CN103441424B - 飞焦级脉冲激光光源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞焦级脉冲激光光源，包括激光器、准直镜、分束镜、监视能量计、起偏器组件、固定衰减器组件、参考能量计、可变衰减器、扩束镜和计算机，激光器发出的光经准直镜后成为平行光，此平行光被分束镜分成两束，其中反射光束被监视能量计接收和探测，计算机根据监视能量计的探测值判断激光器是否稳定出光，透射光束镜经起偏器组件和固定衰减器组件后成为衰减线偏振光，衰减线偏振光通过透过率由计算机控制的可变衰减器衰减到要求的能量值，最后由扩束镜输出。本发明解决了计量测试中模拟远距离漫反射回波信号的难题，所提供的模拟光束具有能量均匀、稳定的特点。

Description

飞焦级脉冲激光光源

技术领域

本发明属于光学计量技术领域，主要涉及一种脉冲激光光源，尤其涉及一种强度连续可调的飞焦级脉冲激光光源。

背景技术

在雷达预警、激光测距、激光跟踪、激光制导等领域，远距离目标漫反射回波信号都非常微弱，能量值一般在飞焦（1飞焦等于10^－15焦耳）级，在相应设备和产品科研生产的过程中，需要对其性能进行计量校准，此时需要能够提供飞焦级弱光的光源来模拟漫反射回波信号，而现有的激光器能提供的最低能量值大约在十皮焦（即10^－11焦耳）级，因而需要采用激光器与衰减装置等相结合的方式来设计此类光源。

刘存成等发表在《国防技术基础》（2010年10月刊，24－27页）的《微能量脉冲激光光源量值溯源与研制方案的思考》中，提出利用中性衰减片和无极衰减器相结合的衰减方式实现飞焦级能量输出。如图1所示，光纤激光器发射的光束经准直物镜初步准直,通过0.1%～100%的渐变无级衰减器,平行光束被半透半反分光镜分成两束平行光。一束平行光透过分光镜,并通过有级衰减器和准直扩束物镜组出射平行光,其通光口径为30mm,脉冲能量为500pJ/cm²～1fJ/cm²,另一束平行光经分光镜反射进入激光能量计。通过插入适当透过率的有级衰减器,使出射光的脉冲能量与进入激光能量计的脉冲能量形成适当比例(以下简称透反比),使用激光能量计监测出射光的脉冲能量。当出射光的脉冲能量大于1pJ时,不插入有级衰减器,透反比可设定为1:1,从能量计读出的脉冲能量即为出射光脉冲能量；当出射光的脉冲能量小于1pJ时,插入适当透过率的有级衰减器,设定透反比为1:1000,从激光能量计读出的脉冲能量乘以透反比即为出射光脉冲能量。这一方案的不足之处在于，无极衰减器靠手动调节，无法提供准确量值，同时，无极衰减器存在无法克服的缺陷，即对于大口径光束，光束的不同位置通过衰减器后衰减比率各不相同，出来的光束均匀性无法保证；此外，中性衰减片在μJ能量级以上工作时透过率较为准确，而在fJ能量级的弱光下透过率会发生变化，而现有探测器只能探测光强数百飞焦的光，因此该方案的中性衰减片在实际工作中的透过率无法标定和验证。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一套均匀、稳定、准确的飞焦级脉冲激光光源，以模拟远距离目标漫反射回波信号。

本发明提供的飞焦级脉冲激光光源包括激光器，准直镜，分束镜，监视能量计，含有步进电机和偏振片的起偏器组件，含有多个中性衰减片和伺服电机的固定衰减器组件，放置在一维平台上的参考能量计、可变衰减器、扩束镜和计算机；激光器是线偏振光脉冲激光器，输出能量范围是1mJ～10mJ；监视能量计和参考能量计的最低能量探测值为500fJ；当参考能量计在一维平台带动下进入光路时，接收固定衰减器组件送出的透射光束并将探测值送给计算机；激光器发出的激光经准直镜成为平行光束，该平行光束经分束镜分成反射光束和透射光束，监视能量计探测反射光束并将探测值送给计算机，起偏器组件将透射光束转换成线偏振光，线偏振光经过固定衰减器组件的其中一个中性衰减片后，由可变衰减器衰减，衰减光束再由扩束镜扩束后供给外部设备使用。

计算机中装有飞焦光源采集控制软件包和用于控制可变衰减器的衰减控制模块，飞焦光源采集控制软件包含有采集模块、存储模块、控制模块、计算模块和显示模块，采集模块采集监视能量计和参考能量计的探测数值并将采集的数值送入存储模块，控制模块的功能是：控制伺服电机转动使相应的中性衰减片进入光路，当查询到激光束稳定标志时，使最大透过率的中性衰减片进入光路，在计算模块计算出透过率期望值q时，控制透过率值与该透过率期望值q最接近的中性衰减片进入光路；在光路调试或出光模式下，控制一维平台带着参考能量计进入光路或退出光路；在参考能量计采样期间，控制步进电机沿同一方向按步长运动，每当步进电机运动一个步长时控制采集模块读取参考能量计的探测值并存储，对存储的探测值进行比较判定，当一个探测值比其前一个探测值和后一个探测值都大时，则判定该探测值为最大探测值并记为Q，控制步进电机停止在最大探测值Q所对应的位置上；计算模块的功能是，计算监视能量计当前周期的探测信号平均值E_k，并与前一周期的探测信号平均值E_k－1进行比较，当|E_k－E_k－1|<E_k×1%时，置激光束稳定标志，k=1,2,3……，根据公式q=M/(G×0.5×0.0005)计算透过率期望值q，其中，M是用户要求飞焦级脉冲激光光源提供的光束能量值，G是激光器的输出能量，根据公式a=M/（Q×t）计算衰减期望值a并调用所述衰减控制模块使可变衰减器实现与衰减期望值a相等的透过率，其中，t当前位于光路中的中性衰减片的透过率值；显示模块的功能是在计算机的屏幕上显示相关参数和参考能量计所处状态。

本发明的技术效果体现在以下几个方面：

(一).本发明中采用起偏器对激光器发出的光进行起偏，使激光束变为严格的线偏振光，偏振性达到10⁵：1，有利于光束经后续光学元件后实现精确的透过率，保证了本发明所提供光源的准确性。

(二).本发明中先利用准直镜将光束扩束为直径10mm光束，再使用扩束镜将光束扩束为直径80mm的光束，这种二次扩束的设计，既避免购置大口径光学器件，节省设计成本，同时也避免了一次扩束带来的光束不均匀性问题。

(三).本发明中，中性衰减片始终在大于μJ能量级状态下工作，因此中性衰减片的透过率稳定可靠，避免了中性衰减片在微弱光条件下的透过率无法标定和验证的问题。

(四).本发明采用反射式可变衰减器，而不采用传统的无极衰减器，既不改变光束的空间位置，又保证了光束的均匀性。

附图说明

图1是微能量脉冲激光光源光学系统结构原理图。

图2是本发明飞焦级脉冲激光光源组成原理图。

图3是本发明中飞焦光源采集控制软件包工作流程。

具体实施方式

下面结合附图及优选实例对本发明作进一步的详述。

如图2所示，本发明优选实施例的飞焦光源包括激光器1、准直镜2、分束镜3、监视能量计4、起偏器组件5、固定衰减器组件6、参考能量计7、一维平台、可变衰减器8、扩束镜9和计算机10。可变衰减器8选用中国专利申请201210208446.4所公开的一种衰减比连续可调的飞焦级脉冲激光衰减装置，其衰减控制模块置入计算机10中，即在计算机10中能够通过调用该衰减控制模块使可变衰减器8实现0.85×10^-4～0.45的精确透过率。

激光器1是线偏振光脉冲激光器，输出能量在1mJ～10mJ，为满足系统要求，能量稳定性须优于1%。本实施例中选用的线偏振光脉冲激光器输出能量为3mJ、波长为1.064μm的部分线偏振脉冲激光，能量稳定度优于1%。

准直镜2是一片或一组透镜，为最大程度消除相差，保证准直后光束的平行性，透镜个数的设计原则与D/L有关，其中D为透镜直径，L为透镜焦距，D/L小于1/15时用一片透镜可以满足要求，D/L在1/15至1/8的时候，一般使用两片透镜才能较好的消除相差，D/L在1/8至1/4的时候一般采用三片透镜，透镜迎向入射光的一面镀制与激光器1波长相匹配的增透膜；激光器1位于准直镜2的物方焦点上。本实施例中准直镜2由三片透镜组成，这三片透镜的直径是10mm，迎向入射光的一面镀制1.064μm的增透膜。

分束镜3是分束比为1：1的立方棱镜；

监视能量计4和参考能量计7需要选用能够检测最低能量约为500fJ的能量计。本实施例中，监视能量计4和参考能量计7均选用LaserProbe公司的Rm-3700能量计,其量值经过标定，并溯源至国家标准。参考能量计7放置在一维平台上，一维平台带动参考能量计7沿垂直光轴作往复运动，当需要探测沿光轴行进的透射光束时，计算机10控制一维平台将参考能量计7的探测面移动至正对光轴的位置，当不需要探测时，计算机10控制一维平台光束将参考能量计7完全移出光路。

起偏器组件5含有偏振片、转盘和步进电机，偏振片固定在转盘上，转盘的中心与步进电机转轴固连，步进电机在计算机10的控制下可以带动转盘转动，使起偏片的起偏方向发生改变，偏振片的直径需大于光束直径，步进电机的最小步长角应小于20′。本实施例中，偏振片选用Newport公司生产的型号为10GL08AR.16的偏振片；步进电机选用松下公司生产的型号为15FBNA1的步进电机，该步进电机最小步长角小于20′。

固定衰减器组件6包含罗盘、多个直径大小相等的中性衰减片和伺服电机，罗盘的盘面上设有与中性衰减片数量相等的通孔且这些通孔均布在同一圆周上。所述的多个中性衰减片一一对应嵌入在这些通孔中，伺服电机的转轴与罗盘中心固连，伺服电机在计算机10的控制下带动罗盘转动，使相应透过率的中性衰减片进入光路中，伺服电机最小步长角应小于30′。本实施例中，中性衰减片的数量为六个，其透过率分别为0.1，0.05，0.02，0.002，0.001，0.0001；伺服电机选用松下公司生产的型号为MINAS－A4的伺服电机，其最小步长角小于30′。

扩束镜9由不同口径的两片分立凸透镜组成，光线入射端凸透镜的像方焦点与光线出射端凸透镜的物方焦点重合，这两个分立凸透镜迎向入射光的一面均镀制与激光器1波长相匹配的增透膜，具体设计中由于消除相差的考虑，扩束镜9的这两片凸透镜有时需要各自设计成透镜组。本实施例中扩束镜9包括两片直径分别为10mm和80mm的凸透镜，迎向入射光的一面均镀制1.064μm增透膜。

激光器1发出的光经准直镜2成为平行10mm的光束，该平行光束经分束镜3进行分光，反射光束由监视能量计4探测，监视能量计4将探测值送给计算机10；透射光束经起偏器组件5后成为线偏振光，再透过固定衰减器组件6的中性衰减片，在调试状态时参考能量计7位于光路上，参考能量计7接收固定衰减器组件6送出的透射光束并将探测值送给计算机10；在出光状态时参考能量计7移出光路，固定衰减器组件6送出的透射光束直接进入可变衰减器8，经过可变衰减器8进一步衰减，最后由扩束镜9扩束为直径80mm的光，供给外部设备使用。

计算机10中装有飞焦光源采集控制软件包，该软件包含有采集模块、存储模块、控制模块、计算模块和显示模块，各模块按照图3所示的流程协调工作。

采集模块的功能是采集监视能量计4和参考能量计7的探测数值并将采集的数值送入存储模块；采样周期为1分钟，采样周期内每秒采集一次。

存储模块用于存储监视能量计4和参考能量计7的探测数值。

控制模块的功能是：控制伺服电机转动使相应的中性衰减片进入光路，当查询到激光束稳定标志时，使最大透过率的中性衰减片进入光路，在计算模块给出透过率期望值q时，控制透过率值与该透过率期望值q最接近的中性衰减片进入光路；在光路调试时，控制一维平台带着参考能量计7进入光路，当光路调试完毕，控制一维平台带着参考能量计7移出光路；在参考能量计7采样期间，控制步进电机沿同一方向按步长运动，每运动一步由采集模块读取参考能量计7的探测值并依次存储，对存储的探测时进行比较判定，当一个探测值比其前一个探测值和后一个探测值都大时，判定该探测值为最大探测值并记为Q，将电机固定在最大探测值Q所对应的位置上。

计算模块的功能是，计算监视能量计当前周期的探测信号平均值E_k，并与前一周期的探测信号平均值E_k－1进行比较，当|E_k－E_k－1|<E_k×1%时，说明激光器1已经稳定出光，置激光束稳定标志，k=1,2,3……；根据公式（1）计算透过率期望值q，根据公式（2）计算衰减期望值a并调用所述衰减控制模块使可变衰减器8实现与衰减期望值a相等的透过率。

q=M/(G×0.5×0.0005)（1）

a=M/（Q×t）（2）

其中，M是用户要求本发明飞焦级脉冲激光光源提供的光束能量值，如无外部应用的要求，默认值为50fJ，G是激光器1的输出能量，本实施例中G为3mJ；公式（1）中含有因子“0.5”是因为激光器1发出的光束能量在经过1：1的分束镜3后减弱为原来的1/2,因子“0.0005”等于可变衰减器8线性特性较好状态下的透过率中值；t为当前位于光路中的中性衰减片的透过率值。

显示模块的功能是在计算机的屏幕上显示相关参数，包括监视能量计4和参考能量计7的当前探测值、固定衰减器组件6中处于工作位置的中性衰减片的透过率、透过率期望值q和衰减期望值a，并用文字显示参考能量计7是否处于光路中。

Claims (4)

1.一种飞焦级脉冲激光光源，包括激光器(1)、准直镜(2)和含有多个中性衰减片的固定衰减器组件(6)，其特征在于，还包括分束镜(3)、监视能量计(4)、含有步进电机和偏振片的起偏器组件(5)、放置在一维平台上的参考能量计(7)、可变衰减器(8)、扩束镜(9)和计算机(10)；激光器(1)是线偏振光脉冲激光器，输出能量范围是1mJ～10mJ；监视能量计(4)和参考能量计(7)的最低能量探测值为500fJ；当参考能量计(7)在一维平台带动下进入光路时，接收固定衰减器组件(6)送出的透射光束并将探测值送给计算机(10)；激光器(1)发出的激光经准直镜(2)成为平行光束，该平行光束经分束镜(3)分成反射光束和透射光束，监视能量计(4)探测反射光束并将探测值送给计算机(10)，起偏器组件(5)将透射光束转换成线偏振光，线偏振光经过固定衰减器组件(6)的其中一个中性衰减片后，由可变衰减器(8)衰减，衰减光束再由扩束镜(9)扩束后供给外部设备使用；

计算机(10)中装有飞焦光源采集控制软件包和用于控制可变衰减器(8)的衰减控制模块，飞焦光源采集控制软件包含有采集模块、存储模块、控制模块、计算模块和显示模块，采集模块采集监视能量计(4)和参考能量计(7)的探测数值并将采集的数值送入存储模块，控制模块的功能是：控制伺服电机转动使相应的中性衰减片进入光路，当查询到激光束稳定标志时，使最大透过率的中性衰减片进入光路，在计算模块计算出透过率期望值q时，控制透过率值与该透过率期望值q最接近的中性衰减片进入光路；在光路调试或出光模式下，控制一维平台带着参考能量计(7)进入光路或退出光路；在参考能量计(7)采样期间，控制步进电机沿同一方向按步长运动，每当步进电机运动一个步长时控制采集模块读取参考能量计(7)的探测值并存储，对存储的探测值进行比较判定，当一个探测值比其前一个探测值和后一个探测值都大时，则判定该探测值为最大探测值并记为Q，控制步进电机停止在最大探测值Q所对应的位置上；计算模块的功能是，计算监视能量计当前周期的探测信号平均值E_k，并与前一周期的探测信号平均值E_k-1进行比较，当|E_k-E_k-1|<E_k×1％时，置激光束稳定标志，k＝1,2,3……，根据公式q＝M/(G×0.5×0.0005)计算透过率期望值q，其中，M是用户要求飞焦级脉冲激光光源提供的光束能量值，G是激光器(1)的输出能量，根据公式a＝M/(Q×t)计算衰减期望值a并调用所述衰减控制模块使可变衰减器(8)实现与衰减期望值a相等的透过率，其中，t当前位于光路中的中性衰减片的透过率值；显示模块的功能是在计算机的屏幕上显示相关参数和参考能量计(7)所处状态。

2.根据权利要求1所述的飞焦级脉冲激光光源，其特征在于：所述固定衰减器组件(6)中的中性衰减片的数量为六个，其透过率分别为0.1，0.05，0.02，0.002，0.001，0.0001。

3.根据权利要求1所述的飞焦级脉冲激光光源，其特征在于：所述激光器(1)能量稳定性优于1％。

4.根据权利要求1所述的飞焦级脉冲激光光源，其特征在于：所述准直镜(2)的口径是10mm，所述扩束镜(9)由两片分立凸透镜组成，光线入射端凸透镜口径为10mm，光线出射端凸透镜口径为80mm。