CN104393480A - 一种基于透射型光栅的大功率光谱合成方法 - Google Patents

一种基于透射型光栅的大功率光谱合成方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于透射型光栅的大功率光谱合成方法，属于强激光技术领域。多光束激光源位于聚焦透镜的焦点处，发出多束平行激光束，激光束都位于聚焦透镜中心光轴的同一侧，而不能同时分布于中心光轴的两侧。每一束激光均依次通过一个准直透镜、一个半波片后，穿过聚焦透镜。放置大功率透射型光栅位于聚焦透镜的另一侧焦点处，聚焦透镜的中心光轴穿过光栅中心。根据衍射方程的一级衍射条件选择入射激光束的波长，使得入射光束的入射角度不同，而衍射角度相同。使得入射激光完全按照同样的衍射角一级衍射输出，实现了激光的合束。提高合成单光束可达100000W以上，实现比反射型光栅更高的衍射效率和更高的合成功率。

Description

一种基于透射型光栅的大功率光谱合成方法
技术领域
本发明涉及一种基于透射型光栅的大功率光谱合成方法，属于强激光技术领域。
背景技术
激光合成在工业,科研和军事上应用越来越重要。多光束经过波分复用器WDM或者分光棱镜，镜片等手段合成，通常多光束的合成需要使用多个合成过程,如图1，2所示。但是这类光束合成对光束的波长和功率都有一定的限制，传统的多光束合成过程复杂,且不好调节,另外,传统的多光束合成方法不适合大功率以及超大功率的合成，特殊波长激光的合成.对于大功率光束合成，特殊波长的激光合成，目前没有相关的报道。
发明内容
本发明的目的是为实现多光束合成，以大功率以及超大功率单光束输出的技术问题，提出一种基于透射型光栅的大功率光谱合成方法，利用大功率光栅来实现单束大功率激光输出。
一种基于透射型光栅的大功率光谱合成方法，具体步骤如下：
步骤一，选择一个多光束激光源和一个宽半径的聚焦透镜。多光束激光源位于聚焦透镜的焦点处，多光束激光源发出多束激光束，激光光束互相平行，且都位于聚焦透镜中心光轴的同一侧，而不能同时分布于中心光轴的两侧。
步骤二，从光源射出的每一束激光均依次通过一个准直透镜、一个半波片后，穿过聚焦透镜。
步骤三，放置光栅位于聚焦透镜的另一侧焦点处，聚焦透镜的中心光轴穿过光栅中心。光栅与光轴之间有夹角。
所述光栅为大功率透射型光栅，其功率要求在100000W及以上，其背面连接压电陶瓷。压电陶瓷能实现对光栅倾斜角度的微控。
步骤四，根据衍射方程的一级衍射条件:
d(sinαi-sinβi)＝λi   (1)
其中d是光栅的刻线间距，λi为激光源发出的第i束激光束波长，αi为第i束激光束到光栅的入射角度，βi为第i束激光束经光栅后的透射角度。i＝2,3,4,...,n，n为激光束的总数。
选择入射激光束的波长，使得入射光束的入射角度αi不同，而透射角度βi相同。
步骤五，多光束激光源按照步骤四选定的激光束波长发射激光束，透过准直透镜、半波片，聚焦透镜后，入射到光栅上。压电陶瓷驱动光栅，实现对光栅的角度扫描并对光栅与光轴间的夹角大小进行微调，使得入射激光完全按照同样的透射角一级衍射输出，实现了激光的合束。
有益效果
本发明方法能实现多光束合成,以实现大功率以及超大功率单光束输出，实现特殊波长激光合成，且实现简单的调节过程。多束激光通过光栅合成实现一束大功率激光输出，提高合成单光束可达100000W以上，实现比反射型光栅更高的衍射效率和更高的合成功率。该设计操作简单，稳定，具有很强的实用价值。
附图说明
图1为背景技术中使用WDM实现多光束合成示意图；
图2为背景技术中使用PBS实现多光束合成示意图；
图3为本发明提出的使用透射型光栅实现激光合成的原理图；
图4为具体实施方式中的装置实施例俯视图；
标号说明：PL1：976nm激光1，PL2：976nm激光2，WDM：波分复用器，ISO：隔离器，LO：激光输出，1：第一热沉，2：第一光纤激光器，3：第一非球面准直透镜调整架，4：第一非球面准直透镜，5：第一光束，6：第二热沉，7：第二光纤激光器，8：第二非球面准直透镜调整架，9：第二非球面准直透镜，10：第二光束，11：聚焦透镜，12：聚焦透镜固定架，13：透射光栅，14：调节架动板，15：调节架压电陶瓷，16：微调螺钉，17：调节架定板，18：合成单束输出光束，19：第一半波片，20：第一半波片调整架，21：第二半波片，22：第二半波片调整架。
具体实施方式
本发明的技术原理如图3所示。
本实施方式中给出装置实例如图4所示，包括第一热沉1，第一光纤激光器2，第一非球面准直透镜调整架3，第一非球面准直透镜4，第二热沉6，第二光纤激光器7，第二非球面准直透镜调整架8，第二非球面准直透镜9，聚焦透镜11，聚焦透镜固定架12，透射光栅13，调节架动板14，调节架压电陶瓷15，微调螺钉16，调节架定板17，第一半波片19，第二半波片21。
其中透射光栅13是定制的高损伤阈值的特制光栅，能承载100000w光功率。
功率5000W波长为1000nm的第一光纤激光器2发出的激光光束，经过焦距为4mm，数值孔径为0.6的第一非球面准直透镜4准直后，以0°入射角入射到聚焦透镜11上，功率5000W波长为1010nm的第二光纤激光器7发出的激光光束，经过焦距为4mm，数值孔径为0.6的第二非球面准直透镜9准直后，以0°入射角入射到聚焦透镜11上，第一光束5和第二光束10经过聚焦透镜11后，聚焦在刻线密度为2400g/mm、具有合适的衍射效率、刻线面积大小为100mmX100mm、厚度为60mm的透射光栅13上，以同样的15°透射角一级衍射输出合成的单光束10。
第一光纤激光器2和第二光纤激光器7采用温度传感器和第一热沉1、第二热沉6实现温度控制。透射光栅13采用温度传感器和半导体制冷器实现温度控制。该透射光栅13通过粘接在该光栅上的压电陶瓷15作慢速大范围粗调，并通过驱动光栅13的PZT，实现扫描。通过微调螺钉16改变角度。在改变角度的过程中，固定在粘有压电陶瓷15调节架动板14上的光栅13随着动板14一起旋转，实现单光束输出。
第一非球面准直透镜调整架3和第二非球面准直透镜调整架8用于固定非球面镜及激光束准直的调整，光栅13通过热沉固定在调节架动板14上，调节架动板14可通过定板17上的微调螺钉调整，调节架定板17，第一热沉1和第二热沉6，第一非球面准直透镜调整架3和第二非球面准直透镜调整架8，聚焦透镜固定架12均被固定在底板上。
增加光纤激光器的个数，可得出更多激光的合成，其功率可实现更高，最高功率受限于定制光栅的损伤阈值。
上述方案中的光栅也可选用其它类型，尺寸大小也可选用其它尺寸，激光波长可选用其它波长数值，激光源可选用其他激光源，聚焦透镜焦距可选用其他焦距数值。

Claims (2)

1.一种基于透射型光栅的大功率光谱合成方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一，选择一个多光束激光源和一个宽半径的聚焦透镜；多光束激光源位于聚焦透镜的焦点处，多光束激光源发出多束激光束，激光光束互相平行，且都位于聚焦透镜中心光轴的同一侧，而不能同时分布于中心光轴的两侧；
步骤二，从光源射出的每一束激光均依次通过一个准直透镜、一个半波片后，穿过聚焦透镜；
步骤三，放置光栅位于聚焦透镜的另一侧焦点处，聚焦透镜的中心光轴穿过光栅中心；光栅与光轴之间有夹角；
所述光栅为大功率透射型光栅，其功率要求在100000W及以上，其背面连接压电陶瓷；
步骤四，根据衍射方程的一级衍射条件:
d(sinαi-sinβi)＝λi                       (1)
其中d是光栅的刻线间距，λi为激光源发出的第i束激光束波长，αi为第i束激光束到光栅的入射角度，βi为第i束激光束经光栅后的透射角度；i＝2,3,4,...,n，n为激光束的总数；
选择入射激光束的波长，使得入射光束的入射角度αi不同，而透射角度βi相同；
步骤五，多光束激光源按照步骤四选定的激光束波长发射激光束，透过准直透镜、半波片，聚焦透镜后，入射到光栅上；压电陶瓷驱动光栅，实现对光栅的角度扫描并对光栅与光轴间的夹角大小进行微调，使得入射激光完全按照同样的透射角一级衍射输出，实现了激光的合束。
2.根据权利要求1所述的一种基于透射型光栅的大功率光谱合成方法，其特征在于：合成单光束达100000W以上。
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