CN102621695A - 一种脉冲激光合束方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种脉冲激光合成方法，包括：(1)将多束脉冲激光中的任一束的任一个脉冲入射到反射镜的其中一个反射面，并反射到出射方向；(2)将反射镜旋转一定角度，使多束脉冲激光中的另一束的任一个脉冲入射到反射镜的该反射面，并使其反射方向为出射方向；(3)继续依次旋转反射镜，使多束脉冲激光中的每一束的每一个脉冲都入射到反射镜的该反射面，并使其反射方向为所述出射方向；(4)对反射镜的其余反射面，重复上述步骤(1)-(3)，即可得到沿所述出射方向的合成光束。本方法在激光器外采用硬光路方法进行激光束合成，可靠性高，将多束较低功率激光合成为一束高功率激光输出，方法实施简单、价格便宜、适合大量应用。

Description

一种脉冲激光合束方法

技术领域

本发明属于激光光束合成技术领域，具体涉及一种将多束脉冲激光束合成为一束高重复频率脉冲激光束的方法。

背景技术

1960年，梅曼研制成功世界第一台激光器，随着技术发展，激光输出功率越来越高，然而同时具备高功率(10～100kW及以上)、高光束质量和高效率特性的激光器，仍然是激光发展的难点。

单台激光实现高功率(10～100kW及以上)、高光束质量和高效率特性的输出，会由于功率升高，光束质量出现非线性下降，且非线性的关系非常复杂，因此，在特定基础条件下，单台输出的能力总是有限的，但人们对“三高”激光输出的需求是无止境的，要实现更大功率的输出，则最佳途径就是多光束合成技术。

多光束合成有非相干合成和相干合成两种方式。多光束激光相干合成是通过精密相位控制，使多台激光器的输出相位保持一致，这些光束将因相互干涉实现多光束激光的相干叠加，具有功率和亮度随合成台数的增加而成倍增加的优点，但其多个激光束必须同时满足频率、偏振相同，相位一致，因此该技术在高输出功率下方案复杂、稳定性差、实现技术难度非常大。相干合成技术包括腔内腔外相干合成技术，方案众多，但能否产生可实用的大功率高光束质量输出仍是当前一个研究热点和难题。

美国诺格公司在板条激光技术及相干合成上取得的进展最大，其光束质量与输出功率的关系如图1所示，其光束质量同样不可避免的会随功率增加而出现非线性下降，特别是对105kW功率，由于相干合成，其中心光强仅为总功率的较少部分。

由于相干合成实现技术难度非常大，因而非相干合成方案的研究受到越来越多的关注，成为实现高功率高光束质量固体激光的重要发展方向之一，非相干合成是通过采用光束整形变换，或利用光束的偏振态、波长、时序、指向等的不同将N台激光器发射的激光合为一束、并束或在目标上合成一个光斑。一些主要方案包括：直接合成、光谱合成、相干非相干联合合成、(偏振)时序合成等。

直接合成技术是通过将各激光束边靠边的依次并排叠加，再经过透镜缩束/扩束整形合成，此外，还有将多台激光束从不同方向直接照射到远方目标点上。该方案技术简单，但光束质量控制实际很难，会随增加的合成光束数快速下降，若目标形状随方向变化大或激光照射距离和发射角度不同都会对目标点的功率密度有很大影响，从而导致激光作用效果下降。

光谱合成技术是将多个不同波长的激光在近场或远场获得光场分布的叠加。这种合成技术虽然具有保持光束质量与单台子激光相近和合成效率高的优点，但需要采用不同波长的单台激光器，适用范围窄，同时合成部件所用的衍射光栅损伤阈值和光谱宽度限制了合成的光束数量及合成功率。另外，随着激光功率的增加，激光器光谱特性及稳定性变差，这也使得光谱合成后光束质量恶化。

现有技术中公开的一种实现固体激光的多束时序偏振合成的方法，如图2所示，首先通过电控或光控技术产生多台脉冲时序不同并按要求排列的偏振激光，通过偏振器将偏振方向为p的子激光1和偏振方向为s的子激光2束合成一束，合成后则p光和s光脉冲按时序错开，此时通过控制器(机械旋转或平移方法，或电致方法，或磁致方法)使90°偏振相移器(石英旋光晶体等)将p光转换为s光，然后再通过偏振器将不同偏振方向的子激光3与子激光1和2的合成激光合束，则3束子激光光束空间重合共线输出，对于更多子激光器，依次类推。但该方法合成技术难度较大，要求采用复杂的光学元件，而这些光学元件承受激光功率的能力有限，因此目前高功率激光束的合成技术仍然是不成熟的。

发明内容

本发明的目的在于提出一种脉冲激光合束方法，采用旋转反射镜的方式，将多束较低重复频率脉冲激光束合成为一束高重复频率脉冲激光束，该方法采用的光学元件、光路结构简单，合成光束可以具有很高的功率。

实现本发明的目的所采用的具体技术方案如下：

一种脉冲激光合束方法，通过对具有至少一个反射面的反射镜进行旋转，将多束脉冲激光在各发射面上进行反射，实现光束合成，其具体步骤如下：

(1)将多束脉冲激光中的任一束的任一个脉冲入射到反射镜的其中一个反射面，并反射到出射方向；

(2)将反射镜旋转一定角度，使多束脉冲激光中的另一束的任一个脉冲入射到反射镜的该反射面，并使其反射方向为所述出射方向；

(3)继续依次旋转反射镜，使多束脉冲激光中的每一束的每一个脉冲都入射到反射镜的该反射面，并使其反射方向为所述出射方向；

(4)对反射镜的其余反射面，依次重复上述步骤(1)-(3)，即可得到沿所述出射方向的合成光束。

本发明所述的反射镜为多面棱镜。

本发明所述的反射镜为单面的平面反射镜。

本发明中入射到反射面的脉冲激光束呈圆弧状并列均匀分布，反射点位于圆弧的中心。

本发明所述的每一路脉冲一般落后与前一路脉冲一个等间隔的时间，n路脉冲入射时，这个落后的间隔一般等于单路脉冲周期的1/n。这样如果单路脉冲的频率为f，则合成后的脉冲频率就是nf。

本发明所述的脉冲激光的发射时间可根据设置在反射镜上的编码器进行控制，即编码器采集反射镜的方位信号，当反射镜已经旋转到规定的位置，此时发出信号控制激光器的开关发出激光脉冲，实现精确控制。

本发明合成后的光束的单个脉冲与入射激光脉冲相同，重复频率是所有入射光束重复频率的和，因此平均功率是所有入射光束的平均功率的和。

本发明反射棱镜的面数可以根据所需要合成的路数确定，当路数很多时可以就是一面反射镜。

当脉冲频率不高时，在激光脉冲持续的时间里，棱镜可以停止，这样在脉冲持续的过程中反射光不会抖动，反射光的光束质量较之单个激光束的光束质量不会下降。但是当脉冲频率很高时，棱镜无法做到高速反复停止和启动，这样情况下棱镜只能连续旋转，在激光脉冲持续的时间里，棱镜不能停止，这样在脉冲持续的过程中反射光会抖动，反射光的光束质量较之单个激光束的光束质量会有所下降。由于抖动的大小与脉冲持续的时间成正比，因此当激光脉冲的脉宽窄时，光束基本可以看作不动的，光束质量下降的影响可以忽略。这样的合成系统基本能够解决多路脉冲激光的合成中激光功率和光束质量的矛盾问题。理论上说，当激光脉冲的占空比为1/n时，n路激光合成一束连续的激光，此时合成光束的发散角最大只能是单个光束发散角的两倍。而当激光脉冲的脉宽远小于1/n时，基本可以将合成光束看作与单个激光的光束质量一致。因此，本方法特别适合短脉冲的合成或较低重复频率的合成。

本发明中由于多棱镜系统的所有光学元件都可以是反射光学元件，原则上说可以承受任意高功率激光器，因此只要输入的激光功率足够高，就可以输出任意高功率脉冲激光束。同时由于系统内没有任何附加器件，因此没有任何附加损耗，有利于激光高效率输出。

本发明特别适合各种Q开光激光器、增益开关激光器等窄脉冲宽度激光器，例如YAG电光Q开光、YAG声光Q开光、准分子激光器、TEACO2激光器等。

本发明使用的是多个独立运行的较低重复频率的脉冲激光器，对激光器的要求大大降低，保证了激光器运行的稳定可靠。

本发明所述合束方法在激光器外采用反射光学元件进行激光束合成，可靠性高，将多束较低功率激光合成为一束高功率激光输出，方法实施简单、适合大量应用。

附图说明

图1为现有的的板条激光系统光束质量和输出功率的关系图；

图2为现有的时序偏振合成原理装置示意图；

图3为本发明的多棱镜合束示意图；

图4为本发明的激光器脉冲发射与多棱镜的相对位置成圆弧分布示意图；

图5为本发明的单面反射镜多路合束示意图；

图6为图5的另一视角的多路合束示意图。

具体实施方式1

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。

实施例1：

本实施例中提供的一种将多束脉冲激光束合成为一束高重复频率脉冲激光束的方法，具体如图3所示，其中，101-108激光器(输出端)，201-208为平面反射镜，其位置及放置角度固定不变，101-108与平面反射镜对应摆放。

本实施例中将八路脉冲激光的合束为例，具体合束的过程为：旋转多棱镜顺时针旋转；首先，最左边一路脉冲的第一个脉冲入射到多棱镜的第一个面，并反射到出射方向；旋转多棱镜继续旋转，旋转到合适的角度时，左边第二路激光脉冲的第一个脉冲入射多棱镜的第一个面，正好在这个角度上反射脉冲也进入出射方向；依次重复上述步骤一直到第八路激光的第一个脉冲也反射到出射方向。紧接着，多棱镜的第二个面进入反射区域，最左边一路脉冲的第二个脉冲入射到多棱镜的第二个面，并反射到出射方向；旋转多棱镜继续旋转，旋转到合适的角度时，左边第二路激光脉冲的第二个脉冲入射多棱镜的第二个面，正好在这个角度上反射脉冲也进入出射方向；依次重复上述步骤一直到第八路激光的第二个脉冲也反射到出射方向。每个反射面都重复上述步骤，使每一个面都会将所有n路(8路)激光的一个脉冲反射到出射方向，反射镜不断旋转，最终将所有脉冲激光通过一个口径输出。

本发明特别适合各种Q开光激光器、增益开关激光器等窄脉冲宽度激光器，例如YAG电光Q开光、YAG声光Q开光、准分子激光器、TEACO₂激光器等。例如对于两到八个重复频率为10kHz的YAG声光Q开光激光器的合成，由于单路脉冲激光的周期为100μs，YAG声光Q开光激光器的脉冲宽度典型值为100ns，因此脉冲持续的时间远远小于脉冲周期，在脉冲持续时间内反射光的抖动几乎可以忽略。

多面体多棱镜的棱镜面数一般可以选12-180面，本实施例中优选为60；多棱镜旋转转速(rpm)＝激光器脉冲频率(Hz)×60/多棱镜面数＝10000rpm，即每分钟1万转。采用每分钟1万转的转速，在脉冲持续的100ns时间中，多棱镜转过的角度为0.006度＝0.1毫弧度，这样在脉冲持续的时间内，多棱镜可以看做是静止的。

两路激光脉冲按图3所示入射，入射到选择的反射镜之前，可以先根据实际位置布置等情况进行光路转向，例如通过反射镜转折。

具体实施时可以采用电子控制技术控制脉冲激光的发射时间，对于调Q激光器这是很容易做到的，调Q激光器的开关是通过电子开关控制的，只要在多棱镜轴上安装上安装一个高精度的编码器，根据编码器的信号可以随时采集多棱镜的方位信号，当多棱镜已经旋转到规定的位置，此时利用控制系统发出的信号控制激光器的开关发出激光脉冲。根据正确的位置信号发射的激光脉冲总能够汇聚成一束。

实施例2：

本实施例中的脉冲激光采用多管固体激光。如图5所示，可以优选采用5台单脉冲能量2000J，频率1Hz的钕玻璃激光器合束，可以获得10kW平均功率固体激光束；采用50台单脉冲能量2000J，频率1Hz的钕玻璃激光器合束，可以获得100kW平均功率固体激光束，足以满足战术激光武器的要求。单台单脉冲能量2000J，频率1Hz的钕玻璃激光器已经比较成熟。

图5中，101-150为激光器(输出端)，201-250为平面反射镜，302为旋转平面反射镜，且它绕光轴线Q0Q1转动，4为聚焦透镜。平面反射镜位置及放置角度固定不变，如图绕圆周摆放；激光器则与平面反射镜对应摆放。

如图5所示，将50台激光器相对一个中心的圆周上平行放置，每一个激光器的输出通过一个发射聚焦镜，反射并聚焦到圆周的中心，圆周中心处放置一个旋转反射镜，旋转反射镜的旋转方位与激光器的发射时间同步，这样每一个激光器发射的脉冲都被反射到一个方向，汇聚成一束脉冲激光，该一束发射激光是发散的，通过一个与前面的反射聚焦镜组成望远系统的聚焦镜还原成一束平行光出射。

具体实施时可以采用电子控制技术控制脉冲激光的发射时间，对于脉冲激光器这是很容易做到的，脉冲激光器的开关是通过电子开关控制的，只要在反射镜背后设置一个高精度的编码器，当编码器发出相应位置信号时，表明反射镜已经旋转到规定的位置，此时利用控制激光器的开光发出激光脉冲。

采用一对望远系统的发射方式是为了消除由于激光脉冲持续时间内反射镜持续运动所带来的扫描方向变化。当脉冲持续时间为ms量级时，该系统由于反射镜不断运动带来的合成光束光束质量下降仅为1/10量级。

另外，光线上箭头表示了激光脉冲时序上的先后关系。利用该机构可以实现：将50组1Hz的单脉冲激光束合成为一束频率为50Hz的脉冲激光束。

Claims (6)

1.一种脉冲激光合束方法，通过对具有至少一个反射面的反射镜进行旋转，使多束脉冲激光在各发射面上进行反射，实现光束合成，其具体步骤如下：

(1)将多束脉冲激光中的任一束的任一个脉冲入射到所述反射镜的其中一个反射面，并反射至出射方向；

(2)将所述反射镜旋转一定角度，使所述多束脉冲激光中的另一束的任一个脉冲入射到所述反射镜的该反射面，并使其反射方向为所述出射方向；

(3)继续依次旋转所述反射镜，使多束脉冲激光中的每一束的每一个脉冲都入射到所述反射镜的该反射面，并使其反射方向均为所述出射方向；

(4)对所述反射镜的其余反射面，依次重复上述步骤(1)-(3)，即可得到沿所述出射方向的合成光束。

2.根据权利要求1所述的一种脉冲激光合束方法，其特征在于，所述的反射镜为多面棱镜。

3.根据权利要求1所述的一种脉冲激光合束方法，其特征在于，所述的反射镜为单面的平面反射镜。

4.根据权利要求1-3之一所述的一种脉冲激光合束方法，其特征在于，入射到反射镜反射面上的脉冲激光束呈圆弧状并列均匀分布，在反射面上的反射点位于圆弧的中心。

5.根据权利要求1-4之一所述的一种脉冲激光合束方法，其特征在于，合成后的光束的重复频率是所有入射光束重复频率的和。

6.根据权利要求1-5之一所述的一种脉冲激光合束方法，其特征在于，产生所述脉冲激光的激光器可以是Q开光激光器或增益开关激光器，例如YAG电光Q开光、YAG声光Q开光、准分子激光器、TEACO₂激光器。

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