了光隔离器140,146和148以及可调光衰减器142,144和150。光隔离器140,146和148分别起到防止反射光反馈回到激光器100,118,和124中,从而影响激光器的稳定工作。可调光衰减器142,144和150则可以分别对激光器100,118,和124的输出进行单独控制,从而在复合光束134中实现单一或多台激光器输出,并且对每一台激光器的输出的光强可以单独控制。这种功能在很多应用中是需要的。
系统600中的每个光学滤波器对透过的光束产生一定的横向位移,因光学滤波器被相互放置成垂直状态,由前一级光学滤波器产生的横向位移被后一级光学滤波器补偿。因此,第二种设计方案更有效地克服了第一种设计方案中位移累积的缺点,适合于更多台激光器复合系统。由于前面已经提到的原因,系统500中的各个激光器的波长不宜相差太大。
上述说明仅起演示和描述的作用,并不是一个详细无遗漏的说明,也没有意图将本发明限制在所描述的具体形式上。经过上面的描述,对本发明的许多改动和变化都可能出现,例如采用更多的激光器和光学滤波器。所选择的具体实施仅仅是为了更好的解释本发明的原理和实际中的应用。这个说明能够使熟悉此领域的人可以更好的利用本发明,根据实际需要设计不同的具体实施和进行相应的改动。
Claims (10)
1.一种可扩展的多台激光器复合系统,其特征在于:包括三台不同波长的激光器、安装在每一台激光器腔外的腔外准直透镜、第一光学滤波器和第二光学滤波器,第一个光学滤波器放置在第一台激光器的输出光束的光轴上并与第一台激光器的输出光束成45度夹角,第二台激光器安置在与第一台激光器成90度的方向上且其输出光束方向和第一个光学滤波器成45度夹角;第二个光学滤波器放置在第一个光学滤波器后并在第一个光学滤波器合成的激光束的光轴上,第二个光学滤波器与第一个光学滤波器平行并与上述合成激光束成45度角;第三台激光器安置在第二台激光器后并与其平行的同一侧方向上,三台激光器通过第一个光学滤波器和第二个光学滤波器合并成一束激光束输出。
2.根据权利要求1所述的可扩展的多台激光器复合系统,其特征在于:在每一台激光器的腔外准直透镜与光学滤波器之间依次安装有光隔离器和可调光衰减器,光学隔离器和可调光衰减器的光学特性满足所对应的激光器的输出光谱特性。
3.根据权利要求1或2所述的可扩展的多台激光器复合系统,其特征在于:所述的三个激光器的波长逐级递增或逐级递减。
4.根据权利要求1所述的可扩展的多台激光器复合系统,其特征在于:所述的光学滤波器是一种基片为光学玻璃的阶跃式多层介质薄膜滤波器,其中的第一个通光面镀多层光学介质增透膜,第二通光面镀多层介质反射膜。
5.根据权利要求1或4所述的可扩展的多台激光器复合系统,其特征在于:第一个光学滤波器的第一和第二通光面对第一台激光器的输出为全透射,第一个光学滤波器的第二通光面对第二台激光器的输出为全反射;第二个光学滤波器的第一和第二通光面对第一台激光器和第二台激光器的输出为全透射,第二个光学滤波器的第二通光面对第三台激光器的输出为全反射。
6.一种可扩展的多台激光器复合系统,其特征在于:包括三台不同波长的激光器、安装在每一台激光器腔外的腔外准直透镜、第一光学滤波器和第二光学滤波器,第一个光学滤波器放置在第一台激光器的输出光束的光轴上并与第一台激光器的输出光束成45度夹角,第二台激光器安置在与第一台激光器成90度的方向上且其输出光束方向和第一个光学滤波器成45度夹角;第二个光学滤波器放置在第一个光学滤波器后并在第一个光学滤波器合成的激光束的光轴上,第二个光学滤波器与第一个光学滤波器垂直并与上述合成激光束成45度角;第三台激光器安置在第二台激光器后并与其平行的相反方向上,三台激光器通过第一个光学滤波器和第二个光学滤波器合并成一束激光束输出。
7.根据权利要求6所述的可扩展的多台激光器复合系统,其特征在于:在每一台激光器的腔外准直透镜与光学滤波器之间依次安装有光隔离器和可调光衰减器,光学隔离器和可调光衰减器的光学特性满足所对应的激光器的输出光谱特性。
8.根据权利要求6或7所述的可扩展的多台激光器复合系统,其特征在于:所述的三个激光器的波长逐级递增或逐级递减。
9.根据权利要求1所述的可扩展的多台激光器复合系统,其特征在于:所述的光学滤波器是一种基片为光学玻璃的阶跃式多层介质薄膜滤波器,其中的第一个通光面镀多层光学介质增透膜,第二通光面镀多层介质反射膜。
10.根据权利要求6或9所述的可扩展的多台激光器复合系统,其特征在于:第一个光学滤波器的第一和第二通光面对第一台激光器的输出为全透射,第一个光学滤波器的第二通光面对第二台激光器的输出为全反射;第二个光学滤波器的第一和第二通光面对第一台激光器和第二台激光器的输出为全透射,第二个光学滤波器的第二通光面对第三台激光器的输出为全反射。
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