CN105140768A - 一种一维多光束高占空比装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种一维多路激光光束高占空比装置，构型为阶梯型构型，由对激光高透过性的材料加工而成，阶梯面之间互相平行。不同波长的激光器输出的激光束以相同的角度平行入射到装置的阶梯型面上，发生折射，由于激光束在阶梯型装置中经过的光程不一致导致偏折量不一致，然后形成不同的激光束以相同的角度从装置出射，光束之间的间距减小。该装置可以实现多束激光束在一维方向的高占空比排列，从而提高光纤激光器双光栅光谱合成后的激光的光束质量，降低对单束激光线宽的要求，该装置具有占空比高，结构简单紧凑，体积小，稳定性好等特点。

Description

一种一维多光束高占空比装置
技术领域
本发明属于光纤技术领域，更具体地，涉及一种一维多光束高占空比装置。
背景技术
随着光纤激光器应用领域的扩展，对高功率光纤激光器亮度的要求也更加严格，要求更高输出功率的同时保持好的光束质量。受限于非线性效应、光纤损伤和泵浦亮度等因素，单纤单模激光的输出功率存在上限，理论上可实现三万瓦级功率输出。但自IPG2009年报道万瓦级(9.6kW)输出以来,鲜有进展。人们提出多种方案来提升输出激光功率的同时保证高光束质量。为了获得更高的激光功率输出，提出了合成技术，例如相干合成，光谱合成等。光谱合束技术通过高损伤阈值平面衍射光栅将多束千瓦量级的窄线宽高光束质量光纤激光合为一束高光束质量高输出功率的激光束，有望在现有光纤激光技术基础上进一步提高激光的输出功率同时保证高光束质量【MadasamyP,JanderDR,BrooksCD,etal.Dual-GratingSpectralBeamCombinationofHigh-PowerFiberLasers[J].SelectedTopicsinQuantumElectronicsIEEEJournalof,2009,15(2):337-343】。2013年Aculight公司采用多层介质膜光栅实现12束280W的光纤激光光谱合成，输出功率大于3.1kW，光谱合成效率为97％，光束质量M2为1.35。2014年2月，洛马公司成功演示一款30kW的光纤激光器，方案为多个光纤模块分别发出不同波长的光束，通过光谱合束技术，将这些光束形成一束高功率、高光束质量的激光输出。国内也有多家单位如四川大学、国防科技大学、空军工程大学、华中科技大学、上海光机所、中国工程物理研究院以及航天科工四院等开展光谱合成技术研究。
光谱合束技术通过高损伤阈值平面衍射光栅将多束千瓦量级的窄线宽高光束质量光纤激光合为一束高光束质量高输出功率的激光束，有望在现有光纤激光技术基础上进一步提高激光的输出功率同时保证高光束质量。采用双光栅光谱合成方法，光束质量可以表示为式中λn,λn+1表示相邻光束的中心波长,x表示相邻光束之间的距离，ω0表示光束的直径，式子中Δλ表示光纤激光器的线宽，光束直径ω0与相邻光束的距离x的比值为占空比，可以看出提高一维排列的占空比，将保证高光束质量的同时降低对单路光纤激光器的线宽的要求，降低非线性效应的影响，提高单路光纤激光器的输出功率，使得最终的输出功率以及光束质量达到更高的水平。传统上，若采用将光束的输出准直系统直接拼接排列，由于支撑装置及尺寸的严格要求，光束的占空比很难做到很高。在本发明提出之前，还未有见到可应用于光纤激光器光谱合成的一维光束高占空比的装置的报道。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种一维多路激光光束高占空比装置，能够保证高光束质量的同时降低对单路光纤激光器的线宽的要求，降低非线性效应的影响，提高单路光纤激光器的输出功率。
为了实现上述目的，本发明提供了一维多路激光光束高占空比装置，所述装置的构型为阶梯型构型，由对激光高透过性的材料加工而成，阶梯面之间互相平行。
本发明的一个实施例中，不同波长的激光器输出的激光束以相同的角度平行入射到装置的阶梯型面上，发生折射，由于激光束在阶梯型装置中经过的光程不一致导致偏折量不一致，然后形成不同的激光束以相同的角度从装置出射，光束之间的间距减小。
本发明的一个实施例中，所述装置由一体材料加工而成，或者是多块材料堆叠拼接而成。
本发明的一个实施例中，加工所述装置的材料包括石英晶体，或者融石英，或者BK7。
本发明的一个实施例中，所述阶梯台阶厚度是相等的或者不相等的。
本发明的一个实施例中，所述的装置的阶梯台阶数是任意的。
本发明的一个实施例中，所述的装置的阶梯面镀有与入射激光相应的增透膜。
与现有技术相比，本发明提供的一维多路激光光束高占空比装置具有以下有益效果：
1本发明提供了一种多光束合束装置，利用阶梯型的构型，实现一维任意多光束的高占空比排列；
2本发明提供的构型原理简单，操作方便，环境适应性强；
3本发明提供的光束合束装置适用于光纤激光器双光栅光谱合成以及其他光束合成领域。
附图说明
图1为本发明一维多光束高占空比装置原理示意图；
图2为本发明实施例中多束激光经过本发明阶梯装置的折射示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提出了一种一维多路激光光束高占空比装置，可以实现激光光束一维的高占空比排列，应用于光纤激光器双光栅光谱合成，使得保证高光束质量的同时降低单路光纤激光器的线宽要求，提高单路光纤激光器的输出功率，使得最终的输出功率在保证高光束质量的同时达到更高的水平。该装置外形呈阶梯型，为阶梯型一维光束高占空比装置，简称为“阶梯装置”。
该阶梯装置由对激光具有高透过性的材料加工而成，具体地，可以由一体材料加工而成，也可以是多块材料堆叠拼接而成。其加工材料可以是但不限于：石英晶体、融石英、BK7等材料等。阶梯的台阶数可根据所需排列的光路数确定。台阶的厚度可以是相等的也可以是不等。阶梯的台阶面镀有与入射激光相应的增透膜，可以通过改变入射角或者阶梯的台阶厚度来调节光束的占空比。
具体地，如图1所示，本装置实现一维光束高占空比的原理如下：两束激光A和B初始间距为D，以相同的角度α入射到阶梯装置C的阶梯面上，激光A经过的阶梯厚度为di，激光B经过的阶梯的厚度为di+1，阶梯装置C的材料的折射率为n。根据简单的几何光学可知，激光经过的材料厚度不同，由于折射偏移原传播方向的距离也不同。激光A偏移距离激光B偏移的距离则激光阶梯装置(3)后，激光之间的距离可以表示为：根据cosβ＝1-sin2β，可以算出D′。可以看出改变阶梯台阶的厚度以及入射角度可以改变光束之间的距离，进而调节排列光束的占空比。
如图2所示，为多束激光经过本发明阶梯装置的折射示意图，该阶梯装置由对激光高透过性的材料加工而成；阶梯面之间互相平行。不同波长的激光器(1)(2)(3)输出的激光束(4)(5)(6)以相同的角度平行入射到装置(7)的阶梯型面上，发生折射，由于激光束(4)(5)(6)在阶梯型装置中经过的光程不一致导致偏折量不一致，然后形成不同的激光束(8)(9)(10)以相同的角度从装置(7)出射，光束之间的间距减小。
上述方案已经为该发明申请人所在实验室进行实验验证，该装置可以实现多路光束在一维方向上的高占空比排列。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种一维多路激光光束高占空比装置，其特征在于，一维多路激光束高占空比装置的构型为阶梯型构型，由对激光高透过性的材料加工而成，阶梯面之间互相平行。
2.根据权利要求1所述的一维多路激光光束高占空比装置，其特征在于，不同波长的激光器输出的激光束以相同的角度平行入射到装置的阶梯型面上，发生折射，由于激光束在阶梯型装置中经过的光程不一致导致偏折量不一致，然后形成不同的激光束以相同的角度从装置出射，光束之间的间距减小。
3.根据权利要求1或2所述的一维多路激光光束高占空比装置，其特征在于，所述装置由一体材料加工而成，或者是多块材料堆叠拼接而成。
4.根据权利要求1或2所述的一维多路激光光束高占空比装置，其特征在于，加工所述装置的材料包括石英晶体，或者融石英，或者BK7。
5.根据权利要求1或2所述的一维多路激光光束高占空比装置，其特征在于，所述阶梯台阶厚度是相等的或者不相等的。
6.根据权利要求1或2所述的一维多路激光光束高占空比装置，其特征在于，所述的装置的阶梯台阶数是任意的。
7.根据权利要求1或2所述的一维多路激光光束高占空比装置，其特征在于，所述的装置的阶梯面镀有与入射激光相应的增透膜。
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