CN103412403B - 激光光束调制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光光束调制系统，包括：激光器和至少一个激光光束调制机构，其中，激光器用于发出激光光束。每个激光光束调制机构均包括：光束调制装置和角度调整支架，光束调制装置用于对光束进行调制，光束调制装置设在角度调整支架上以由角度调整支架驱动旋转。根据本发明的激光光束调制系统，可通过调整光束调制装置的位置调整激光光束射入光束调制装置的入射角，从而提高激光光束调制系统的调制能力，又由于每个激光光束调制机构都设有角度调整支架，从而可实现对激光光束的光斑面积的精确调整。由于激光光束调制机构的数量可合理增加，从而可大幅度提高激光光束调制系统的调制能力。

Description

激光光束调制系统

技术领域

本发明涉及光学仪器领域，尤其是涉及一种激光光束调制系统。

背景技术

激光器发出的激光因自身及环境因素的影响，其激光波前振面上各点的相位不一致，从而降低了激光的质量。为了改善激光光束波前振面的相位一致性，需要对激光光束进行调制。

变形镜又称变形反射镜，是通过改变自己表面面形来补偿波前相位畸变的。变形镜作为波前校正器件以校正波前误差，在自适应光学系统中极其重要，其研究和发展关系到整个自适应光学系统的校正能力和校正精度。

我国在1986年建立起第一套激光波面校正系统（学术报告文献，姜文汉，自适应光学技术，《中国工程院第二次院士大会学术报告汇编》，1995年7月），其调节口径是70mm*70mm。目前应用在这方面最成功的就是美国劳伦斯·利费莫尔国家实验室的激光核聚变系统，采用由Beamlet公司成功研制的400mm*400mm的变形镜系统。该系统采用电磁制动器制动的方式，位移传递系统采用致动器直接接触弹性簧片的方式，弹性簧片与能动光学镜面粘连在一起，这样致动器的正向运动位移直接反应到光学镜面上，其负向位移则因弹性簧片的回复力实现，致动器采用六边形布局，实现了大口径（400mm*400mm）和较高调节精度的性能。

但在激光光束的实际调制过程中很可能遇到小口径的激光光束，现有技术中，光束调制装置上的变形镜的波前校正的能力一定，调制点的密度有限，当小口径的激光光束垂直或以小入射角度照射在光束调制器上，由于照射在光束调制器上的光斑面积太小而得不到足够数量的调制点调制。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种激光光束调制系统，该系统可提高小口径的激光光束的波前振面的相位调制的质量。

根据本发明的激光光束调制系统，包括：用于发出激光光束的激光器；至少一个激光光束调制机构，每个激光光束调制机构均包括：用于对光束进行调制的光束调制装置；角度调整支架，其中所述光束调制装置设在所述角度调整支架上以由所述角度调整支架驱动旋转。

根据本发明的激光光束调制系统，通过设有至少一个激光光束调制机构，每个激光光束调制机构的光束调制装置的位置可调，从而可通过调整光束调制装置的位置调整激光光束射入光束调制装置的入射角，进而提高激光光束调制系统的调制能力，又由于每个激光光束调制机构都设有角度调整支架，从而可实现对激光光束的光斑面积的精确调整。由于激光光束调制机构的数量可合理增加，从而可大幅度提高激光光束调制系统的调制能力。

另外，根据本发明的激光光束调制系统还具有如下附加技术特征：

根据本发明的实施例，所述光束调制装置包括：镜体；和多个调制点，所述多个调制点设在所述镜体的上表面上。从而提高激光光束的波前振面的相位一致性。

可选地，所述多个调制点在所述镜体的上表面上均匀排列。从而使镜体上调制点密度一致，激光光束可得到较为均匀的调制。

具体地，所述多个调制点在所述镜体的上表面上布置成多排多列。从而简化光束调制装置的结构。

可选地，所述镜体为方形或圆形。从而进一步简化光束调制装置的结构。

进一步地，所述角度调整支架包括：固定架；和旋转架，所述旋转架可枢转地设在所述固定架上，其中所述光束调制装置设在所述旋转架上。从而使得角度调整支架的结构简单，装配容易。

根据本发明的实施例，所述激光光束调制机构包括间隔开分布的第一和第二激光光束调制机构，所述第一和第二激光光束调制机构的光束调制装置的旋转轴线彼此垂直，其中所述激光器发出的激光光束依次通过所述第一和第二激光光束调制机构进行调制。从而激光光束在光束调制装置上的入射角易于控制，并能够简化激光光束的反射路径的计算过程。

进一步地，所述第一激光光束调制机构被构造成改变入射的激光光束的Y轴方向的角度，且所述第二激光光束调制机构被构造成改变入射的激光光束的X轴方向的角度，其中所述Y轴与所述激光器发出的激光光束的方向平行，所述X轴与所述Y轴垂直。从而进一步简化激光光束的反射路径的计算过程。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的激光光束调制系统的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的激光光束调制系统的光斑面积放大的原理示意图；

图3是根据本发明实施例的光束调制装置的结构示意图。

附图标记：

激光光束调制系统100、激光器1、激光光束1a、

激光光束调制机构2、角度调整支架21、固定架21a、旋转架21b、光束调制装置22、镜体22a、调制点22b、第一激光光束调制机构2a、第二激光光束调制机构2b

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

下面参考图1～图3描述根据本发明实施例的一种激光光束调制系统100。

根据本发明实施例的激光光束调制系统100，如图1所示，包括：激光器1和至少一个激光光束调制机构2，其中，激光器1用于发出激光光束1a。激光光束调制系统100包括一个或多个激光光束调制机构2，激光光束1a由激光器1发出后通过激光光束调制机构2进行调制。当激光光束调制系统100包括多个激光光束调制机构2时，每通过一个激光光束调制机构2，激光光束1a将得到一次调制。从而可通过合理增加激光光束调制机构2的数量，提高激光光束调制系统100的调制能力。

具体地，每个激光光束调制机构2均包括光束调制装置22和角度调整支架21，光束调制装置22用于对光束进行调制。光束调制装置22设在角度调整支架21上以由角度调整支架21驱动旋转，从而通过调整光束调制装置22的位置调整激光光束1a射入光束调制装置22的入射角。

由于小口径的激光光束1a垂直照射或以较小的入射角照射在光束调制装置22上时，形成的光斑面积太小，调制激光光束1a的作用面积太小。从而为了能够使激光光束1a得到充分的调制，在光束调制装置22的单位面积上的调制能力有限的情况下，可通过调整光束调制装置22相对入射的激光光束1a的角度，来调整小口径激光光束1a在光束调制装置22上的光斑面积，具体地，入射角度越大，激光光束1a在光束调制装置22上投射的光斑面积越大，从而可通过减少光束调制装置22相对入射的激光光束1a的角度，增加小口径激光光束1a在光束调制装置22上的光斑面积来实现激光光束1a的光斑面积的精确调整，即激光光束调制系统100的调制能力的精确调整。

根据本发明实施例的激光光束调制系统100，通过设有至少一个激光光束调制机构2，每个激光光束调制机构2的光束调制装置22的位置可调，从而可通过调整光束调制装置22的位置调整激光光束1a射入光束调制装置22的入射角，进而提高激光光束调制系统100的调制能力，又由于每个激光光束调制机构2都设有角度调整支架21，从而可实现对激光光束1a的光斑面积的精确调整。由于激光光束调制机构2的数量可合理增加，从而可大幅度提高激光光束调制系统100的调制能力。

在本发明的一些实施例中，如图3所示，光束调制装置22包括镜体22a和多个调制点22b，多个调制点22b设在镜体22a的上表面上。具体地，镜体22a为变形反射镜以反射激光光束1a，调制点22b可对激光光束1a进行波前振面的相位调制。也就是说，激光光束1a在被反射的同时还被调制点22b进行调相，从而提高激光光束1a的波前振面的相位一致性。可选地，镜体22a为方形或圆形。从而简化光束调制装置22的结构。

可选地，多个调制点22b在镜体22a的上表面上均匀排列，从而使镜体22a上调制点22b密度一致，激光光束1a可得到较为均匀的调制。具体地，多个调制点22b在镜体22a的上表面上布置成多排多列。从而进一步简化光束调制装置22的结构。当然本发明不限于此，多个调制点22b还可在镜体22a上圆周排列，也可以其他规则形式排列。

进一步地，如图1所示，角度调整支架21包括固定架21a和旋转架21b，旋转架21b可枢转地设在固定架21a上，其中光束调制装置22设在旋转架21b上，也就是说，通过调整旋转架21b与固定架21a的相对角度，可调整光束调制装置22上激光光束1a的入射角。从而使得角度调整支架21的结构简单，装配容易。

在本发明的一些实施例中，如图1所示，激光光束调制机构2包括间隔开分布的第一激光光束调制机构2a和第二激光光束调制机构2b，第一激光光束调制机构2a和第二激光光束调制机构2b的光束调制装置22的旋转轴线彼此垂直，激光器1发出的激光光束1a依次通过第一激光光束调制机构2a和第二激光光束调制机构2b进行调制。

具体地，如图1所示，第一激光光束调制机构2a的光束调制装置22的旋转轴线与激光器1发出的激光光束1a的的初始方向垂直，第二激光光束调制机构2b的光束调制装置22的旋转轴线也与激光器1发出的激光光束1a的的初始方向垂直，两条旋转轴线与激光光束1a的初始方向构成笛卡尔坐标系。由于光具有入射光线、反射光线和法线位于同一平面内且入射角等于反射角的性质，当第一激光光束调制机构2a和第二激光光束调制机构2b的光束调制装置22的旋转轴线彼此垂直设置时，激光光束1a在光束调制装置22上的入射角易于控制，并能够简化激光光束1a的反射路径的计算过程。

进一步地，如图1所示，第一激光光束调制机构2a被构造成改变入射的激光光束1a的Y轴方向的角度，且第二激光光束调制机构2b被构造成改变入射的激光光束1a的X轴方向的角度，其中Y轴与激光器1发出的激光光束1a的方向平行，X轴与Y轴垂直。从而进一步简化激光光束1a的反射路径的计算过程。

下面根据本发明的一个具体实施例来详细说明激光光束调制系统100如何能提高对小口径的激光光束1a的调制作用。如图1所示，激光光束调制系统100设有激光器1、第一激光光束调制机构2a和第二激光光束调制机构2b。每个激光光束调制机构2都包括光束调制装置22和角度调整支架21，其中，第一激光光束调制机构2a能够改变入射的激光光束1a的Y轴方向的角度，第二激光光束调制机构2b能够改变入射的激光光束1a的X轴方向的角度。光束调制装置22包括镜体22a和多个调制点22b，调制点22b设在镜体22a的上表面上。角度调整支架21包括固定架21a和旋转架21b，光束调制装置22设在旋转架21b上并能随旋转架21b相对固定架21a旋转。

具体地，如图1和图2所示，激光光束1a从激光器1射出的横截面的边长分别为D₁和D₂。激光光束1a在第一激光光束调制机构2a上的入射角为θ₁，入射角的范围为0°＜θ₁＜90°。激光光束1a与第一激光光束调制机构2a的夹角，即第一次掠入角为θ₁₀，θ₁₀=90°－θ₁。激光光束1a在第二激光光束调制机构2b的入射角为θ₂，入射角的范围0°＜θ₂＜90°，则激光光束1a与第二激光光束调制机构2b的夹角即第二次掠入角为θ₂₀，θ₂₀=90°－θ₂。

激光光束1a的入射横截面面积为S，S=D₁×D₂，由于光具有入射光线、反射光线和法线位于同一平面内且入射角等于反射角的性质，激光光束1a反射后横截面边长不变，横截面面积仍为S。

第一激光光束调制机构2a上的光斑面积为S₁，S₁=D₂×D₁/sinθ₁₀。激光光束1a在第一激光光束调制机构2a上的光斑放大倍数为N₁，N₁=S₁/S=1/sinθ₁₀。

第二激光光束调制机构2b上的光斑面积为S₂，S₂=D₁×D₂/sinθ₂₀。激光光束1a在第二激光光束调制机构2b上的光斑放大倍数为N₂，N₂=S₂/S=1/sinθ₂₀。

激光光束1a先后经两个激光光束调制机构2的光斑放大，放大总倍数为N，N=N₁×N₂=1/（sinθ₁₀·sinθ₂₀）。

假设激光光束1a在第一激光光束调制机构2a和第二激光光束调制机构2b上的入射角相等，以激光光束1a以不同入射角两次经过激光光束调制系统100的放大及调制为例，来详细说明入射角的大小与光斑放大倍数的关系。

第一种入射角为89°，第一次掠入角θ₁₀与第二次掠入角θ₂₀值为θ₁₀=θ₂₀=1°，入射的激光光束1a的面积S=10×10时，该光束在第一激光光束调制机构2a上的光斑面积为S₁=D₁×D₂/sin1°=5729.9，在第一激光光束调制机构2a上的光斑面积和激光光束1a的入射横截面面积的比值N₁=S₁/S=1/sin1°=57.3，故第一次光斑面积放大57.3倍。该光束经第一激光光束调制机构2a反射在第二激光光束调制机构2b上的光斑面积为S₂=D₂×D₁/sin1°=5729.9，在第二激光光束调制机构2b上的光斑面积和激光光束1a的入射横截面面积的比值N₂=S₂/S=1/sin1°=57.3，故第二次光斑面积放大57.3倍。两次反射的总光斑放大倍数N=N₁×N₂=57.3×57.3=3283.1，故经过两次调制的激光光束1a的光斑放大倍数为3283.1倍。

第二种入射角为89.5°，第一次掠入角θ₁₀与第二次掠入角θ₂₀为θ₁₀=θ₂₀=0.5°，入射的激光光束1a的面积S=10×10时，该光束在第一激光光束调制机构2a上的光斑面积为S₁=D₁×D₂/sin0.5°=11459.3，在第一激光光束调制机构2a上的光斑面积和激光光束1a的入射横截面面积的比值N₁=S₁/S=1/sin0.5°=114.6，故第一次光斑面积放大114.6倍。该光束经第一激光光束调制机构2a反射在第二激光光束调制机构2b上的光斑面积为S₂=D₂×D₁/sin0.5°=11459.3，在第二激光光束调制机构2b上的光斑面积和激光光束1a的入射横截面面积的比值N₂=S₂/S=1/sin0.5°=114.6，故第二次光斑面积放大114.6倍。两次反射的总光斑放大倍数N=N₁×N₂=114.6×114.6=13131.6，故经过两次调制的激光光束1a的光斑放大倍数为13131.6倍。

设激光光束1a经激光光束调制机构2在两种不同的入射角的的光斑放大倍数为M，在上述的第一种入射角为1°，第二种入射角为0.5°的示例中，M=13131.6/3283.1=（sin1°）²/（sin0.5°）²=4。

现有技术中，光束调制装置22上的调制点22b的密度是有一定限制的。当调制点22b密度不变时，即在两种入射角度的情况下光斑区域内调制点22b个数的比值也为M。

由上述数值比较可知，激光光束1a的掠入角越小，激光光束1a在激光光束调制机构2上的光斑面积放大倍数越大，光斑区域内调制点22b越多，从而因得到充分的调制而达到更好的波前振面相位质量。也就是说，通过增大激光光束1a在光束调制装置22上的入射角角度就能提高光斑区域内的调制点22b个数，进而提高激光光束1a的波前阵面的相位一致性。

根据本发明实施例的激光光束调制系统100的其他构成例激光器1、调致点等的结构以及原理对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。

在本说明书的描述中，参考术语“一些实施例”或“一个实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种激光光束调制系统，其特征在于，包括：

用于发出激光光束的激光器；

至少一个激光光束调制机构，每个激光光束调制机构均包括：

用于对光束进行调制的光束调制装置；

角度调整支架，其中所述光束调制装置设在所述角度调整支架上以由所述角度调整支架驱动旋转；

其中，所述激光光束调制机构包括间隔开分布的第一和第二激光光束调制机构，所述第一和第二激光光束调制机构的光束调制装置的旋转轴线彼此垂直，其中所述激光器发出的激光光束依次通过所述第一和第二激光光束调制机构进行调制。

2.根据权利要求1所述的激光光束调制系统，其特征在于，所述光束调制装置包括：

镜体；和

多个调制点，所述多个调制点设在所述镜体的上表面上。

3.根据权利要求2所述的激光光束调制系统，其特征在于，所述多个调制点在所述镜体的上表面上均匀排列。

4.根据权利要求3所述的激光光束调制系统，其特征在于，所述多个调制点在所述镜体的上表面上布置成多排多列。

5.根据权利要求2所述的激光光束调制系统，其特征在于，所述镜体为方形或圆形。

6.根据权利要求1所述的激光光束调制系统，其特征在于，所述角度调整支架包括：

固定架；和

旋转架，所述旋转架可枢转地设在所述固定架上，其中所述光束调制装置设在所述旋转架上。