CN102608764A - 一种基于光束指向稳定控制的多光束孔径拼接合成系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于光束指向稳定控制的多光束孔径拼接合成系统，包括多路激光器和扩束准直器、多个倾斜镜和反射镜、一个底座、一个光束合成传感器、分光镜、一套控制计算机和一个多路倾斜镜放大电源。它利用台阶状的底座和多个反射镜的异形设计，实现高占空比的多路光束合成；利用光束合成传感器探测每路光束的抖动和漂移，并利用多个倾斜镜实现每路光束的光轴稳定控制，实现多路光束高精度的光束合成。该系统可用于光纤激光和固体激光的多路光束合成发射，也可用于多路激光通信等场合。由于可以实现每路光束的动态随机抖动和漂移的控制，也可用于车辆、船舶、飞机等运动平台上。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于光束指向稳定控制的多光束孔径拼接合成系统，它能够对每路光束的光轴位置进行测量和光束稳定闭环控制，实现高占空比和高精度的光束稳定合成。这种多路光束稳定合成系统可广泛应用于多路光纤和固体激光的光束合成发射领域，以及多路光通信领域。
背景技术
随着激光技术的应用领域不断扩大，在光纤激光和固体激光的多路光束合成发射领域，以及多路激光通信领域，都需要用到多路光束合成技术。光束合成技术，即将多路激光的能量进行累加，如果不考虑其光束之间的相位以及光束之间的相干性问题，而只是单纯的将多个光束在远场进行能量上的叠加，就是非相干合成技术。
非相干合成对各路光束的波长，线宽，偏振态，相位均没有要求，而仅仅将其简单合成为一束，使其具有相同方向的波矢；而在相位上，各路激光互不干涉，因此，对于N路功率一致的光束而言，实施非相干合成之后的平均光强将提高N倍。该技术的关键是控制好每路光的光轴，使每路光保持一致的发射方向。同时为了充分利用光学系统的口径，要使拼接后光束排列紧密，占空比高。该技术的优势在于简单易行，无需复杂的相位控制，因此易于工程实现。
目前较为常见的非相干合成技术是光束阵列共形发射系统。在光束阵列共形发射系统中，各路激光通过光束定向器进行控制，直接照射指定的目标之上。2008年，美国海军研究室的Sprangle等人利用IPG公司研制的千瓦级光纤激光器，通过共形发射方式进行了非相干合成实验(P.Sprangle，A.Ting，J.Penano，et al，Incoherent combining of highpower fiber lasers for directed energy applications.Solid State and Diode LaserTechnology Review，2008)。通过光束定向系统，最终将四路激光定位于1.2km外的目标靶面处，获得了高于90％的传输效率(P.Sprangle，A.Ting，J.Penano，et al，Incoherentcombining and atmosphere propagation of high-power fiber lasers for directed energyapplications.IEEE J.Quantum Electron，2009，45(2)：138-148)。这套光束定向系统是将每一路激光束都定位到指定距离点的同一目标上，占空比较小。国防科技大学在实用新型专利(申请号200920065407.7)中提出了一种多光束高占空比合束器。该合束器利用有凹槽的台阶状底座和45°高反镜实现了光束合成时纵向拼接和横向拼接的解耦，实现了高占空比的合束。但以上两种合束器都没有对每路光束进行光轴主动闭环控制，因此在车辆、船舶、飞机等运动平台，以及激光高功率条件下存在热效应的环境中，上述方法和器件都不适用。
美国陆军实验室的Beresnev等人也开展了共形发射系统的研究，他们设计了共形光束发射器，该器件通过对光纤尾端的主动定位闭环控制实现对口径发射方向的精确控制以及对单路光的闭环控制(L.A.Beresnev，T.Weyrauch，M.A.Vorontsov，et al.Developmentof adaptive fiber collimators for conformal fiber-based beam projection system.Proc.SPIE，7090(08)：1-10)。这种合束方式也能实现高占空比的发射，但仅限于光纤激光器。
为了满足高占空比和高精度稳定合束的需求，并适用于车辆、船舶、飞机等运动平台，应用于光纤激光和固体激光的多路光束合成发射领域，以及多路激光通信领域，本发明提出了一种新的多光束稳定合成系统，可以实现任意多光束、高占空比和高精度的光束稳定和合成。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于光束指向稳定控制的多光束孔径拼接合成系统，它能够对每路光束的光轴位置进行测量和光束稳定闭环控制，实现高占空比和高精度的光束稳定合成。
本发明的技术方案是：如图1所示，该合束系统包括激光器组1、扩束准直器组2、倾斜镜组3、反射镜组4、底座5、分光镜一6、定标激光器7、透镜8、分光镜二9、光束合成传感器10、控制计算机11和多路倾斜镜放大电源12；
底座5包括若干级台阶，每级台阶的级间距是相等的，并且每级台阶没有凹槽，根据合束时竖直方向上的光束层数确定底座5的台阶级数，例如7路光合束需要3层，如图2、图3所示，19路光合束按六边形排布需要6层，这样合束分布最紧凑；每一路的激光器1、扩束准直器2、倾斜镜3和反射镜4摆放在同一台阶上，根据这路光在竖直方向的光束层数，决定相应的台阶；反射镜4按照从上到下和从左到右的次序依次排布；每一路激光器1出射的激光经过扩束准直器2后，变成了满足设计要求口径尺寸的平行光，然后依次通过倾斜镜3和反射镜4后在孔径上合束，经过分光镜一6后发射出去；
透过分光镜一6和分光镜二9的少部分合束光进入光束合成传感器10，实现对多路激光的光轴探测和合束远场光斑探测；如图4所示，合束光经过主镜头1001和分光镜1002后，一部分光进入相机一1006，相机一1006摆放在主镜头1001的焦点上，完成合束远场光斑探测；经过分光镜1002后的另一部分光通过次镜头1003进行准直缩束，准直光的口径尺寸和微透镜阵列1004匹配，即每一路激光对应一个子微透镜，如图5所示；相机二1005摆放在微透镜阵列1004的焦点上，每一路激光通过一个子微透镜成像在相机二1005上，完成多路光束光轴同时探测；
在对合束光探测之前，先要利用平行光对光束合成传感器10进行标定；如图1和图4所示，定标激光器7出射激光，经过透镜8后成为平行光，光束口径和合束光的拼接口径相同，再经分光镜二9反射进入光束合成传感器10；平行光经过主镜头1001和分光镜1002后，一部分光进入相机一1006，在相机一1006形成一个理想远场光斑；经过分光镜1002后的另一部分光通过次镜头1003进行准直缩束，然后通过微透镜阵列1004成像到相机二1005上，形成若干个理想定标子光斑，微透镜阵列的成像方式如图6所示，这时相机二1005靶面上的光斑数和排列方式与微透镜阵列1004是一一对应的，记录下此时每个光斑的位置坐标，作为每束光的位置定标点；
光束合成传感器10探测的定标点数据和合束光数据经过控制计算机11处理后，通过多路倾斜镜放大电源12分别控制每一路倾斜镜3，校正每一路光束的光轴偏差，实现多路光束的稳定控制和合束控制；
实现光束控制的方式是：平行光通过光束合成传感器10后，在相机二1005上得到的每一路光的定标质心坐标为(x0，y0)，如图7中+字叉所示，合束光经光束合成传感器10的相机二1005探测后得到每一路光束的质心坐标为(xc，yc)，如图7中圆点所示，合束光的质心相对于定标光的质心偏移量为：Δx＝xc-x0，Δy＝yc-y0，根据偏移量可以计算两个方向的控制电压为：
其中k为时间序列帧数，a和b为控制参数；最后通过多路倾斜镜放大电源12分别控制每一路倾斜镜3，将每路光的光轴自动调整到定标点，实现光轴闭环控制。由于每路光的定标光点是由一个理想的点光源产生的平行光源确定的，所以可以保证合束后的每路光都如同是同一个光源发出的，光轴保持一致；并且由于多路光轴的合成是由倾斜镜实现闭环控制，即使在抖动环境下或存在扰动情况下，也可以保持每束光位置的稳定。
所述的扩束准直器2可以是透射式结构，也可以是反射式结构。
所述的反射镜组4和底座5共同实现光束合成时的纵向拼接和横向拼接解耦；反射镜组4的摆放角度根据每路光束的方向和空间布局来确定，可以按照正反45°方向摆放，也可以按照统一45°方向摆放或者其他角度摆放，反射镜组4必须四维可调节；为了让多束光在立体拼接时互不拦光，并且压缩光束间的距离，反射镜组4可以设计成圆形或者方形，也可以是异形的，保证占空比。
本发明具有如下优点：
(1)本发明可以实现高占空比的光束合成，它利用台阶状的底座和反射镜，通过将反射镜按照一定次序摆放和异形的设计，保证了光束合成时纵向和横向拼接的高占空比。
(2)本发明可以实现高精度的光束合成，它利用同时每路质心探测和每路光轴闭环控制的方式，抑制光束漂移、抖动等误差，实现高精度的光束合成，光束合成的精度依赖于传感器和倾斜镜的精度，通常可以达到微弧度量级。
(3)本发明结构简单，易于实现，性能可靠，不仅可用于静止平台上，也可用于车、船、飞机等运动平台上。
附图说明
图1为采用本发明的一种基于光束指向稳定控制的7光束孔径拼接合成系统；
图2为7束光孔径拼接图；
图3为采用本发明的底座横截面以及7光束在底座上的光束分布图；
图4为光束合成传感器的结构示意图；
图5为7光束和微透镜阵列的匹配关系图；
图6为微透镜阵列成像原理示意图；
图7为光束合成传感器的相机二探测的定标点位置和合束光的远场光点位置示意图；
图8(a)是未实现光束稳定合束的远场光斑，图8(b)是实现光束稳定合束闭环控制后的远场光斑。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1示出的采用本发明的一种基于光束指向稳定控制的7光束孔径拼接合成系统，包括7套激光器1、7个扩束准直器2、7个倾斜镜3、7个反射镜4、一个底座5，一个分光镜一6、一个定标激光器7、透镜8、分光镜二9、一个光束合成传感器10、一套控制计算机11和一个多路倾斜镜电压放大电源12。7束光需要在孔径上拼接成如图2所示的波面，波面上的编号代表7束不同的光，在沿底座竖直方向上的光束有3层，沿底座水平方向上的单层光束数目最多为3个，最少为2个。
反射镜4和底座5共同实现光束合成时的纵向拼接和横向拼接解耦；根据7束光分布的要求，确定底座5的台阶数为3，和沿底座竖直方向上的光束层数匹配，底座5的横截面以及7束光在底座5上的分布如图3所示。反射镜4按照从上到下和从左到右的次序，以正45°和负45°交错摆放规律依次排布，并且可进行上下、俯仰调节，第一层放2个异形反射镜4，第二层放3个，第三层放2个；同时为了压缩光束间的距离，反射镜4可以设计为异形的，如左上方和右上方缺角的长方形。
如果一路光根据7束光在底座5上的分布，是排在第一层第二个位置，那么相应的这一路的激光器1、扩束准直器2、倾斜镜3和反射镜4就依次摆在底座5的最上面的台阶上的相应位置；每一路激光器1出射的激光经过扩束准直器2后，变成了满足设计要求口径尺寸的平行光，然后依次通过倾斜镜3和反射镜4后在孔径上合束，经过分光镜一6后发射出去。
透过分光镜一6和分光镜二9的少部分合束光进入光束合成传感器10，实现对多路激光的光轴探测和合束远场光斑探测，光束合成传感器10的结构示意图如图4所示；合束光经过主镜头1001和分光镜1002后，一部分光进入相机一1006，相机一1006摆放在主镜头1001的焦点上，完成合束远场光斑探测，用于监测和评价光束合成的效果；经过分光镜1002后的另一部分光通过次镜头1003进行准直缩束，准直光的口径尺寸和微透镜阵列1004匹配，即每一路激光对应一个子微透镜，具体匹配关系如图5所示，六边形代表微透镜，圆形代表光束；相机二1005摆放在微透镜阵列1004的焦点上，每一路激光通过一个子微透镜成像在相机二1005上，完成多路光束光轴同时探测；
在对合束光探测之前，先要利用平行光对光束合成传感器10进行标定，如图1和图4所示；定标激光器7出射激光，经过透镜8后成为平行光，光束口径和合束光的拼接口径相同，再经分光镜二9反射进入光束合成传感器10；平行光经过主镜头1001和分光镜1002后，一部分光进入相机一1006，在相机一1006形成一个理想远场光斑；经过分光镜1002后的另一部分光通过次镜头1003进行缩束，然后通过微透镜阵列1004成像到相机二1005上，形成若干个理想定标子光斑，微透镜阵列1004的成像方式如图6所示；这时相机二1005靶面上的光斑数和排列方式与微透镜阵列1004是一一对应的，记录下此时每个光斑的位置坐标，作为每束光束的位置定标点；
光束合成传感器10中的相机二1005探测的定标点位置和合束光束远场光斑，如图7所示，其中7个方框代表计算子窗口区域，+字叉是标定中心位置，·黑点是每路光光斑位置。光斑位置数据经过控制计算机11处理后，通过多路倾斜镜放大电源12分别控制每一路倾斜镜3，校正每一路光束的光轴偏差，实现多路光束的稳定控制和合束控制；
具体实现光束控制的方式是：平行光通过光束合成传感器10后，在相机二1005上得到的每一路光的定标质心坐标为(x0，y0)，如图7中+字叉所示，合束光经光束合成传感器10探测后，在相机二1005上得到每一路光束的质心坐标为(xc，yc)，如图7中圆点所示，合束光的质心相对于定标光的质心偏移量为：Δx＝xc-x0，Δy＝yc-y0，根据偏移量可以计算两个方向的控制电压为：
其中k为时间序列帧数，a和b为控制参数；最后通过多路倾斜镜放大电源12分别控制每一路倾斜镜3，将每路光的光轴自动调整到定标点，实现光轴闭环控制。光轴控制开环和闭环的远场合束效果，可用光束合成传感器10中的相机一1006进行监测和评估，其效果如图8所示，其中(a)是未实现光束稳定合束的远场光斑，(b)是实现光束稳定合束闭环控制后的远场光斑。
所述的扩束准直器2可以是透射式结构，也可以是反射式结构。
上面描述是用于实现本发明及其实施例，本发明的范围不应由该描述来限定，本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的范围的任何修改或局部替换，均属于本发明权利要求限定的范围。
Claims (3)
1.一种基于光束指向稳定控制的多光束孔径拼接合成系统，其特征在于：该系统包括激光器组(1)、扩束准直器组(2)、倾斜镜组(3)、反射镜组(4)、底座(5)、分光镜一(6)、定标激光器(7)、透镜(8)、分光镜二(9)、光束合成传感器(10)、控制计算机(11)和多路倾斜镜放大电源(12)；
底座(5)包括若干级台阶，根据合束时竖直方向上的光束层数确定底座(5)的台阶级数；每一路的激光器(1)、扩束准直器(2)、倾斜镜(3)和反射镜(4)摆放在同一台阶上，根据这路光在竖直方向的光束层数，决定相应的台阶；反射镜(4)按照从上到下和从左到右的次序依次排布；每一路激光器(1)出射的激光经过扩束准直器(2)后，变成了满足设计要求口径尺寸的平行光，然后依次通过倾斜镜(3)和反射镜(4)后在孔径上合束，经过分光镜一(6)后发射出去；
透过分光镜一(6)和分光镜二(9)的少部分合束光进入光束合成传感器(10)，实现对多路激光的光轴探测和合束远场光斑探测；合束光经过主镜头(1001)和分光镜(1002)后，一部分光进入相机一(1006)，相机一(1006)摆放在主镜头(1001)的焦点上，完成合束远场光斑探测；经过分光镜(1002)后的另一部分光通过次镜头(1003)进行准直缩束，准直光的口径尺寸和微透镜阵列(1004)匹配，即每一路激光对应一个子微透镜；相机二(1005)摆放在微透镜阵列(1004)的焦点上，每一路激光通过一个子微透镜成像在相机二(1005)上，完成多路光束光轴同时探测；
在对合束光探测之前，先要利用平行光对光束合成传感器(10)进行标定；定标激光器(7)出射激光，经过透镜(8)后成为平行光，光束口径和合束光的拼接口径相同，再经分光镜二(9)反射进入光束合成传感器(10)；平行光经过主镜头(1001)和分光镜(1002)后，一部分光进入相机一(1006)，在相机一(1006)形成一个理想远场光斑；经过分光镜(1002)后的另一部分光通过次镜头(1003)进行准直缩束，然后通过微透镜阵列(1004)成像到相机二(1005)上，形成若干个理想定标子光斑，这时相机二(1005)靶面上的光斑数和排列方式与微透镜阵列(1004)是一一对应的，记录下此时每个光斑的位置坐标，作为每束光的位置定标点；
光束合成传感器(10)探测的定标点数据和合束光数据经过控制计算机(11)处理后，通过多路倾斜镜放大电源(12)分别控制每一路倾斜镜(3)，校正每一路光束的光轴偏差，实现多路光束的稳定控制和合束控制；
实现光束控制的方式是：平行光通过光束合成传感器(10)后，在相机二(1005)上得到的每一路光的定标质心坐标为(x0，y0)，合束光经光束合成传感器(10)的相机二(1005)探测后得到每一路光束的质心坐标为(xc，yc)，合束光的质心相对于定标光的质心偏移量为：Δx＝xc-x0，Δy＝yx-y0，根据偏移量可以计算两个方向的控制电压为：
其中k为时间序列帧数，a和b为控制参数；最后通过多路倾斜镜放大电源(12)分别控制每一路倾斜镜(3)，将每路光的光轴自动调整到定标点，实现光轴闭环控制；由于每路光的定标光点是由一个点光源产生的理想平行光源确定的，所以能保证合束后的每路光都如同是同一个光源发出的，光轴保持一致；并且由于多路光轴的合成是由倾斜镜实现闭环控制，即使在抖动环境下或存在扰动情况下，也能保持每束光位置的稳定。
2.根据权利要求1所述的一种基于光束指向稳定控制的多光束孔径拼接合成系统，其特征在于：所述的扩束准直器(2)是透射式结构，或者是反射式结构。
3.根据权利要求1所述的一种基于光束指向稳定控制的多光束孔径拼接合成系统，其特征在于：所述的反射镜组(4)和底座(5)共同实现光束合成时的纵向拼接和横向拼接解耦；反射镜组(4)的摆放角度根据每路光束的方向和空间布局来确定，按照正反45°方向摆放，或者按照统一45°方向摆放或者其他角度摆放，反射镜组(4)四维可调节；为了让多束光在立体拼接时互不拦光，并且压缩光束间的距离，反射镜组(4)设计成圆形或者方形，或者是异形的，保证占空比。
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