CN104808347B - 一种基于双折射晶体的高占空比合束系统 - Google Patents

Abstract

一种基于双折射晶体的高占空比合束系统，包括偏振态旋转系统、准直器排布系统、高占空比合成系统。首先利用偏振态旋转系统实现对入射光束的偏振态控制，随后经过准直器排布系统对需要拼接的光束进行合理的空间排布，最后经过高占空比合成系统对整个阵列进行高占空比孔径拼接。本发明适合大尺寸的激光合成，可以有效的降低各个合束器件上激光的功率密度，提高整个相干合成系统的合成孔径，便于合成光束的远距离传输。且本发明可以实现任意路光束、任意排布结构阵列的高占空比孔径填充。

Description

一种基于双折射晶体的高占空比合束系统

技术领域

本发明涉及光束合成领域，是一种基于双折射晶体的高占空比合束系统。

背景技术

目前，随着半导体技术的快速发展和半导体激光器件性能的大幅提升，单链路全固态激光器已经取得了显著的发展，并且衍生出诸如圆棒激光器、板条激光器、薄片激光器、光纤激光器、热容激光器等不同结构的激光器。但是，由于受激光介质本身的热效应、非线性效应、材料特性、泵浦源亮度等因素的限制，单链路全固态激光的输出功率存在极限。为了克服单链路全固态激光功率提升的瓶颈，国内外研究者提出了光束合成技术，并且已经成为目前强激光领域的研究热点。

目前，光束合成技术主要包括谱合成、非相干合成和相干合成。与非相干合成相比，对于不同波长、不同数目的激光阵列，相干合成的光束在自由空间及强度较弱的湍流大气中传输时，远场能量集中度明显优于非相干合成。2009年，美国Northrop Grumman公司的研究者进行了七路万瓦级板条激光的相干合成，其输出功率达105.5kW。2010年底，国防科技大学研究者们利用主动锁相相干合成技术，在国际上首次实现了光纤激光千瓦级合成输出。2011年，美国林肯实验室实现八路500W保偏光纤激光相干合成，输出功率突破4kW，是目前光纤激光相干合成的最高输出功率。然而，目前相干合成技术大都基于阵列排布结构，存在占空比问题，导致远场能量向旁斑分散，降低了合成光束的亮度和能量集中度。NorthropGrumman公司百千瓦级合成方案中，随着合成路数的增加，合成光束主瓣内的功率占总功率的比例越来越少，105.5kW激光输出时，主瓣功率仅占总功率的11％。美国林肯实验室采用微透镜阵列提高合成光束的能量集中度，在一维分布上，其合成光束中央主瓣内的功率占总功率的58％。然而，微透镜阵列本身具有其局限性，主要表现在:(1)微透镜阵列的制造和加工较为复杂，成本昂贵；(2)由于微透镜阵列的子孔径尺寸在微米量级，因此，当系统输出功率不断提升时，整个微透镜阵列需要承受很大的功率密度，不利于在高功率相干合成系统中使用。

基于上述考虑，探索低成本、通用性强、制作相对简单的有效孔径填充方法，从而提高相干合成系统中央主瓣内的功率是非常有必要的。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于双折射晶体的高占空比合束系统。本发明基于晶体的双折射特性，是一种可以实现多路光束高占空比拼接的合束系统，可以进行多路光束的高占空比合成。该方案可以有效实现一维高占空比孔径合成。通过设计，该方案还可以拓展到二维高占空比孔径合成系统，对合成光束的类型(光纤激光、板条激光等)、分布特性、实验环境和仪器设备等没有特殊的要求，并且系统设计比较简单，性能可靠，成本较低。

本发明的技术方案是，

一种基于双折射晶体的高占空比合束系统，包括偏振态旋转系统、准直器排布系统和高占空比合成系统；

从各链路准直输出的光束经过偏振态旋转系统进行偏振态旋转，保证各路入射光束的偏振方向与高占空比合束系统中的光轴切割方向一致，实现可控的光束偏折和位移量；从偏振态旋转系统输出的光束经过准直器排布系统后，将入射的光束排布成所需的孔径阵列；随后，阵列排布的光束经过高占空比合束系统；基于各路光束的尺寸和光强分布、阵列排布的形式、各路光束之间的距离，设计高占空比合束系统的尺寸、各个子模块的光轴切割方向，将阵列排布的光束拼接在一起，从而实现高占空比的孔径填充。

本发明中，所述高占空比合成系统由具有一定长度的多级台阶的双折射晶体构成；其设计方法为：

设经过准直器排布系统后各路光束之间的间隔相等且间隔设为c，各路光束的光斑尺寸为d,高占空比合束系统上边沿长度为a，每个台阶的宽度为b，设θ为所采用双折射晶体的walk-off角度，则对于第i路光束，经过高占空比合束系统后，光束的偏折位移X_i表示为：

X_i＝[a+(i-1)b]·tan(θ)

设双折射晶体选定即双折射晶体的walk-off角度θ确定，则设计高占空比合束系统时光束之间的间隔c与每个台阶的长度b之间满足关系式：

c＝b·tan(θ)。

在实际中，各路光束之间的距离不一定相等，此时，可以通过光斑之间不同的间距设计不同的台阶长度。此外，在高占空比合束系统输出端，每个台阶的高度设计与准直器的尺寸相等。

所述的偏振态旋转系统由半波片、带旋转平台的布鲁斯特窗或其他偏振态旋转装置构成，其构成材料可以是石英材料、K9材料等，视具体使用的功率水平进行选择。

所述的准直器排布系统可以由分立反射镜或锥形镜等器件构成，用于形成光束的阵列排布。

高占空比合束系统由双折射晶体进行切割、抛光、镀膜、多块光胶契合构成。高占空比合束系统所使用的材料有多种选择，可以是钒酸钇(YVO₄)、方解石(Calcite)、偏硼酸钡(a-BBO)等不同的双折射晶体。高占空比合束系统的尺寸和形状根据参与合成的光束的光斑和阵列分布形态确定。

本发明的实现原理如下：

一束随机偏振的光束在双折射晶体中会被分解为寻常光(o光)和非寻常光(e光)。晶体中传输的e光其偏折方向与位移量与晶体光轴的切割方向和晶体的厚度有关。本发明中，通过偏振态旋转系统，使得入射到高占空比合束系统上光束的偏振态在双折射晶体的e光主平面内，即在双折射晶体中充当e光。通过设计各路光束经历的双折射晶体的厚度和晶体光轴的切割方向，便可以将空间分离的各路光束紧密的拼接在一起。

本发明的有益技术效果：

1、本发明提供了一种基于晶体双折射特性实现高占空比孔径拼接的新方法，该高占空比合束系统使用的偏振态旋转器件、准直器排布器件、晶体器件均可以选择高功率损伤阈值的器件，因此，此系统能够用于高能相干合成激光系统中。

2、本发明提供的高占空比合束系统适合大尺寸的激光合成，可以有效的降低各个合束器件上激光的功率密度，提高整个相干合成系统的合成孔径，便于合成光束的远距离传输。

3、该发明可以实现任意路光束、任意排布结构阵列的高占空比孔径填充。

4、该发明设计的高占空比合束系统适合范围广，能够用于光纤激光、板条激光等不同类型的激光，可以进行高斯光束、平顶光束、超高斯光束等不同光强分布光束的高占空比拼接。

附图说明

图1为本发明的系统结构原理示意图。

图2为水平偏移双折射晶体光轴的切割图。

图3为双折射晶体水平光轴切割实现的光束偏转效果图。

图4为垂直偏移双折射晶体光轴的切割图。

图5为双折射晶体垂直光轴切割实现的光束偏转效果图。

图6为沿任意方向偏移双折射晶体光轴的切割图。

图7为双折射晶体沿任意方向光轴切割实现的光束偏转效果图。

图8为一维高占空比合束系统光束拼接示意图(以七路光束为例)。

图9为二维阵列高占空比拼接的原理示意图(以七路光束为例)。

图1中，1是偏振态旋转系统，2是准直器排布系统，3是高占空比合束系统。

图2中，21为光轴切割所在平面。

图4中，41为光轴切割所在平面。

图6中，61为光轴切割所在平面。62为光束偏转的方向角。

图8中，81是偏振态旋转系统，82是一维准直器排布系统，83是一维高占空比合束系统，84是一维拼接效果图。

图9中，91是偏振态旋转系统，92是二维准直器排布系统，93为二维高占空比拼接系统，94为二维拼接效果图。

具体实施方式

本专利中用图2-图7说明了线偏振光束通过双折射晶体后，在不同的光轴切割方向下，光束的偏转方向与所达到的效果示意图。由此可得：(1)由于晶体内e光的偏振方向在e光主平面内，因此，通过偏振态旋转系统对入射线偏振光束进行偏振态旋转，可以实现光束在光轴切割面的偏转。(2)通过设计不同的光轴切割方向和光轴面的方向，可以实现光束水平、垂直、及任意方位角的偏转。

下面以七路一维拼接结构和七路二维拼接结构为例对本发明的实现过程进行说明，整个方案可以拓展到多路。

七路光束一维拼接的过程如图8所示。不失一般性，设整个晶体的光轴切割面如图4所示。通过偏振态旋转系统81，参与拼接的各路光束的偏振态与晶体的切割方向一致(如附图8中82中箭头所示)。各路光束经过一维准直器排布系统82，使得各路光束在一维方向上整齐排布。随后，各路光束进入一维高占空比合束系统83。为叙述简单，设经过一维准直器排布系统82后各路光束之间的间隔相等(设为c)，各路光束的光斑尺寸为d,一维高占空比合束系统83上边沿长度为a，每个台阶的宽度为b，所述的距离a、b、c、d如说明书附图8所示。设θ为所采用双折射晶体的walk-off角度，则对于第i路光束，经过一维高占空比合束系统83后，光束的偏折位移X_i表示为：

X_i＝[a+(i-1)b]·tan(θ)

设晶体选定，即双折射晶体的walk-off角度θ确定，则设计一维高占空比合束系统83时光束之间的间隔c与每个台阶的长度b之间满足关系式：

c＝b·tan(θ)

一维高占空比合束系统83由具有一定长度的多级台阶的双折射晶体构成。在实际中，各 路光束之间的距离不一定相等，此时，可以通过光斑之间不同的间距设计不同的台阶长度。此外，在高占空比合束系统输出端，每个台阶的高度设计与准直器的尺寸相等。

由以上分析可得，经过高占空比合束系统后，理论上各光束占空比可达100％。此外，由于晶体光轴的切割方向一致，合束后的各路光束偏振态一致，有利于进一步的相干合成使用。

此种一维的高占空比合束系统已经经过了两路光束的实验验证，其光束拼接效果接近理想水平。

针对二维光束的拼接，其基本思想如一维拼接合成。不同之处在于光束的阵列排布是一个二维阵列。因此，要使得整个激光阵列实现理想的高占空比拼接，需要不同夹角光轴切割面的双折射晶体经过抛光契合而实现。由附图所示，通过设计光轴切割面的方向，可以实现空间任意方向的光束偏折。二维高占空比合成的实现过程如图9所示。根据二维准直器排布系统92输出光束的分布情况(即每路光束需要平移的位移量与偏转的角度)，设计二维高占空比合束系统93子模块的光轴切割方向和双折射晶体的厚度，即可实现二维的高占空比拼接。而二维偏振态旋转系统91则实现参与合成的每路光束的偏振态与与之对应的双折射合束子模块的光轴切割方向一致，实现有效的偏转。值得注意的是：针对二维高占空比拼接系统，从二维高占空比合束系统93合束后，各路光束的偏振态一般不是完全一致的(如图9中93的箭头所示)，但是每路光束仍然为线偏振光束。通过每一路光束偏转的角度，可以精确设计口径与每路光束孔径一致、特定角度的偏振态旋转器件，通过光胶契合在高占空比合成系统输出端面的子孔径上，从而保证各路合束后的光束偏振态一致，实现良好的相干合成效果，如图9中94的箭头所示。

以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。

Claims (6)

1.一种基于双折射晶体的高占空比合束系统，其特征在于，包括偏振态旋转系统、准直器排布系统和高占空比合成系统；所述高占空比合成系统由具有一定长度的多级台阶的双折射晶体构成；

从各链路准直输出的光束经过偏振态旋转系统进行偏振态旋转后偏振态为高占空比合束系统的e光，保证各路入射光束的偏振方向与高占空比合束系统中的光轴切割方向一致，实现可控的光束偏折和位移量；从偏振态旋转系统输出的光束经过准直器排布系统后，将入射的光束排布成所需的孔径阵列；随后，阵列排布的光束经过高占空比合束系统；基于各路光束的尺寸和光强分布、阵列排布的形式、各路光束之间的距离以及高占空比合束系统中所采用双折射晶体的walk-off角度，设计高占空比合束系统的尺寸、各个子模块的光轴切割方向，将阵列排布的光束拼接在一起，从而实现高占空比的孔径填充。

2.根据权利要求1所述的一种基于双折射晶体的高占空比合束系统，其特征在于：所述高占空比合成系统的设计方法为：

设经过准直器排布系统后各路光束之间的间隔相等且间隔设为c，各路光束的光斑尺寸为d,高占空比合束系统上边沿长度为a，每个台阶的宽度为b，设θ为所采用双折射晶体的walk-off角度，则对于第i路光束，经过高占空比合束系统后，光束的偏折位移X_i表示为：

X_i＝[a+(i-1)b]·tan(θ)

设双折射晶体选定即双折射晶体的walk-off角度θ确定，则设计高占空比合束系统时光束之间的间隔c与每个台阶的长度b之间满足关系式：

c＝b·tan(θ)。

3.根据权利要求1所述的一种基于双折射晶体的高占空比合束系统，其特征在于：所述的偏振态旋转系统由半波片或者带旋转平台的布鲁斯特窗构成，其构成材料是石英材料或K9材料。

4.根据权利要求1所述的一种基于双折射晶体的高占空比合束系统，其特征在于：所述的准直器排布系统由分立反射镜或锥形镜构成，用于形成光束的阵列排布。

5.根据权利要求1所述的一种基于双折射晶体的高占空比合束系统，其特征在于：高占空比合束系统由双折射晶体进行切割、抛光、镀膜、多块光胶契合构成；高占空比合束系统所使用的材料是钒酸钇、方解石或偏硼酸钡。

6.根据权利要求1所述的一种基于双折射晶体的高占空比合束系统，其特征在于：高占空比合束系统的尺寸和形状根据参与合成的光束的光斑和阵列分布形态确定。