CN1031532C - 激光束合成装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种激光束合成装置，用于激光束的空间合成。其特征是光束合成元件是由一四梭台形方解石晶体的底面与一楔形方解石晶体的斜面用加拿大胶胶合成的格兰-汤姆逊棱镜。两晶体的光轴平行各自通光的入射面，四棱晶体的底角大于或等于垂直入射的光在胶合面上的全反射临界角，两激光器至光束合成元件间的两光路中设有调焦望远镜。其中一光路中还设有1/2波片。具有合成空间范围大，能量利用率高和波长响应范围宽等优点。

Description

激光束合成装置

本发明涉及一种光学设备，具体说是一种激光束合成装置。

源自不同激光器的激光束的空间合成，在激光分离同位素、摄像、彩电等领域都是重要的技术环节。在现有技术中，可以利用多层介质膜双色分光镜将每一分立的激光束合成为同轴的混合光束，此方法能够获得指定波长范围内的高反射和高透射特性，据此而提出的激光束合成装置具有合成空间范围大，能量利用率高的优点，但其对波长的变化极为敏感，特别是当入射光束的波长差接近到100时，上述优点则随之消失。美国专利U.S.P4174150公开一种System For Combin-ing Laser Beams of Diverse Frequencies，利用分光镜作分束元件将输入光50％反射，50％透射，这样合成光束仅为原输入光束总能量的1/2，大大降低了实用功率。

本发明的目的是提供一种合成空间范围大、能量利用率高、波长响应范围宽的激光束合成装置。

双折射晶体，如方解石，对不同偏振光具有不同的折射率，当一束非偏振光沿不同于晶体光轴方向传播时，会产生二束不同偏振态的折射光。利用此现象，采用逆推方法将两束不同偏振态的光束输入双折射晶体，即可合成为一同轴光束。利用此原理设计本发明。具体说，本发明是这样实现的：一种激光束合成装置包括激光器和光束合成元件，所说的光束合成元件是由一块四棱台形方解石晶体的底面与楔形方解石晶体的斜面由加拿大胶胶合而成的格兰-汤姆逊棱镜，两块晶体的光轴平行各自通光的入射面，四棱台形方解石晶体的底角等于或大于垂直入射的光束在胶合面上的全反射临界角，两激光器与光束合元件间分别为垂直入射，两个激光器与光束合成元件间的两光路中分别设有由一平凸薄透镜和一平凹薄透镜组成的调焦望远镜，在其中一光路中调焦望远镜的后面设有调制光偏振度的1/2波片。

本发明中以格兰-汤姆逊棱镜为光束合成元件，其中加拿大胶为各向同性介质，对两折射光透明，折射率相同，而且满足；

              n₁＞n₀＞n₂其中n₁和n₂分别为两激光器产生的入射光的折射率，n₀为加拿大胶对二束光的折射率。当两束光分别垂直入射两晶体通光的入射面时，将沿垂直于晶体光轴的方向传播，并且都不偏折地射向胶合面，在胶合面上第一条折射光是从光密介质入射到光疏介质，当其入射角等于或超过其临界角时，即获得全反射，对第二条折射光而言，光束在胶合面上始终是从光疏介质入射到光密介质，因而不会产生全反射，又因胶很薄，此光束将沿直线穿过楔形晶体，这样两光束通过胶界面后就合成为一同轴光束。显而易见，这种合成元件对波长响应范围很宽，既可用于两束波长差很大的光束，也可以用于两束波长差很小的光束，甚至波长相同的两束光的合成，而且合成效率高。装置中利用调焦望远镜可以控制二束光的光斑面积，保证二束光在晶体的入射面上具有相同的截面积，又可达到大的合成空间。

现结合附图和实施例对本发明做具体描述；

图1为本发明所提供的一种用于合成二束激光的激光束合成装置示意图；

图2为本发明所提供的一种用于合成三束激光的激光束合成装置示意图；

图3为双色分光镜光输特性示意图，其中纵坐标和横坐标分别为入射光的透射率和波长。

如图1所示，一种用于合成二束激光的激光束合成装置，包括两台LPD-3000型可调谐染料激光器1和2，一个光束合成元件7，它是由一块四棱台形方解石晶体的底面与一块楔形方解石晶体的斜面用加拿大胶胶合而成的格兰-汤姆逊棱镜，两块晶体的光轴平行于各自通光的入射面，四棱台形方解石晶体的底角C等于或大于垂直入射的光束在胶合面上的全反射临界角，此处C≥68°。两激光器1和2与光束合成元件7之间的两条光路中分别设有由一面R＝106.4mm的平凸薄透镜和一面R＝124.22mm的平凹薄透镜组成的调焦望远镜3和4，调焦望远镜3或4的二镜片可以置于一体，也可分割布置在空间相距很大的位置上，具体可视光束的截面积和发散角而定。在第一光路中调焦望远镜3的后面设有反射率为99.5％的全反射镜5，用于调整光束方向，保证由激光器1发出的激光束垂直入射到四棱台形方解石晶体的通光入射面。如改变激光器1的位置，使之产生的激光束能直接垂直射入四棱台形方解石晶体的通光入射面，则可不设此反射镜5。在第二光路中调焦望远镜4的后面设有石英材料1/2波片6，用于调制源自激光器2的激光束的偏振度，使其与源自激光器1的激光束的偏振方向互相垂直。该1/2波片也可以置于第一光路中调焦望远镜3和全反射镜5之间，其作用相同。由激光器1和2发出的两种不同波长的激光束，在一般条件下均具有良好的线偏振特性，但因可调谐染料激光器结构相同，故其输出光的偏振方向一致，由于光程不同，在两晶体入射面处光斑截面积会有差异，因此两束不同波长的光束分别通过一调焦望远镜的调制，保证它们在两晶体的入射面上具有相同的截面积，经过调焦望远镜的两束光之一透过1/2波片6后，使光束的偏振方向旋转90°，这样二束原来偏振方向相同的光束就变成偏振方向互相垂直的光束，为光束合成提供了基本前提。这样两束源自激光器1和2的激光束垂直入射到两晶体的通光入射面后，经过光束合成元件7被合成为一同轴光束。还可以在合成的同轴光束的光路中设一分束镜8，能量很小的反射光束经一反射镜9被引入摄像头10，通过光学分析仪11来监测光束的特性和合成的空间特性。

如图2所示，一种用于合成三束激光的激光束合成装置，除了包括合成双束激光的激光束合成装置的部件外，它还设有一台LPD-3000型可调谐染料激光器12，在光束合成元件7的后部设有双色分光镜15，在激光器12至双色分光镜15之间的第三光路中设有调焦望远镜13和全反射镜14。如图3所示，双色分光镜15对光具有选择性传输特性，即对某一波段的光具有高的反射率，而对另一波段的光具有高的透射率，波长位于高透射带或波长位于高反射带的光经过双色分光镜后几乎全部被透射或被反射。利用这一传输特性可以很容易地将分别位于这两个谱带的光束合成为一束混频光束，并且可以获得较高的合成传输效率。本实施例中采用的三束激光，其波长分别为λ₁＝5760、λ₂＝5800、λ₃＝6300，前两者波长差仅为40，第三束光与前两者波长差500以上，首先使波长相近的二束光经格兰-汤姆逊棱镜7合成，得一同轴光束，再与第三束波长相差较大的光经双色分光镜15合成为一混频光束。能量利用率均高于90％以上，优于现有技术，而且合成光束具有良好的截面重叠性和光程。本实施例中同样可在混频光束的光路中设置由分束镜、反射镜、摄像头和光学分析仪组成的光束合成质量监测器。

Claims (3)

1.一种激光束合成装置包括激光器(1)和(2)及光束合成元件(7)，其特征在于所说的光束合成元件(7)是由一块四棱台形方解石晶体的底面与一楔形方解石晶体的斜面由加拿大胶胶合而成的格兰-汤姆逊棱镜，两块晶体的光轴平行于各自通光的入射面，四棱台形方解石晶体的底角大于或等于垂直入射的光束在胶合面上的全反射临界角，两激光器(1)和(2)与光束合成元件(7)间分别为垂直入射，两个激光器(1)和(2)与光束合成元件(7)间的两光路中分别设有由一平凸薄透镜和一平凹薄透镜组成的调焦望远镜(3)和(4)，在其中的一光路中调焦望远镜(3)或(4)的后面设有调制光偏振度的1/2波片(6)。

2.根据权利要求1所说的一种激光束合成装置，其特征在于它还设有一台激光器(12)，在光束合成元件(7)的后部设有双色分光镜(15)，在激光器(12)至双色分光镜(15)间的光路中设有调焦望远镜(13)和全反射镜(14)。

3.根据权利要求1或2所说的一种激光束合成装置，其特征在于在合成光束的后部设有由分束镜(8)、反射镜(9)、摄像头(10)和光学分析仪(11)组成的光束合成质量监测器。