CN102662241B - 基于光束稳定闭环控制的激光束共孔径功率合成系统 - Google Patents

Abstract

基于光束稳定闭环控制的激光束共孔径功率合成系统，其要解决的技术问题是：针对两路不同波长的激光束，采用光束稳定闭环控制方法进行光束高精度合成。两路激光分别经各自的倾斜镜和传输镜后，在合成镜上实现光束耦合，同时合成传感器通过色散元件分束成像的方式探测各路光束的指向误差信息，并通过计算和处理，把光束指向误差信息转换成驱动电压，驱动倾斜镜进行角度偏转，消除光束指向误差，最终实现多路光束的高速、高精度合成，提高目标点的功率密度；合成光束路数可根据实际需要进行扩展。本发明可用于材料科学、核工业、加工、科研等诸领域，连续性好、稳定性高、抗干扰能力强，适合长时间连续工作条件下多路激光束的高精度非相干合成。

Description

基于光束稳定闭环控制的激光束共孔径功率合成系统

技术领域

本发明涉及一种用于多路不同波长的激光束共孔径高精度高效率合成系统，尤其是对于不同波长的高能量激光的合成，属于光学工程技术领域。

背景技术

激光在各个领域的应用对输出功率、光束质量和出光时间均有较高要求，如核工业、激光焊接、激光切割、材料科学以及国防领域等。就单台激光束来说，由于技术限制，要做到很大输出功率十分困难，并且输出功率越大往往光束质量越差，因此，对多路激光进行合成就显得尤为重要。

光束合成分为相干合成和非相干合成，对多路同一波长的激光可进行相干或非相干合成；N路相同功率的光束经过相干合成后的光束能量密度最大可为原来的N²倍，但由于要求合成光束具有频率相同、振动方向相同和相位差恒定的特点，因此实现难度很大。N路不同波长的相同功率的光束进行非相干合成即功率合成，其合成后的光束能量密度虽然最大只有原来的N倍，但由于无需对每路激光进行相位控制，只需对每路激光进行整体方向的调节和控制，故技术难度小，成本较低，易于实现。

另外，当被作用物质表面对单波长激光产生一定的反射或散射时，作用效果明显降低，此时，多波长激光合束后的共同作用即显得尤为重要。

人们用很多方式实现了光束的非相干合成，如用平板玻璃、缺角直角棱镜、小角度全反射棱镜、滤光片、棱镜偏振分光镜、平板偏振分光镜、多面反射镜、二元位相光栅等等（参见B.Chann,etc.Near-diffract ion-limited diodelaser arrays by wavelength beam combining.OPTICS LETTERS,2005(30)：2104-2106），但这些合成方式多应用于静态的系统中，不能动态调节或动态消除误差。

光束非相干合成的方法和案例较多，国外最典型的应用是利用二元光栅等元件对光纤激光器阵列或激光二极管阵列输出的各种波长的激光进行光谱合成，以实现不同激光器不同波长的激光同孔径发射，增大激光器发射功率（参见C.Wi rth1,etc.2 kW incoherent beam combining of fournarrow-linewidth photonic crystal fiber amplifiers.OPTICS EXPRESS，2009(17)：1178-1183；Juliet T.Gopinath,etc.High-BrightnessWavelength-Beam-Combined Eyesafe Diode Laser Stacks.2008 OSA；TimothyH.Russell and Won B.Roh.Incoherent beam combining using stimulatedBrillouin scattering in multimode fi bers.OPTICS EXPRESS，2001(8)：246-254）；在国内，西核所报道了采用冰洲石双窗OE晶体进行光束合成的方法，用于激光共振电离质谱双光子和多光子共振电离（参见李红艳,任向军，光束合成技术研究及其应用.激光与光电子学进展，2002(39)：22-25），该方法简单，容易调节和实现，但只能用于实验系统中，抗干扰能力弱；上海大学报道了采用双凹面反射镜的方法将两束非相干激光束合成，用于机械加工领域，取得了很好的效果，后应用于激光切割机，光束合成效率高，效果显著，实现了产业化（参见夏丽丽等.激光束合成方式的研究及其应用.机械制造，2008(46)）），但该方法光路调节困难，没有检验和消除偏差的手段。类似应用案例还有很多，包括核工业、激光焊接、激光切割、材料科学以及国防等领域，其前景非常广泛，但随着工业技术的发展和应用场合的扩大，对其应用的动态适应性、实时监视和控制的能力、消除内部误差和抗击环境干扰的能力、抗击振动冲击的能力等等，都有了新的要求。

因此，发明一种能够克服上述各种传统合成方法的缺点、具有高合成精度并能实时闭环控制消除合成误差的共孔径功率合成系统显得尤为重要。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服传统的非相干合成方法合成精度低、受环境影响大、只能在静态条件下应用的缺点，提供一种对多路不同波长的激光束进行高精度共孔径合成的系统，该系统具有良好的稳定性，适用于静态、准静态及动态条件下的多路光束稳定合成，同时还具有较高的传输效率。

本发明的技术解决方案是：基于光束稳定闭环控制的激光束共孔径功率合成系统，包括入射激光束、光束传输耦合子系统、光束稳定控制子系统三大部分。

所述的光束传输耦合子系统执行光束传输和耦合的功能，由倾斜镜1-4和1-7、传输镜1-1、1-2和1-3和合成镜1-11组成。以两路合成为例，其工作流程为：两路激光束1-5和1-6依次经过各自的倾斜镜1-4和1-7、传输镜1-1、1-2和1-3传输到合成镜1-11。第一激光束1-5的绝大部分能量作为主光束经过合成镜（1-11）反射出去，极小部分能量作为测量光束经过合成镜1-11透射进入合成传感器1-10；第二激光束1-6的绝大部分能量作为主光束经过合成镜1-11透射出去，极小部分能量作为测量光束经过合成镜1-11反射进入合成传感器1-10。两路主光束可根据实际需要对接发射聚焦系统1-12作用于目标1-13上。

所述的光束稳定控制子系统执行光束指向信息探测、处理及控制功能，包括合成传感器1-10、高速处理机1-9、高压放大器1-8和倾斜镜1-4和1-7，其中倾斜镜兼有光束传输耦合和光束稳定控制的功能。以两路合成为例，其工作流程为：第一激光束1-5和第二激光束1-6的测量光束进入合成传感器后，经过缩束镜组2-1变成口径较小的平行光束，再经过聚焦镜组2-2后，在探测器2-3靶面聚焦成像，像点2-4即代表测量光束的光束指向，光束指向误差可事先进行标定；探测器2-3实时探测两路激光束1-5和1-6的光束指向误差信息，并实时送至高速处理机1-9，高速处理机1-9同时计算两路测量光束的位置误差，转换成为两路测量光束的指向误差信息，再经过数模转换，成为模拟电压，通过高压放大器1-8放大以后，驱动相应的倾斜镜1-4和1-7进行角度偏转，使两路测量光束在合成传感器中的光束指向误差均得以消除，从而使聚焦像点重合。根据几何光学原理，测量光束聚焦成像像点2-4与主光束聚焦发射到目标点1-13时的聚焦光斑互为共轭，故当两测量光束经聚焦镜组2-2成像的像点2-4重合时，主光束经发射聚焦系统1-12作用于目标点1-13的光斑也重合。

为了便于对各路测量光束的光束指向误差信息进行探测和提取，通过在经合成传感器缩束以后的平行光束中置入色散元件2-6，可使原本重合的两路测量光束聚焦像点2-4分离成为两个独立的像点2-5，便于光束稳定控制子系统单独提取各路光束的指向信息；所述的色散元件包括分光镜组、棱镜和闪耀光栅三类，可单独使用或组合使用。

所述的倾斜镜1-4和1-7等表面所镀光学薄膜兼顾各路入射光波长，镀高反射率光学薄膜，以兼做传输反射镜和光束稳定的校正器之用。所述高反射率指反射率达到98％以上。

所述的合成镜1-11前表面镀制对第一激光束1-5高反射率同时对第二激光束1-6高透射率的光学薄膜，以实现对入射单路激光束的高效率传输；同时，第一激光束1-5经该合成镜透射的极少部分光，以及第二激光束1-6经该合成镜反射的极少部分光，作为测量光束，均进入合成传感器1-10，作为光束指向探测的信号。当需要扩展更多路数的激光束时，分光镜、合成镜的镀膜要求会发生变化，总的原则是：不论是分光镜还是合成镜，也不论是扩展前还是扩展后，前表面对反射方向入射的各路激光束均须具有高的反射率，同时对透射方向入射的各路激光束均须具有高的透射率，而后表面对透射方向入射的各路激光束均须具有高的透射率。这里，根据镀膜工艺，前表面对反射方向入射激光束的反射率，和对透射方向入射激光束的透过率，均取决于入射激光波长和路数，一般而言，对反射方向入射激光束的反射率可达98％以上，对透射方向入射激光束的透过率可达95％以上，如果反射和透射波长差异大、数量少，其反射率和透过率还可以做到更高，如99％和97％以上。后表面对透射方向入射的各路激光束的透射率可达98％以上。

所述的合成传感器1-10光学系统镀膜兼顾各路入射光的透射，色散元件2-6的选材和镀膜要求兼顾各路激光波长，聚焦镜组2-2设计时为各路不同波长入射激光消除了色差影响。

所述的合成传感器色散元件可以采用棱镜、闪耀光栅或分光镜组中的任意一种或多种组合；

分光镜组的色散是利用在分光镜表面镀膜，使不同波长的入射光在经过分光镜表面时，有的透射有的反射，从而沿不同方向传播，再利用反射镜或分光镜耦合回来，当各路光束再次耦合到一起时，可通过调节分光镜的角度，使不同波长的光束沿着不同的方向传输；

棱镜的色散是利用不同波长的入射光在棱镜中的折射率不同，从而经过棱镜时所产生的偏向角不同的原理；

闪耀光栅的色散是利用不同波长的入射光在经过闪耀光栅发生衍射以后所产生的同一级衍射光谱的位置不同。其相比透射光栅的独特之处在于：避免了透射式光栅具有绝大部分光能量和很高对比度的零级光谱没有色散功能的缺点，把零级光谱转移至具有色散功能的其它级次上。

可采用多个同类型或不同类型的色散元件进行交叉组合，实现各路测量光束在合成传感器焦面上的聚焦光斑沿二维方向排列。

随着色散元件及其组合方式的不同，其结构会有变化。图4是几种典型的色散元件布局和组合方式，（A）是闪耀光栅作为色散元件的布局，（B）是棱镜作为色散元件的布局，（C）是分光镜组作为色散元件的布局，（D）是分光镜组和棱镜组合的布局。

本发明的原理是：针对不同波长的多路激光束，把倾斜镜安置于各路激光单独传输的光路中，既作为反射镜，又作为光束指向误差的校正器；当各路激光经过传输，并在合成镜上进行耦合以后，将实现共孔径传输；同时，光束稳定控制系统通过合成传感器探测到的各路光束指向误差，进行计算、处理和控制运算，转换成模拟电压，并通过高压放大器放大，再加载于对应的倾斜镜，驱动其发生相应方向和角度量的偏转，直到消除该路激光与基准点的误差，保持激光束的发射方向；上述动作是在极其短暂的时间内完成的，一个周期可短至几十分之一秒，因此拥有较高的控制带宽。控制系统对每一路激光的光束指向误差校正是同时进行的，因此，当控制系统完成所有光束的闭环控制后，即实现了多路光束沿同一个方向传输，实现光束合成。

合成传感器中采用了色散元件对同轴的复合测量光束进行分光，使各路测量光束沿不同方向传播，进而聚焦于焦平面上不同的位置，解决了合成传感器中多路光束聚焦成像时由于像点无法分开，从而导致控制系统无法判断各路光束光斑准确位置的问题。

本发明与现有技术相比有如下优点：

（1）本发明可以对不同波长的激光束进行合束，不同波长的激光束经过传输，在合成镜进行耦合，并在光束稳定控制系统闭环控制下以较高的精度合成以后，传输出去。

（2）本发明通过采用光束稳定控制系统实时监测各路光束的光束指向信息，并通过误差计算、处理，控制倾斜镜发生偏转，以实时校正各路光束的指向误差，实现多路光束共轴发射。

（3）本发明通过在合成传感器中采用色散元件进行分束，使完全重合在一起的各路测量光束聚焦光斑分离开来，使得控制系统可以对各路测量光束的远场光斑分别独立进行计算、提取、处理和控制，进而驱动相应光路的倾斜镜进行偏转，实现闭环控制，实时消除各路光束的重合误差。

（4）本发明可以在两路光束合成的基础上进行扩展，即通过增加入射激光光束、传输镜、倾斜镜，改变镜面设计参数，使更多路数的激光束实现光束合成。

（5）本发明可以在确保多路光束具有较高光束合成精度的同时，具有较高的传输效率。传输效率取决于光学镜面尤其是合成镜或分光镜的镀膜工艺，传输镜和倾斜镜镀膜以后的反射率可达99％，但合成镜或分光镜需要同时兼顾反射光束的反射率和透射光束的透过率，因此，从工艺上来说，同时兼顾时，对二者均有影响，镜面对反射光束的反射率和对透射光束的透过率均会下降，并且，考虑的光束波长越多，其影响就越大。两路光束合成时传输效率在90％以上，四路光束合成时传输效率在80％以上，具体传输效率数值与具体入射波长和镀膜工艺有关。

（6）本发明可以在多路激光束长时间工作条件下进行光束合成，且光束稳定控制系统可以实时消除长期工作过程中激光器温度升高导致的光束漂移，以及外界环境振动带来的光束抖动，保持多路光束稳定合成传输。

（7）本发明利用了光束经合成镜反射和透射后的共轭原理，当光束稳定控制系统闭环从而消除合成传感器中各路测量光束的光束指向误差时，同时也就消除了各路发射光束的光束指向误差，实现了各路发射光束的重合。

（8）本发明可在两路激光束合成基础上，通过增加传输镜、分光镜和倾斜镜，并联更多路数不同波长的激光束，以实现更多路数激光束的合成传输。

（9）本发明可根据输入的多路激光波长，对合成镜膜系进行优化设计，实现多路激光束高效率的能量传输。

（10）本发明采用同一个探测器对多路测量光束的不同聚焦光斑进行成像，避免了不同探测器开机加电过程中的热漂移，保持了基准的同一性。

附图说明

图1为本发明的系统组成结构图；

图2为本发明中合成传感器的光路示意图；

图3为本发明中光路扩展方法示意图；

图4为闪耀光栅工作原理和同级衍射光谱图；

图5为棱镜工作原理和分光示意图；

图6为分光镜组工作原理和分光示意图；

图7为几种典型的色散元件布局或组合下的合成传感器结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明由入射激光束、光束传输耦合子系统、光束稳定控制子系统三大部分组成。其中，光束传输耦合子系统执行光束传输和耦合的功能，由倾斜镜1-4和1-7、传输镜1-1、1-2、1-3和合成镜1-11组成；光束稳定控制子系统执行光束指向信息探测、处理及闭环控制功能，包括合成传感器1-10、高速处理机1-9、高压放大器1-8和倾斜镜1-4、1-7，这里，倾斜镜兼有光束传输耦合和光束稳定控制的功能；入射激光束路数和波长是输入条件，路数至少为两路，波长互不相同，可根据需要进行入射路数的扩展。当入射激光束路数扩展时，光束传输耦合子系统及光束稳定控制子系统均须进行扩展。

光束传输耦合子系统的工作流程为：两路激光束1-5和1-6依次经过各自的倾斜镜1-4和1-7、传输镜1-1、1-2和1-3传输到合成镜1-11。第一激光束1-5的绝大部分能量作为主光束经过合成镜1-11反射出去，极小部分能量作为测量光束经过合成镜1-11透射进入合成传感器1-10；第二激光束1-6的绝大部分能量作为主光束经过合成镜1-11透射出去，极小部分能量作为测量光束经过合成镜1-11反射进入合成传感器1-10。两路主光束可根据实际需要对接发射聚焦系统1-12作用于目标1-13上。

光束稳定控制子系统的工作流程为：第一激光束1-5和第二激光束1-6的测量光束进入合成传感器后，经过缩束镜组2-1变成口径较小的平行光束，再经过聚焦镜组2-2后，在探测器2-3靶面聚焦成像，像点2-4即代表测量光束的光束指向，其误差可事先进行标定；探测器2-3实时探测两路激光的光束指向误差信息，并实时送至高速处理机1-9，高速处理机1-9同时计算各路光束的位置误差，转换成为各路光束的指向误差信息，再经过数模转换，成为模拟电压，通过高压放大器1-8放大以后，驱动相应的倾斜镜1-4和1-7进行角度偏转，使两路测量光束在合成传感器1-10中的光束指向误差均得以消除，从而使聚焦像点重合。根据几何光学原理，测量光束聚焦成像像点2-4与主光束聚焦发射到目标点1-13时的聚焦光斑互为共轭，故当两测量光束经聚焦镜组2-2成像的像点2-4重合时，主光束经发射聚焦系统1-12作用于目标点1-13的光斑也重合。

合成镜1-11镀膜条件为：前表面（第一激光束1-5的入射面）对第一激光束1-5具有高反射率，所述高反射率指反射率达到99％以上；并对第二激光束1-6具有高透过率，所述高透过率指透过率达到97％以上；后表面对第二激光束1-6具有高透过率，所述高透过率指透过率达到98％以上。

在合成传感器1-10中采用同一个探测器进行多路光束远场像点的探测，这里的探测器为二维阵列探测器，比如面阵CCD、CMOS相机等。

在光束传输耦合子系统中，可在第一激光束1-5或第二激光束1-6的传输路径上扩展入射激光束路数。扩展方法为：把第一激光束1-5或第二激光束1-6传输光路上的任意一面传输镜1-1、1-2或1-3更换成耦合分光镜。

当把传输镜1-1更换成耦合分光镜时，扩展的光路如图3（A）所示，3-3是扩展的激光束A，3-4是扩展激光束A的倾斜镜，3-2是扩展激光束A的传输镜，3-1是由1-1更换后的耦合分光镜；当把传输镜1-2更换成耦合分光镜时，扩展的光路如图3（B）所示，3-5是扩展的激光束B，3-6是扩展激光束B的倾斜镜，3-7是扩展激光束B的传输镜，3-8是由1-2更换后的耦合分光镜；当把传输镜1-3更换成耦合分光镜时，扩展的光路如图3（C）所示，3-9是扩展的激光束C，3-10是扩展激光束C的倾斜镜，3-11是扩展激光束C的传输镜，3-12是由1-3更换后的耦合分光镜。第一激光束或第二激光束仍然经过耦合分光镜3-1、3-8或3-12的前表面进行反射传输，而新扩展的激光束分别经过各自的倾斜镜、传输镜从耦合分光镜3-1、3-8或3-12后表面透射，经过前表面与第一激光束或第二激光束实现光束耦合。可以把某一路的传输镜更改成耦合分光镜后进行扩展，也可把所有传输镜更改成耦合分光镜后进行更多路数的扩展，还可在新扩展的光路中针对传输镜继续进行扩展。

进行合成路数的扩展以后，耦合分光镜3-1、3-8或3-12的镀膜条件为：前表面对反射光束具有高反射率，所述高反射率指反射率达到99％以上；同时对新扩展的透射光束具有高透过率，所述高透过率指透过率达到97％以上；后表面对新扩展的透射光束具有高透过率，所述高透过率指透过率达到98％以上。

进行合成路数的扩展以后，合成镜1-11的镀膜条件也发生了改变：合成镜前表面对其反射方向入射的所有激光束均具有高反射率，同时对其透射方向入射的所有激光束均具有高透过率，后表面对其透射方向入射的所有激光束均具有高透过率。这里，根据镀膜工艺，前表面对反射方向入射激光束的反射率，和对透射方向入射激光束的透过率，均取决于入射激光波长和路数，一般而言，对反射方向入射激光束的反射率可达98％以上，对透射方向入射激光束的透过率可达95％以上，如果反射和透射波长差异大、数量少，其反射率和透过率还可以做到更高，分别为99％以上和97％以上。后表面对透射方向入射的各路激光束的透射率可达98％以上。

本发明中，参与合成的各路激光束波长互不相同，包括扩展的激光束。

为了便于进行光束指向误差信息的探测和提取，通过在经合成传感器缩束以后的平行光束中置入色散元件2-6，可使原本重合的两路测量光束聚焦像点2-4分离成为两个独立的像点2-5，便于光束稳定控制子系统单独提取各路光束的光束指向信息；所述的色散元件包括分光镜组、棱镜和闪耀光栅三类，可单独使用或组合使用。

闪耀光栅的刻槽面与光栅面不平行（如图4所示），两者之间有一夹角(称为闪耀角)，从而使单个刻槽面(相当于单缝)衍射的中央极大和各槽面间(缝间)干涉零级主极大分开，将光能量从干涉零级主极大（即零级光谱，零级光谱不具有色散功能）转移并集中到其它某一级具有色散功能的光谱上去，实现该级光谱的闪耀。

当单波长光入射到闪耀光栅时，该光束的衍射中央主极大与干涉主极大重合时具有最佳的闪耀条件，此时满足：

${\mathrm{\φ}}_0=\arccos (\frac{\mathrm{K\λ}}{d\tan \mathrm{\θ}}-1)---\left(1\right)$

φ₀是满足最佳闪耀条件时的入射角，K是多槽干涉的级次，K≠0，λ是入射光波长，d是刻槽间距，θ是闪耀角。

而多波长激光束入射时，则需要中间波长的激光束满足最佳闪耀条件。

第K级多槽干涉的光谱位置满足下式：

$x_K^{\left(\mathrm{\λ}\right)}=f(\sin \mathrm{\φ}-\frac{\mathrm{K\λ}}{d})---\left(2\right)$

f是系统焦距，φ是入射角，

是第K级光谱在焦面的相对位置。系统参数固定以后，上式经过变换有：

${\mathrm{\Δx}}_K^{\left(\mathrm{\λ}\right)}=F(\mathrm{\Δ\φ},\mathrm{\Δ\λ})---\left(3\right)$

因此有以下结论：

（1）当某波长的入射激光束经闪耀光栅衍射以后，其某一级光谱的位置变化量与其入射角φ的变化量有着一一对应的关系；

（2）以同一入射角φ入射的多路激光束经过闪耀光栅以后，发生色散，同一级衍射光谱的位置与入射光波长λ有着一一对应的关系。

利用上述结论，建立了测量光束经过闪耀光栅以后的光斑位置与入射角之间的一一对应的关系，成为控制系统根据光斑误差量来计算入射角度偏移量的理论依据。

棱镜是利用两个不平行的折射表面对入射激光束发生折射来工作的，由于棱镜内部和外部介质的折射率不同，因而激光束发生折射时会发生偏转；棱镜对不同波长的入射光的折射率是不同的，因而出射光束的偏向角也是不同的，这就是棱镜的色散（如图5所示）。偏向角δ可表示为：

$\mathrm{\δ}=\mathrm{\φ}-A+\arcsin (\sqrt{n^2-{\sin }^2\mathrm{\φ}}\·\sin A-\sin \mathrm{\φ}\·\cos A)---\left(4\right)$

这里φ是入射光束的入射角，A是折射棱镜的折射角（顶角），n是折射棱镜对某一波长入射光的折射率。由上式可知，当A、φ不变时，出射光束的偏向角δ就由折射率n唯一确定，而经光学系统聚焦以后，光斑位置x与偏向角的关系是：

x＝f·δ        （5）

因此系统参数确定以后，上式可变换为：

Δx＝G(Δφ，Δn)            （6）

由于折射率与入射光波长是一一对应的，因此有以下结论：

（1）当某波长的入射光束经过折射棱镜以后，其所成的远场像点位置与入射角φ存在一一对应的映射关系；

（2）当不同波长的多路激光束以同一入射角φ入射经过折射棱镜以后，其所成的远场像点位置与入射光波长λ存在一一对应的映射关系。

同样利用上述结论，建立了测量光束经过棱镜以后的光斑位置与入射角之间的一一对应的关系，成为控制系统根据光斑误差量来计算入射角度偏移量的理论依据。

分光镜组是利用不同波长入射光经分光镜时其透射和反射比率的不同而使其沿不同的方向传输和耦合，再经耦合镜耦合回来时，调节该路光束的反射镜或耦合镜的角度，可使不同激光束沿不同的方向传输（如图6所示，以两路光的入射为例）。不考虑分光镜和耦合镜楔角对透射光束的影响，设光束6-1经过分光镜6-5、反射镜6-2、反射镜6-3和耦合镜6-4反射时的入射角分别为φ₁、θ₁、θ₂和θ₃，则光束6-1经分光镜组以后相对入射方向的偏向角为：

δ₁＝2(θ₁+θ₂-θ₃-φ₁)                （7）

设光束经聚焦镜组聚焦成像时聚焦镜组焦距为f，并设

ω₁＝θ₁+θ₂-θ₃-φ₁                （8）

这里，ω₁称为光束1的入射角关系式，很显然，δ₁＝2ω₁。则光束6-1的聚焦光斑相对于基准位置的偏移量为：

Δx₁＝f·δ₁＝f·2ω₁                    （9）

当系统固定以后，各个镜面的相对关系即保持不变，即此时光束6-1的入射角关系式ω₁是确定值，此时，光束6-1的聚焦光斑相对于基准位置的偏移量是确定值。

再看经过两次透射的光束6-6，很显然，在不考虑透射楔角影响时，其透射以后的传输方向与透射之前的方向始终保持一致，即

Δx₁＝0                    （10）

推广到多路入射的情形。当多路测量光束入射时，为了在焦面上获得不同位置的聚焦光斑，不同波长光束会走不同的传输路线，只有一路是完全透射，其余均是在不同的位置进行多次反射再耦合，并且其反射时经过各个镜面的入射角关系式ω均不相同，这样才会得到不同方向的测量光束，即：

Δx_n＝f·2ω_n                    （11）

这里，ω_n＝θ_1n+θ_2n-θ_3n-φ_n是第n路入射光束的入射角关系式，n＝0，1，2……是对入射光束的编号，其中n＝0时，表示光束是全透射，此时ω₀＝0。

当光束6-1的入射角φ发生变化时，设变化后的入射角为φ±Δφ（±表示变化的方向，＋表示入射角增大，－表示入射角减小，下同），此时，经过反射镜6-2时的入射角变成θ₁±Δφ，经过反射镜6-3时的入射角则变成而经过分束镜6-4时的入射角也变成

此时，经过偏转以后的光束6-1出射方向相对原来的出射方向的偏向角为：

${\mathrm{\Δ\δ}}_1=2(({\mathrm{\θ}}_1\±\mathrm{\Δ\φ})+\left({\mathrm{\θ}}_2\stackrel{\‾}{+}\mathrm{\Δ\φ}\right)-\left({\mathrm{\θ}}_3\stackrel{\‾}{+}\mathrm{\Δ\φ}\right)-({\mathrm{\φ}}_1\±\mathrm{\Δ\φ}))+\mathrm{\Δ\φ}-{\mathrm{\δ}}_1$

$=\±\mathrm{\Δ\φ}---\left(12\right)$

由此可见，入射角发生变化时，其出射光束也会发生同样角度的变化，其变化方向与入射光束变化方向相同。

上述分析表明，当每一路光束的入射角关系式ω_n不同时，各路光束远场光斑相对基准位置的偏移量均是不同的，且是确定值，并且其入射方向偏转时，出射方向会发生同样角度的偏转。因此：

（1）当某波长的入射光束经过分光镜组以后，其所成的远场像点位置与基准位置的偏移量与入射角关系式ω之间存在一一对应的映射关系，且入射光束方向发生变化时，其出射光束方向会发生同样角度的变化；

（2）当不同波长测量光束以同方向入射经过分光镜组以后，其所成的远场像点位置与所经过分光镜组的入射角关系式ω_n存在一一对应的映射关系。

利用上述结论，建立了测量光束经过分光镜组以后的光斑位置与入射角之间的一一对应的关系，成为控制系统根据光斑误差量来计算入射角度偏移量的理论依据。

初始调试的流程为：①拆下合成传感器中的色散元件；②精确调试第一路光，直到第一路光在合成镜前表面中央并经过合成传感器聚焦成像，此时以聚集成像的光斑位置（2-6）作为基准位置，标定零点；③调试第二路光，直至第二路光在合成镜前表面与第一路光的位置重合（用纸屏肉眼观察），同时进入合成传感器后聚焦成像的光斑位置与基准位置也重合（如果光瞳和聚焦光斑没有同时重合，则需要同时调节传输光路上的倾斜镜和传输镜，直至二者同时重合）；④以此类推，用同样的方法，对所有入射激光进行仔细调试，直到传输至合成镜前表面与第一路光的位置重合，同时经过合成传感器聚焦成像后的光斑位置与基准位置重合；⑤装上色散元件，使各路测量光束的聚焦光斑在探测器靶面分离开来（图示2-5），对各路分离开来的聚焦光斑位置进行标定，作为各路光束的光束指向基准；⑥启动控制系统和倾斜镜对各路光束闭环。

图7是几种典型的色散元件布局或组合下的合成传感器结构示意图。图7（A）是闪耀光栅工作模式下的合成传感器示意图，多路测量光束经缩束系统7-1缩束以后，入射到闪耀光栅7-5，经过闪耀光栅衍射以后，多路测量光束发生分离，再经过聚焦镜组7-4，在探测器靶面7-3上成分离的像点7-2。图7（B）是棱镜工作模式下的合成传感器示意图，7-6是棱镜，7-7是经过棱镜后分离的像点。图7（C）是分光镜组模式下的合成传感器示意图，7-8是分光镜组，其中7-9是反射镜，7-10是分光镜，7-11是经过分光镜组后的分离的像点。图7（D）是多种模式组合下的合成传感器示意图，图中是分光镜组与棱镜的组合模式，7-12是色散元件组合，其中7-13和7-14是位于两路不同光路中的棱镜，7-15是经过组后模式后分离的像点。

高速处理机是通过对采集到的光斑图像进行前期预处理（以降低噪声，提高精度）后，再计算各路光斑的质心的。质心计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_C=\underset{i,j}{\mathrm{\Σ}}{x}_i{I}_i/\underset{i,j}{\mathrm{\Σ}}{I}_{i,j}\\ Y_C=\underset{i,j}{\mathrm{\Σ}}{y}_j{I}_j/\underset{i,j}{\mathrm{\Σ}}{I}_{i,j}\end{array}\right.---\left(1\right)$

高速处理机对计算出来的质心位置与标定位置进行比较，计算出各路光斑在水平和俯仰方向的误差（光斑实际位置与标定位置的差量，通过系统参数转换成角度）大小和方向，并根据误差计算结果，进行控制运算。控制运算公式如下：

v_n＝b₀·e_n+x₁

x₁＝b₁·e_n-1+a₁·v_n-1+x₂

x₂＝b₂·e_n-2+a₂·v_n-2+x₃                    （2）

x₃＝b₃·e_n-3+a₃·v_n-3

高速处理机把所计算出的数字电压转换成模拟电压后，通过高压放大器进行放大（放大100倍，由最大±5V放大到最大±500V），并输出到倾斜镜。

倾斜镜采用压电伸缩驱动方式，其前表面兼做反射镜，后表面安装两组压电陶瓷驱动器（分别为水平方向和俯仰方向）；当高压放大器根据高速处理机所计算的误差大小和方向施加相应大小和方向的高电压给压电陶瓷驱动器时，压电陶瓷驱动器即伸长或缩短，其伸长或缩短的量和方向由输入的高电压大小和方向决定；此时前表面的反射镜即以镜面中心为支点进行偏转，以消除激光束的光束指向误差，实现光束以稳定的方向传输。

当多路激光束均实现与相应标定零点重合时，说明各路激光束重合，根据前述几何光学的共轭原理，实现发射光束的重合。

Claims (7)

1.基于光束稳定闭环控制的激光束共孔径功率合成系统，其特征在于包括：两路激光束（1-5、1-6）、光束传输耦合子系统、光束稳定控制子系统；

所述光束传输耦合子系统执行光束传输和耦合的功能，包括两个倾斜镜（1-4和1-7）、三个传输镜（1-1、1-2和1-3）和合成镜（1-11）；

所述光束稳定控制子系统执行光束指向信息探测、处理及控制功能，包括合成传感器（1-10）、高速处理机（1-9）、高压放大器（1-8）和两个倾斜镜（1-4和1-7），其中两个倾斜镜（1-4和1-7）兼有光束传输耦合和光束稳定控制的功能，为光束传输耦合子系统、光束稳定控制子系统共用；合成传感器（1-10）包括缩束镜组（2-1）、聚焦镜组（2-2）和探测器（2-3）；

所述光束传输耦合过程如下：两路激光束（1-5和1-6）分别经过各自的倾斜镜（1-4和1-7）、传输镜（1-1、1-2和1-3）传输到合成镜（1-11），第一激光束（1-5）绝大部分能量作为主光束经过合成镜（1-11）反射出去，极小部分能量作为测量光束经过合成镜（1-11）透射进入合成传感器（1-10）；第二激光束（1-6）绝大部分能量作为主光束经过合成镜（1-11）透射出去，极小部分能量作为测量光束经过合成镜（1-11）反射进入合成传感器（1-10）；两路激光束的主光束根据实际需要对接发射聚焦系统（1-12）作用于目标（1-13）上；

所述光束稳定闭环控制过程如下：两路激光束（1-5和1-6）的测量光束进入合成传感器（1-10），经过缩束镜组（2-1）缩束后变成平行光束，再经过聚焦镜组（2-2）后，在探测器（2-3）靶面聚焦成像，像点（2-4）即代表测量光束的光束指向，两测量光束的光束指向误差可事先进行标定；探测器（2-3）实时探测两路激光束（1-5和1-6）的光束指向误差信息，并实时送至高速处理机（1-9），经高速处理机（1-9）进行控制运算，将光束指向误差信息转换成控制信号，然后送至高压放大器（1-8），以驱动相应的倾斜镜（1-4和1-7）发生偏转，使两路测量光束在合成传感器中的光束指向误差均得以消除，从而使聚焦像点重合；根据几何光学原理，测量光束聚焦成像像点（2-4）与主光束聚焦发射到目标点（1-13）时的聚焦光斑互为共轭，故当两测量光束经聚焦镜组（2-2）成像的像点（2-4）重合时，主光束经发射聚焦系统（1-12）作用于目标点（1-13）的光斑也重合。

2.根据权利要求1所述的基于光束稳定闭环控制的激光束共孔径功率合成系统，其特征在于：所述合成镜（1-11）镀膜条件为：前表面，即第一激光束（1-5）的入射面，对第一激光束（1-5）具有高反射率，所述高反射率指反射率达到99%以上；并对第二激光束（1-6）具有高透过率，所述高透过率指透过率达到97%以上；后表面对第二激光束（1-6）具有高透过率，所述高透过率指透过率达到98％以上。

3.根据权利要求1所述的基于光束稳定闭环控制的激光束共孔径功率合成系统，其特征在于：通过在经合成传感器（1-10）缩束以后的平行光束中放入色散元件（2-6），使原本重合的两路测量光束聚焦像点（2-4）分离成为两个独立的像点（2-5），便于光束稳定控制子系统单独提取各路光束的光束指向信息。

4.根据权利要求3所述的基于光束稳定闭环控制的激光束共孔径功率合成系统，其特征在于：所述色散元件（2-6）包括分光镜组、棱镜和闪耀光栅三类，可单独使用或组合使用。

5.根据权利要求1所述的基于光束稳定闭环控制的激光束共孔径功率合成系统，其特征在于：在所述合成传感器（1-10）中采用同一个探测器（2-3）进行多路光束远场像点的探测；所述探测器（2-3）为二维阵列探测器。

6.根据权利要求1所述的基于光束稳定闭环控制的激光束共孔径功率合成系统，其特征在于：所述两路激光束（1-5和1-6）的波长互不相同。

7.根据权利要求1所述的基于光束稳定闭环控制的激光束共孔径功率合成系统，其特征在于：根据需要对所述合成系统的合成路数进行扩展；扩展方法为：把第一激光束（1-5）或第二激光束（1-6）传输光路上的任意一面传输镜（1-1、1-2或1-3）更换成耦合分光镜（3-1、3-8或3-12），第一激光束（1-5）或第二激光束（1-6）仍然经过耦合分光镜（3-1、3-8或3-12）的前表面进行反射传输，而新扩展的激光束分别经过各自的倾斜镜、传输镜从耦合分光镜（3-1、3-8或3-12）后表面透射，经过前表面与第一激光束（1-5）或第二激光束（1-6）实现光束耦合；所述合成路数的扩展，可以把某一路的传输镜更改成耦合分光镜后进行扩展，也可把所有传输镜更改成耦合分光镜后进行更多路数的扩展，还可在新扩展的光路中针对传输镜继续进行扩展；进行合成路数的扩展以后，耦合分光镜的镀膜条件为：前表面对反射光束具有高反射率，所述高反射率指反射率达到99％以上，同时对新扩展的透射光束具有高透过率，所述高透过率指透过率达到97%以上，后表面对新扩展的透射光束具有高透过率，所述高透过率指透过率达到98%以上；进行合成路数的扩展以后，合成镜的镀膜条件也发生了改变：合成镜前表面对其反射方向入射的所有激光束均具有高反射率，同时对其透射方向入射的所有激光束均具有高透过率，后表面对其透射方向入射的所有激光束均具有高透过率，所述高透过率指透过率达到98%以上；进行合成路数的扩展以后，各路入射光束均有极小部分能量作为测量光束进入合成传感器，经过色散元件（2-6）以后，在探测器（2-3）聚焦成像的像点是相互分离的多个像点，这些像点作为各路光束的光束指向信息，可通过光束稳定控制子系统分别提取光束指向误差、处理计算、闭环控制和驱动相应的倾斜镜消除光束指向误差,扩展的各路激光束波长与原有的激光束波长均不相同。

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