CN104319619A - 一种基于衍射光栅的激光光束脉冲时序合成装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光技术领域，提供了一种基于衍射光栅的激光光束脉冲时序合成装置。所述合成装置中包括多个脉冲激光器组以及与所述脉冲激光器组对应的光栅。其中，当光栅运动到与其对应的脉冲激光器组的工作位置时，同步控制装置向所述脉冲激光器组发出指令，触发其输出脉冲激光，使得所述脉冲激光在所述光栅的衍射作用下进入预设的主光路。除此以外，光栅不在所述脉冲激光器组的工作位置时，不阻挡其他脉冲激光器组输出的脉冲激光进入主光路。本发明将光谱合成技术与机械式时序合成技术相结合，在不需要减小各子激光波长间隔并且不增加衍射光栅的个数的前提下，提高了脉冲激光的合成路数并保持优良的光束质量。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种基于衍射光栅的激光光束脉冲时序合成装置。
背景技术
一般来说，单台激光器随着输出功率的提高，其光束质量将非线性下降，因此采用将多束激光合成为一束是获得高功率高光束质量激光的重要方法。目前的激光光束合成技术主要包括：直接合成技术、相干合成技术、偏振合成技术、光谱合成技术、脉冲时序合成技术等。
直接合成技术是将多束子激光边靠边的依次并排叠加，或者通过光束整形变换的方法实现多束子激光的光束合成。具有原理简单和稳定性高的优点。但合成后激光的光束质量会随着合成子激光数目的增加而快速下降，因此不利于得到高功率高光束质量的激光输出。相干合成技术是通过高精密控制技术使各子激光满足频率相同、偏振相同、相位差恒定等严格条件，从而实现多束激光的相干合成。这种方法合成效率高，但同时要实现多束子激光的频率、偏振完全一致、相位差恒定，其控制系统的精度要求非常高、实现难度大、系统结构复杂。偏振合成是利用不同偏振状态的两束子激光通过偏振器件(如偏振片等)实现光束合成。这种技术可合成的子激光数量有限，从而导致合成激光功率受限；而且，这种技术对子激光的线偏振度要求很高，而高功率激光存在热退偏等问题，难以保持高的线偏振度，因此在高功率激光合成方面，偏振合成技术受到一定局限。
光谱合成技术是利用光栅、棱镜等光学器件实现多束不同波长激光的合成，由于光谱合成不需对各子激光的相位、偏振、以及振幅进行控制就能实现合成光束在远场和近场保持较好的重叠，因此受到广泛关注。但此方法需要采用不同波长的多台激光器，因此合成子激光数量受激光输出波长和光栅光谱宽度的限制。而且，如果通过减小各子激光波长间隔来增加合成路数时，串扰将导致总的合成效率逐渐下降。因此，利用单个光栅可实现多路子激光合成，但因子激光输出波长、光栅光谱宽度以及串扰效应的限制，合成子激光数量受限，因此通过光栅光谱合成实现的激光合成输出功率也受到一定限制。
脉冲时序合成技术是以多个脉冲激光器为子激光，通过一定光路，使各个脉冲激光器的光束按一定时间顺序发射，但多路子激光空间重合，从而实现时序上的光束合成，可以大大提高激光平均功率。目前，脉冲时序合成技术主要有偏振式时序合成和机械式时序合成。其中，偏振式脉冲时序合成技术利用电光调制等方式控制各子激光的偏振态改变，并通过偏振器件实现各子激光束合成。这种方法需要各子激光保持高线偏振度以保障合成效率，但由于热畸变导致的退偏问题，高功率激光不利于保持高线偏振度，因此这个技术会影响高功率激光的合成效率。机械式时序合成则不存在上述因热畸变导致退偏而降低光束合成效率的问题，因此相对来说更加适用于高功率激光的合成。目前，机械式时序合成是顺序发射各子激光，使各子激光通过若干次反射形成空间重合(为便于描述，下文中将最终形成空间重合的所在光路称为主光路)以达到光束合成的目的。参考文献《激光与红外》，2006年，Vol.36,No.10,925～926页所公开的多路高功率激光器技术就是一种典型的机械式时序合成技术。分析该多路高功率激光器技术可以看出，为使各子激光空间重合，需要使用多个反射镜将不同位置的各子激光器输出的子激光传输至主光路上。而多个子激光的光路中的反射镜有时会处于其它子激光的光路上，易形成相互干扰，因此需要有同步设备高精度控制各反射镜移动，使其在相应子激光器发射脉冲激光时，恰好移动至光路中所需位置，而相应激光器不发射脉冲激光时，则移出光路以免干扰其它子激光进入主光路。这种方案的光路中每个合成模块仅能增加一路合成子激光，合成N路子激光，系统需N－1个合成电机及转镜，因此随着合成子激光路数的增加，系统的复杂程度及对同步控制精度的要求也增大。
综上所述，每一种激光合成技术都有其独特的优势，但是每一种激光合成技术在实现高功率、高光束质量的激光合成上均受到不同程度、不同方面的限制。有鉴于此，亟需提供一种高光束质量、高功率的激光合成装置。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题就是如何提供一种高光束质量、高功率的激光合成装置。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于衍射光栅的激光光束脉冲时序合成装置，包括两组以上脉冲激光器组，与所述每个脉冲激光器组配合的光栅，以及同步控制装置；其中，至少一个所述脉冲激光器组中包括两个以上不同波长的子激光器；所述光栅可相对所述脉冲激光器组做周期运动；
所述同步控制装置用于实现所述脉冲激光器组的开启停止与所述光栅进入和离开工作位置之间的同步，并且当所述光栅处于所述脉冲激光器组的工作位置时，所述脉冲激光器组的各子激光器同时发射脉冲激光，并且第i个子激光器输出的脉冲激光与所述光栅之间满足光栅方程d(sinαi±sinβ)＝mλi(m＝0,±1,±2…)，所述同步控制装置向所述脉冲激光器组发出指令，触发其输出脉冲激光，使得所述脉冲激光在所述光栅的衍射作用下进入预设的主光路；
其中，d为光栅常数，αi为第i个子激光发射的脉冲激光到光栅的入射角度，β为脉冲激光经过光栅后的衍射角，m为光谱级数，λi为第i个子激光发射的脉冲激光的波长；
所述光栅离开与之对应的所述脉冲激光器组的工作位置时，不阻挡其他脉冲激光器组输出的脉冲激光进入主光路。
优选地，还包括位置传感器；所述位置传感器用于监测所述光栅的位置，并且将监测结果发送给所述同步控制装置。
优选地，所述所有脉冲激光器组与同一个光栅配合；所述光栅绕以固定周期自转，且转动过程中依次经过所述所有脉冲激光器组的工作位置。
优选地，所述每个脉冲激光器组与各自的光栅配合；所述脉冲激光器组的位置固定，所述所有光栅安装在传动装置上；所述传动装置与所述同步控制装置连接，使得所述同步控制装置获取所述传动装置中光栅的位置信息；所述传动装置包括电机和主传动件；所述电机驱动所述主传动件运动；所述光栅安装在所述主传动件上，并在所述主传动件的带动下，朝同一个方向做周期运动，使得所述光栅依次到达与之对应的所述脉冲激光器组的工作位置。
优选地，所述主传动件包括带轮和传动带；所述传动带安装于所述带轮上，并在电机的驱动下，带动所述光栅做周期平移运动；其中，所述脉冲激光器组沿所述传动带传动方向依次分布；所述所有脉冲激光器组的脉冲激光的入射点相同；所述传动带带动所述所有光栅依次经过所述入射点，并且所述各个光栅在所述传动带上的固定位置满足所述与之配合的脉冲激光器组的入射角度要求，使得所述脉冲激光器组输出的脉冲激光经过光栅衍射后进入主光路。
优选地，所述主传动件为转轴；所述脉冲激光器组沿所述转轴的轴向依次分布在转轴的一侧，并且所述所有脉冲激光器组位于同一平面上；所述每个脉冲激光器组的各个子激光器分别位于所述主光路的两侧；所述光栅安装在与之配合的所述脉冲激光器组的激光传输方向上；且所述光栅与所述脉冲激光器组在轴向上间隔分布；所述光栅沿所述转轴的周向依次分布，使得所述光栅在转轴转动时，依次经过所述所有脉冲激光器组所在的平面，并和所述主光路相交；并且，所述光栅在所述转轴上的固定位置满足所述与之配合的脉冲激光器组的入射角度要求。
优选地，所述转轴带动所述固定底座上的光栅做扇形往复运动。
优选地，还包括一台激光输出方向位于所述主光路上的激光器。
优选地，所述每个脉冲激光器组与各自的光栅配合，所述所有脉冲激光器组位于同一平面上且位置固定，每个脉冲激光器组的各个子激光器分别位于所述主光路的两侧；所述光栅与所述脉冲激光器组在主光路方向上间隔分布，所有光栅位于与之配合的所述脉冲激光器组的前方，且安装在各自对应的活塞驱动装置上，所述活塞驱动装置与所述同步控制装置连接，在同步控制装置的控制下，带动所述光栅做周期运动，运动方向垂直于所述激光器组所在平面。
优选地，所述每个脉冲激光器组完全相同，或者每个脉冲激光器组不相同。
(三)有益效果
本发明的方案具有以下有益效果:本发明将光谱合成技术与机械式时序合成技术相结合。相对于光谱合成技术而言，本方案在不需要减小各子激光波长间隔的前提下，提高了脉冲激光的合成路数，从而避免了串扰引起的合成效率下降的问题，进而在提高合束激光功率的同时保持优良的光束质量。相对于机械式时序合成技术而言，本方案采用了衍射光栅将同一脉冲激光器组中的不同波长的子激光器发射的脉冲激光衍射到同一主光路上，因此一个衍射光栅可以对应多个子激光器，从而在提高脉冲激光的合成路数的同时，不增加衍射光栅的个数，从而降低了系统的复杂程度以及同步控制的难度。
本发明的优选方案中，采用位置传感器监测所述光栅的位置，并将监测结果发送给同步控制装置。所述同步控制装置根据位置传感器提供的光栅位置信息产生触发信号，并向该光栅所对应的激光器组发出指令触发其发射脉冲激光。通过位置传感器和同步控制装置二者配合以精密控制多路激光脉冲时序合成。
本发明的另一优选方案中，采用一个绕自身做周期转动的光栅与所述所有的脉冲激光器组配合。所述光栅转动过程中依次经过所有脉冲激光器组的工作位置。通过采用此结构，避免了光栅过多导致的系统复杂且光栅不易控制的问题，也防止了光栅阻挡其他脉冲激光器组输出的脉冲激光进入主光路的情况，从而简化了装置结构，节约了控制和维护成本。除此以外，光栅自身旋转的过程有助于散热，从而提高光栅的损伤阈值。
本发明的又一优选方案中，将所有光栅固定在传动带上，传动带带动所有光栅朝同一个方向做周期循环运动，并且所有脉冲激光器组的脉冲激光的入射点相同。本方案避免了往复活塞运动需克服惯性的问题，因此能提高光栅循环移动的频率，从而增大合束激光的功率。另外由于各组脉冲激光器组的脉冲激光的入射点相同，因此不存在需要为多个激光入射位置分别配置冷却系统的问题，从而能够减小装置的体积，节省制造成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1：反射式光栅多路激光合成机理示意图；
图2：透射式光栅多路激光合成机理示意图；
图3：实施例一对应的基于循环移动反射光栅的激光光束脉冲时序合成装置的结构示意图；
图4：实施例二对应的基于上下往复移动透射光栅的激光光束脉冲时序合成装置的结构示意图；
图5：实施例三对应的基于扇形或者圆周运动的透射光栅的激光光束脉冲时序合成装置的结构示意图；
图6：实施例四对应的基于单个旋转光栅的激光光束脉冲时序合成装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
需要说的是，以下实施方式都是以衍射光栅将多束不同波长的入射光光束合成并衍射至所需的主光路的方法为基础。根据光栅方程：d(sinαi±sinβ)＝mλi(m＝0,±1,±2…；i＝1,2,3…)，其中，d为光栅常数，αi为入射角，β为衍射角，m为光谱级数，λi为入射光波长。αi和β角度值都取正数，如果两角分居法线异侧，公式中取“－”；如果两角分居法线同侧，公式中取“+”。对于相同的光谱级数m，不同波长λ1、λ2、λ3...的光入射，分别控制各束光的入射角α1、α2、α3…，使得每一束光经过光栅后的出射光都以相同的衍射角β沿主光路出射，从而实现λ1、λ2、λ3...多数激光光束合成。
请参见图1和图2，图1为反射式光栅多路激光合成机理示意图；图2为透射式光栅多路激光合成机理示意图。
脉冲激光器组1-1包括三台分立的激光器1-11、1-12、1-13，分别发射波长为λ1、λ2、λ3的激光束4-11、4-12、4-13，激光束4-11、4-12、4-13分别以α1、α2、α3的入射角照射到反射光栅2上，入射角为激光束与光栅法线3之间的夹角。且以上参数满足d(sinαi－sinβ)＝λi，(i＝1,2,3，αi代表第i台子激光器的入射角，λi代表第i台子激光器发出的脉冲激光的波长)，d为光栅常数。因此，三束子激光4-11、4-12、4-13经过光栅2后的干涉一级最大发射光以相同的衍射角β沿主光路5出射，实现激光光束合成。
基于上述衍射光栅工作机理，本发明提供一种基于衍射光栅的激光光束脉冲时序合成装置，包括两组以上脉冲激光器组，与所述每个脉冲激光器组配合的光栅，以及同步控制装置；其中，至少一个所述脉冲激光器组中包括两个以上不同波长的子激光器；所述光栅可相对所述脉冲激光器组做周期运动；所述同步控制装置用于实现所述脉冲激光器组的开启停止与所述光栅进入和离开工作位置之间的同步，并且当所述光栅处于所述脉冲激光器组的工作位置时，所述脉冲激光器组的各子激光器同时发射脉冲激光，并且第i个子激光器输出的脉冲激光与所述光栅之间满足光栅方程d(sinαi±sinβ)＝mλi(m＝0,±1,±2…)，所述同步控制装置向所述脉冲激光器组发出指令，触发其输出脉冲激光，使得所述脉冲激光在所述光栅的衍射作用下进入预设的主光路；其中，d为光栅常数，αi为第i个子激光发射的脉冲激光到光栅的入射角度，β为脉冲激光经过光栅后的衍射角，m为光谱级数，λi为第i个子激光发射的脉冲激光的波长；所述光栅离开与之对应的所述脉冲激光器组的工作位置时，不阻挡其他脉冲激光器组输出的脉冲激光进入主光路。此处需要说明的是，当所述光栅运动到特定位置时，所述脉冲激光器组的各个子激光器都朝光栅表面的一点发射脉冲激光，其后所述所有脉冲激光经过光栅的衍射以后都能进入预设的主光路，此时这个特定位置就称为工作位置或者脉冲激光器组的工作位置。此外需要强调的是，所述光栅做周期运动并不是必须光栅需要一直持续运动，光栅的运动时常也视乎激光束的持续时间而定，如果只需发射瞬时高功率的激光束，那么光栅运动时间也维持很短。下面结合实施例进行具体说明。
实施例一
请参见图3，该图为基于循环移动反射光栅的激光光束脉冲时序合成装置的结构示意图。
本实施例一中，每个脉冲激光器组与各自的光栅配合，所述脉冲激光器组的位置固定，所述所有光栅安装在传动装置上；所述传动装置与所述同步控制装置连接，使得所述同步控制装置获取所述传动装置中光栅的位置信息；所述传动装置包括电机和主传动件；所述电机驱动所述主传动件运动；所述光栅安装在所述主传动件上，并在所述主传动件的带动下，朝同一个方向做周期运动，使得所述光栅依次到达与之对应的所述脉冲激光器组的工作位置。
本实施例一中，脉冲激光单元包括脉冲激光器组1-1、脉冲激光器组1-2、脉冲激光器组1-3。其中，所述脉冲激光器组1-1中包含三台分立的激光器1-11、1-12、1-13，所述脉冲激光器组1-2中包含三台分立的激光器1-21、1-22、1-23，所述脉冲激光器组1-3中包含三台分立的激光器1-31、1-32、1-33。每个脉冲激光器组对应设置有与之配合的反射光栅，分别为反射光栅2-1、2-2、2-3，各个光栅的法线分别为法线3-1、3-2、3-3。本实施例中,传动装置包括电机和主传动件。主传动件包括带轮6和传动带7。所述传动带7安装在带轮6上，带轮6在电机的带动下旋转，从而带动传动带7传动。反射光栅2-1、2-2、2-3依次安装在传动带7上，当带轮6带动传动带7平移时，所述反射光栅2-1、反射光栅2-2、反射光栅2-3从左向右移动，并依次通过上述各个脉冲激光器组的相同的入射点11。所述反射光栅2-1、反射光栅2-2、反射光栅2-3运动到所述入射点11时，此时光栅的位置处于与其对应的脉冲激光器组的工作位置上，也即脉冲激光入射到光栅上的入射点11位置上后，经过光栅衍射后能进入到主光路。此处需要说明的是，实践中一般先设定主光路的路径，并且光栅常数和各个子激光器发射的脉冲激光的波长也是确定的，那么通过光栅方程既可以得出其入射角和衍射角之间的关系，此时通过调整光栅和脉冲激光组中子激光的位置，既可以使得入射的脉冲激光按照预设的主光路衍射出去。
本实施例一中，三个反射光栅2-1、2-2、2-3均为石英基质，镀金属薄膜，刻痕数为300/mm的光栅。
其中，反射光栅2-1的法线与传动带7传动方向的夹角为30°。脉冲激光器组1-1中激光器1-11、1-12、1-13分别发射波长为1055nm、1064nm、1319nm的脉冲激光。当反射光栅2-1运动到入射点11时，使激光器1-11、1-12、1-13的发射激光和光栅2-1形成的入射角分别为34.51°、34.7°和40.22°。通过光栅2-1衍射后，激光器1-11、1-12、1-13的三束子激光合成，沿主光路5射出。主光路5与传动方向12的夹角为15°。
反射光栅2-2的法线与传动带7传动方向的夹角为35°。脉冲激光器组1-2中激光器1-21、1-22、1-23同样发射波长为1055nm、1064nm、1319nm的脉冲激光。当反射光栅2-2运动到入射点11时，激光器1-21、1-22、1-23的发射激光和光栅2-2形成的入射角分别为41.18°、41.39°和47.54°。通过光栅2-2衍射后，激光器1-21、1-22、1-23的三束子激光合成，沿主光路5射出。
反射光栅2-3的法线与传动带7传动方向的夹角为45°。脉冲激光器组1-3中激光器1-31、1-32、1-33同样发射波长为1055nm、1064nm、1319nm的脉冲激光，此处需要说明的，本实施例中三个脉冲激光器组相同，都采用波长为1055nm、1064nm、1319nm的子激光器，从而减少不同设备的投入，并且便于后续主光路上得到波长相对统一的脉冲激光；当然各个脉冲激光器组也可以不同，从而在不包含多个相同激光器的实验条件下，也能随意选择任何子激光器完成合成装置的组装。当反射光栅2-3运动到入射点11时，激光器1-31、1-32、1-33的发射激光和光栅2-3形成的入射角分别为54.74°、55°和63.6°。通过光栅2-3衍射后，激光器1-31、1-32、1-33的三束子激光合成，沿主光路5出射。
最终在主光路5上得到高平均功率、高光束质量的时序合成脉冲激光输出。
需要说明的是，本实施例一中采用位置传感器9和同步控制装置10二者配合，以实现精密控制多路激光脉冲时序合成。位置传感器9与同步控制装置10电连接，所述位置传感器9负责监测每个光栅到达入射点11的情况，并将探测的位置数据传送给同步控制装置10。同步控制装置10与脉冲激光器组的各激光器电连接，负责控制脉冲激光器组和光栅位置的整体同步。所述同步控制装置10根据位置传感器9提供的光栅位置信息，产生触发信号并向该光栅所对应的激光器组发出指令触发其发射脉冲激光。除此以外，同步控制装置10可以设定光栅的移动速度。当光栅2-1移动到所述入射点11时，光栅2-1对应的脉冲激光器组1-1同步输出脉冲激光4-1并入射到光栅2-1上，衍射后的脉冲激光沿主光路5出射。此时，激光器组1-2和激光器组1-3都不输出激光。其他光栅移动到所述入射点11时，脉冲激光器组的情况依次类推。本实施例一中，传动带7上的光栅是循环移动的，三个反射光栅2-1、2-2、2-3依次以特定间距固定于传动带上。当光栅2-3离开脉冲激光器组1-3的工作位置后，光栅2-1将会紧接着进入脉冲激光器组1-1的工作位置。此处需要强调的是，传动带上的光栅数目还可以根据需要调整，当然脉冲激光器组的数量也不必须是三个。此外，光栅间距与传动带速度都是根据同步控制装置控制需要设计的。
本实施例一中，所述三个反射光栅分别通过固定底座8-1、8-2、8-3固定于传动带7上，具体地可以通过夹具将光栅底部固定在固定底座上，或者将光栅下部的非工作面牢靠的粘结在固定底座上。
按照上述规律，将脉冲激光器组1-1、脉冲激光器组1-2、脉冲激光器组1-3分别安装在特定的位置，使得它们各自发射的脉冲激光在不同时刻经各光栅衍射后按时间顺序在所述主光路5上空间重合，形成一束合束脉冲激光。其中，脉冲激光器组1-1、脉冲激光器组1-2、脉冲激光器组1-3的安装位置正好相互错开，各自光路不会相互影响。
该实施例一中，利用传动带7循环移动的方式带动光栅周期运动，不存在往复活塞运动需克服惯性的问题，因此能提高光栅循环移动的频率，从而增大合束激光的功率。另外，该实施例一中，各个光栅的入射点相同，各束激光从同一空间位置入射相应的光栅面，因此便于冷却。同时由于不需要为多个激光入射位置分别配置冷却系统，因此能够减小体积，节省成本。
需要说明的是，首先，各个脉冲激光器组中的激光器输出的波长可以不同,各个反射光栅的光栅常数也可以不同。并且，应当理解反射光栅和透射光栅都适用本实施例一中。其次，脉冲激光器组中的各个激光可以是固体激光器、气体激光器或染料激光器等。最后，本实施例中，除了采用位置传感器实现同步控制装置的同步以外，还可以采用其他方式。例如，可以通过精确控制各激光器发射激光的时间来使其与光栅的移动相匹配。
实施例二
请参见图4，该图为基于上下往复移动透射光栅的激光光束脉冲时序合成装置的结构示意图。
本实施例二中，每个脉冲激光器组与各自的光栅配合，所述所有脉冲激光器组位于同一平面上且位置固定，每个脉冲激光器组的各个子激光器分别位于所述主光路的两侧；所述光栅与所述脉冲激光器组在主光路方向上间隔分布，所有光栅位于与之配合的所述脉冲激光器组的前方，且安装在各自对应的光栅驱动装置上；所述光栅驱动装置与所述同步控制装置连接，在同步控制装置的控制下，带动所述光栅周期运动。此处需要说明的是，所有光栅位于与之配合的所述脉冲激光器组的前方指的是位于脉冲激光的传输方向上。
本实施例二中，脉冲激光单元包括脉冲激光器组1-1、1-2和1-3。所述激光器组1-1中包含4台分立的激光器1-11、1-12、1-13、1-14，所述激光器组1-2中包含4台分立的激光器1-21、1-22、1-23、1-24，所述激光器组1-3中包含4台分立的激光器1-31、1-32、1-33、1-34。每个脉冲激光器组对应设置有与之配合的透射光栅，分别为透射光栅2-1、2-2、2-3，每个光栅分别固定传动装置上，并在光栅驱动装置的带动下相对所述脉冲激光器组做周期运动。本实施例二中光栅驱动装置包括电机和主传动件，主传动件为活塞驱动装置13-1、13-2、13-3。其中，所述活塞驱动装置的运动方向垂直于所有激光器组所在的平面。本实施例二中优选通过固定底座8-1、8-2、8-3将光栅固定在各个活塞驱动装置上。具体可以通过夹具固定或者将光栅下部的非工作面牢靠的粘结在固定底座上。每个光栅在活塞驱动装置的带动下，做上下往复运动，并反复进入和移出各自的工作位置11-1、11-2和11-3。其中，由激光器组1-i、透射光栅2-i、固定底座8-i及其活塞驱动装置13-i(i＝1、2、3)，组成合成单元15-i。
本实施例二和实施例一对比，其光栅不是采用同一个传动装置，而是分别采用与各自配合的光栅驱动装置。需要说明的是，相比于实施例一，本实施例二的光栅驱动装置往复运动过程中需要克服一定的惯性，因此本实施例二的合成装置的工作效率不如实施例一中的高。
需要注意的是，本实施例二中脉冲激光器组1-1、1-2、1-3的若干个子激光器分别安装于主光路5的两侧，并在透射光栅的衍射作用下，使得脉冲激光器组各个激光器发射的脉冲激光进入主光路5。除此以外，本实施例二中采用三个位置传感器9-1、9-2、9-3，分别监测透射光栅2-1、2-2、2-3的位置，并将透射光栅的位置信息传送给同步控制装置10。同步控制装置10与脉冲激光器组的各激光器电连接。
以合成单元15-1为例：位置传感器9-1负责将透射光栅2-1的位置信息传送给同步控制装置10。当透射光栅2-1进入其工作位置11-1时，同步控制装置10根据光栅2-1的位置信息产生触发信号，并向光栅2-1所对应的激光器组1-1发出指令，触发其发射脉冲激光4-1。脉冲激光4-1入射到光栅2-1上。而且，脉冲激光器组1-1所发射的激光束4-1中的各子激光束入射到光栅2-1上每个入射角度，都通过光栅方程计算，使得每束子激光经过光栅2-1衍射后，其干涉一级最大发射光发射方向5-1沿着主光路5的方向。
之后，同步控制装置10通过控制各活塞驱动装置，使光栅2-1离开其工作位置11-1，光栅2-2进入其工作位置11-2。此时，位置传感器9-2负责将光栅2-2的位置信息传送给同步控制装置10。其后的工作原理同上，因此不再赘述。合成单元15-3的工作原理也一样。
本实施例二中，所述三个透射光栅2-1、2-2、2-3均优选为透明石英基质，刻痕数为800/mm的光栅。
值得一提的是，本实施例二中可以增设一台不与任何可移动的光栅对应的脉冲激光器1-0，该脉冲激光器在所有可移动的光栅均离开所述工作位置时，直接沿着所述主光路5输出脉冲激光。这样，既可以提高合成激光的功率，又可以配合其它各合成单元工作频率的设置。
综上所述，同步控制装置10通过位置传感器的信号反馈，控制各脉冲激光器组的激光输出，以及各光栅的移动，使每个合成单元依次进行激光合成并沿主光路5输出，从而实现整个系统的激光光束时序合成，进而在主光路5上得到一定重复频率的高功率高光束质量的脉冲激光。
实施例三
请参见图5，该图为基于扇形或者圆周运动的透射光栅的激光光束脉冲时序合成装置的结构示意图。
和实施例一不同的是，本实施例三中主传动件为转轴14。脉冲激光器组沿所述转轴的轴向依次分布在转轴14的一侧，并且所述所有脉冲激光器组位于同一平面上；所述每个脉冲激光器组的各个子激光器分别位于所述主光路5的两侧；所述光栅安装在与之配合的所述脉冲激光器组的激光传输方向上；且所述光栅与所述脉冲激光器组在轴向上间隔分布；所述光栅沿所述转轴的周向依次分布，使得所述光栅在转轴转动时，依次经过所述所有脉冲激光器组所在的平面，并和所述主光路5相交；并且，所述光栅在所述转轴14上的固定位置满足所述与之配合的脉冲激光器组的入射角度要求。本实施例三中，主光路5的方向优选平行于转轴14的轴线方向。转轴14控制光栅做往复扇形运动或者圆周运动，按照一定频率逐个进入工作位置。需要说明的是，转轴14控制光栅做圆周运动的情形可以克服往复运动需要克服惯性的缺陷。本实施例三的合成装置包括脉冲激光器组1-1、1-2、1-3，其中各个脉冲激光器组都各自包括三台子激光器，分布于主光路5两边。同步控制装置10配合位置传感器9控制每个合成单元依次工作，实现整个系统的激光光束时序合成，在主光路5上得到一定重复频率的高功率高光束质量脉冲激光发射。
本实施例三中，位置传感器9还可以由编码器代替，直接集成于转轴14上，实现对每个光栅位置的控制。
实施例四
请参见图6，该图为基于单个旋转光栅的激光光束脉冲时序合成装置的结构示意图。
和实施例一不同的是，本实施例四中只包括一个光栅，因此不需要设置传动装置。
本实施例四中，脉冲激光单元包括脉冲激光器组1-1、1-2。脉冲激光器组1-1包含三台分立的脉冲激光器1-11、1-12、1-13；脉冲激光器组1-2包含三台分立的脉冲激光器1-21、1-22、1-23。光栅2由驱动装置如电机驱动，绕垂直纸面穿过光栅重心的转轴16做逆时针旋转运动。当光栅2转动到工作位置11-1时，脉冲激光器组1-1中三台子激光器发射三束不同波长的激光4-11、4-12、4-13，分别以不同角度入射到光栅表面，通过计算其波长和入射角度，使得三束光经过光栅衍射后的一级极大发射都由主光路5的方向出射，完成光束合成。然后由同步控制装置10控制光栅转动到工作位置11-2，并且控制脉冲激光器组1-2发射激光，同理，实现脉冲激光器组1-2中三束子激光4-21、4-22、4-23的光束合成，并将合成光束由主光路5的方向出射。
同理类推，通过增加光栅2的工作位置，同时增加相应的脉冲激光器组数量，并根据衍射光栅原理设定新增脉冲激光器组中激光器的位置和其发射的子激光束入射到光栅面上的角度，从而控制光栅在每一个工作位置与相对应的脉冲激光器组配合，进行脉冲激光束合成后的合成光沿主光路5出射，随着光栅2一定频率的转动，在位置传感器9和同步控制装置10的共同协作下，即可实现整个系统的脉冲激光光束时序合成，在主光路5上得到一定重复频率的高功率高光束质量的脉冲激光。
本实施例四中，反射光栅2优选为石英基质，镀金属薄膜，刻痕数为900/mm的光栅。另外，本实施例四中，反射光栅还可以替换为凹面反射型光栅，或者透射型光栅。
本实施例四中，采用单个光栅和多个脉冲激光器组配合，并且所述光栅自转过程中，分别对应多个脉冲激光器组的工作位置。通过采用此结构，不需要设置多个光栅，且光栅的运动也更加的简单，由此使得整个合成装置的结构更加简单，同时同步控制装置的控制也更加容易实现。另外，光栅自身旋转的过程有助于散热，从而提高光栅的损伤阈值。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种基于衍射光栅的激光光束脉冲时序合成装置，其特征在于，包括两组以上脉冲激光器组，与所述每个脉冲激光器组配合的光栅，以及同步控制装置；其中，至少一个所述脉冲激光器组中包括两个以上不同波长的子激光器；所述光栅可相对所述脉冲激光器组做周期运动；
所述同步控制装置用于实现所述脉冲激光器组的开启停止与所述光栅进入和离开工作位置之间的同步，并且当所述光栅处于所述脉冲激光器组的工作位置时，所述脉冲激光器组的各子激光器同时发射脉冲激光，并且第i个子激光器输出的脉冲激光与所述光栅之间满足光栅方程d(sinαi±sinβ)＝mλi(m＝0,±1,±2…)，所述同步控制装置向所述脉冲激光器组发出指令，触发其输出脉冲激光，使得所述脉冲激光在所述光栅的衍射作用下进入预设的主光路；
其中，d为光栅常数，αi为第i个子激光发射的脉冲激光到光栅的入射角度，β为脉冲激光经过光栅后的衍射角，m为光谱级数，λi为第i个子激光发射的脉冲激光的波长；
所述光栅离开与之对应的所述脉冲激光器组的工作位置时，不阻挡其他脉冲激光器组输出的脉冲激光进入主光路。
2.根据权利要求1所述的基于衍射光栅的激光光束脉冲时序合成装置，其特征在于，还包括位置传感器；所述位置传感器用于监测所述光栅的位置，并且将监测结果发送给所述同步控制装置。
3.根据权利要求1所述的基于衍射光栅的激光光束脉冲时序合成装置，其特征在于，所述所有脉冲激光器组与同一个光栅配合；所述光栅绕以固定周期自转，且转动过程中依次经过所述所有脉冲激光器组的工作位置。
4.根据权利要求1所述的基于衍射光栅的激光光束脉冲时序合成装置，其特征在于，所述每个脉冲激光器组与各自的光栅配合；所述脉冲激光器组的位置固定，所述所有光栅安装在传动装置上；所述传动装置与所述同步控制装置连接，使得所述同步控制装置获取所述传动装置中光栅的位置信息；所述传动装置包括电机和主传动件；所述电机驱动所述主传动件运动；所述光栅安装在所述主传动件上，并在所述主传动件的带动下，朝同一个方向做周期运动，使得所述光栅依次到达与之对应的所述脉冲激光器组的工作位置。
5.根据权利要求4所述的基于衍射光栅的激光光束脉冲时序合成装置，其特征在于，所述主传动件包括带轮和传动带；所述传动带安装于所述带轮上，并在电机的驱动下，带动所述光栅做周期平移运动；其中，所述脉冲激光器组沿所述传动带传动方向依次分布；所述所有脉冲激光器组的脉冲激光的入射点相同；所述传动带带动所述所有光栅依次经过所述入射点，并且所述各个光栅在所述传动带上的固定位置满足所述与之配合的脉冲激光器组的入射角度要求，使得所述脉冲激光器组输出的脉冲激光经过光栅衍射后进入主光路。
6.根据权利要求4所述的基于衍射光栅的激光光束脉冲时序合成装置，其特征在于，所述主传动件为转轴；所述脉冲激光器组沿所述转轴的轴向依次分布在转轴的一侧，并且所述所有脉冲激光器组位于同一平面上；所述每个脉冲激光器组的各个子激光器分别位于所述主光路的两侧；所述光栅安装在与之配合的所述脉冲激光器组的激光传输方向上；且所述光栅与所述脉冲激光器组在轴向上间隔分布；所述光栅沿所述转轴的周向依次分布，使得所述光栅在转轴转动时，依次经过所述所有脉冲激光器组所在的平面，并和所述主光路相交；并且，所述光栅在所述转轴上的固定位置满足所述与之配合的脉冲激光器组的入射角度要求。
7.根据权利要求6所述的基于衍射光栅的激光光束脉冲时序合成装置，其特征在于，所述转轴带动所述固定底座上的光栅做扇形往复运动。
8.根据权利要求6所述的基于衍射光栅的激光光束脉冲时序合成装置，其特征在于，还包括一台激光输出方向位于所述主光路上的激光器。
9.根据权利要求1所述的基于衍射光栅的激光光束脉冲时序合成装置，其特征在于，所述每个脉冲激光器组与各自的光栅配合，所述所有脉冲激光器组位于同一平面上且位置固定，每个脉冲激光器组的各个子激光器分别位于所述主光路的两侧；所述光栅与所述脉冲激光器组在主光路方向上间隔分布，所有光栅位于与之配合的所述脉冲激光器组的前方，且安装在各自对应的活塞驱动装置上，所述活塞驱动装置与所述同步控制装置连接，在同步控制装置的控制下，带动所述光栅做周期运动，运动方向垂直于所述激光器组所在平面。
10.根据权利要求1至9中任意一项所述的基于衍射光栅的激光光束脉冲时序合成装置，其特征在于，所述每个脉冲激光器组完全相同，或者每个脉冲激光器组不相同。
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