CN105140769B - 一种光谱合成光束重叠检测调整装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光谱合成光束重叠检测调整装置，属于高功率激光领域。其包括多个光学元件以及采集电路，其中，光栅设置在多个光束汇聚点处，楔镜设置在光栅的反射光方向上，楔镜出射光包括第一光束，分光镜设置在第一光束的方向上，分光镜出射光包括第一分光束和第二分光束，第一衰减器设置在第二分光束方向上，凸透镜设置第一衰减器的出射光的方向上，第一光斑测量仪设置在凸透镜出射光方向上，第二衰减器设置在第一分光束方向上，第二光斑测量仪设置在第二衰减器的出射光的方向上，采集电路用于接收远场光斑分布情况和近场光斑分布情况的信息。本发明装置能检测并调整光谱合成光束使之完全重叠。

Description

一种光谱合成光束重叠检测调整装置

技术领域

本发明属于高功率激光领域，更具体地，涉及一种光谱合成光束重叠检测调整装置，主要用于对光谱合成的光束进行实时的检测和调整，实现光束功率叠加的同时保证高的光束质量。

背景技术

随着科技发展，在工业制造和国防领域，对激光系统的亮度提出越来越高的要求。光纤激光器具有转换效率高、结构紧凑、光束质量优良等特点，在工业、国防等领域具有广泛的应用前景。

随着大模场双包层光纤和高亮度泵浦源技术的发展，2009年，美国IPG公司实现了单纤单模输出功率10kW，此后，单模高功率光纤激光器鲜有进展。

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。

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。国内也有多加单位如四川大学、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。

在光谱合成领域一个关键的问题就是：光束重叠的检测和调整，各子光束能否完全重叠关系到光谱合成光束最终的光束质量。目前，还没有能检测并调整光谱合成光束重叠关系的装置。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光谱合成光束重叠检测调整装置，其目的在于，通过将多种光学元件设计组合在一起，以对多个光束叠合情况形成采集，并根据采集的信息适时调整多个光束参数以及光学元件参数，实现检测并调整光谱合成光束完全重叠。

为实现上述目的，本发明提供了一种光谱合成光束重叠检测调整装置，其特征在于，其包括光栅、楔镜、分光镜、第一衰减器、第二衰减器、第一光斑测量仪、第二光斑测量仪、凸透镜、采集电路以及显示器，其中，

所述光栅设置在多个光束汇聚点处，所述光栅能平移和转动，用于将入射至自身的多个光束反射出；

所述楔镜设置在所述光栅反射光方向上，用于将所述光栅反射光分为两束，该两束光中包括能量较低的第一光束；

所述分光镜设置在第一光束方向上，用于将所述第一光束分为第一分光束和第二分光束；

所述第一衰减器设置在所述第二分光束方向上，所述凸透镜设置所述第一衰减器的出射光方向上，所述第一光斑测量仪设置在所述凸透镜的出射光方向上，所述第一光斑测量仪用于测量对应于第二分光束的远场光斑的分布情况；

所述第二衰减器设置在所述第一分光束方向上，所述第二光斑测量仪设置在所述第二衰减器的出射光方向上，所述第二衰减器用于测量对应于第一分光束的近场光斑分布情况；

所述采集电路用于采集所述远场光斑分布情况和所述近场光斑分布情况的信息，并将所述信息发送至所述显示器，以供外界根据所述显示器显示的信息调整多个光束的出射角度、波长以及光栅的俯仰角度、光栅的水平位置，直至所述近场光斑和所述远场光斑具有最大的峰值强度，至此实现多个光束完全重叠。

进一步的，所述楔镜还可以采用反射率大于99％反射镜。高反射率的反射镜也可以将光分为两束，并且改变光的传播方向，起到和楔镜相同的功能。

进一步的，所述第一光斑测量仪和所述第二光斑测量仪为电荷耦合元件、光束质量测量仪或者摄像机中的一种或者多种。

进一步的，所述光栅为平面闪耀光栅或者体光栅。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提供了检测并调整光谱合成光束重叠关系的装置，将光栅的反射光分出能量较低的第一光束，第一光束再被分光镜分为第一分光束和第二分光束，第一分光束和第二分光束分别形成近场光斑和远场光斑，通过测量近场光斑和远场光斑情况，再适时调整多个多个光束的出射角度、波长以及光栅的倾斜角度、位置，可最终实现不同波长的光束合成一路输出，极大提升了激光功率的同时还保证了较高的光束质量。

2、本发明提供的构型原理简单，结构也简单，仅仅是将现有的光学元件进行巧妙的设计和组合，就具有检测光束重叠情况的功能，其操作方便，通过调整多个子光束的入射角度、波长、光栅的位置、光栅倾斜角度就可实现多个子光束完全重叠，多个光学元件的位置可根据实际情况调整或者进行等功能的替换，具有较强的适应性。

3、本发明提供的检测并调整光谱合成光束重叠关系的装置适用于光纤激光器光栅光谱合成以及其他光束合成领域。

附图说明

图1是本发明实施例中检测并调整光谱合成光束重叠关系的装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中检测并调整光谱合成光束重叠关系的装置附加上验证装置的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-第一激光器 2-第二激光器 3-第三激光器

4-第一光束 5-第二光束 6-第三光束

7-光栅 8-第一出射光束 9-第二出射光束

10-第三出射光束 11-楔镜 12-分光镜

13-第一衰减器 14-凸透镜 15-第一光斑测量仪

16-第二衰减器 17-第二光斑测量仪 18-合成光束

19-采集电路 20-高反镜 21-功率计

22-第三衰减器 23-光束质量测量仪 24-显示器

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。

本发明的一种光谱合成光束重叠检测调整装置，其实施原理：不同波长的激光器(包括第一激光器1、第二激光器2、第三激光器3)出射的光束(包括第一光束4、第二光束5、第三光束6)以不同的角度入射到光栅7上，由于光栅7衍射作用，衍射光束以相同的角度出射，出射的光束经过楔镜11分光，分为两束，其中一束为能量较低的第一光束，另一束为能量较高的第二光束，第二光束可以验证光束的合成情况，当不需要验证光束的合成情况时，无需处理。其中能量较低的第一束经过分光镜12再次分为两束，为第一分光束和第二分光束。其中第二分光束通过第一衰减器13后再穿过凸透镜14，入射至第一光斑测量仪15，以测量光斑分布情况从而能检测出远场光束重叠情况。经分光镜12分出的第一分光束通过第二衰减器16后入射至第二光斑测量仪17，以测量光斑分布情况以能检测出近场光束重叠情况，通过近场和远场的光斑分布情况实时反馈调节激光器的位置、出射角度以及激光波长等参数、以及光栅7的位置、光栅7倾斜角度等参数，最终使的不同光束在近场和远场的质心重合，此时光束具有最大的峰值强度，如此，可实现多个子光束完全重叠在一起，使激光功率叠加的同时，保证了高光束质量。

图1是本发明实施例中光谱合成光束重叠检测调整装置的结构示意图，下面结合该图，描述本发明装置的结构如下：

第一激光器1、第二激光器2、第三激光器3分别输出第一光束4、第二光束5以及第三光束6，第一光束4、第二光束5以及第三光束6的波长分别为1056nm、1064nm以及1080nm，光束质量M2分别为1.12，1.17以及1.13，功率均为3W。

第一光束4、第二光束5以及第三光束6分别以一定的角度入射到光栅7的同一点上，经光栅7反射后射出，第一光束4、第二光束5以及第三光束6分别对应反射出第一出射光束8、第二出射光束9以及第三出射光束10，第一出射光束8、第二出射光束9以及第三出射光束10入射至楔镜11后，被分出两束光束，分别为第一光束和第二光束，第一光束经过分光镜12分光，进一步获得第一分光束和第二分光束。一方面，第一分光束依次经过第二衰减器16和第二光斑测量仪17，以测量近场光斑分布情况，从而检测近场光束重叠情况。另一方面，第二分光束依次经过第一衰减器13和凸透镜14，落在第一光斑测量仪15上，以测量的远场光斑分布情况，从而检测远场光束重叠情况。

将近场光斑和远场光斑分布情况通过采集电路19采集后发送至显示器24，进而可根据显示器24显示的信息人工调整或者借助外界设备自动调整第一激光器1、第二激光器2以及第三激光器3的位置、出射角度以及激光波长等参数，并配合调节光栅7的水平位置、光栅7的俯仰角度等参数，使得第一出射光束8、第二出射光束9以及第三出射光束10在第一光斑测量仪15和第二光斑测量仪17的光斑质心重合，至此，即可实现投射出楔镜11的第二分光束成为一束完成重合的合成光束18。

图2是本发明实施例中光谱合成光束重叠检测调整装置附加上验证装置的结构示意图，验证装置包括高反镜20、功率计21、第三衰减器22、光束质量测量仪23。由图可知，在合成光束18方向上设置高反镜20进行分光，将合成光束分为两束，其中一束入射至功率计21上以测试合成光束的功率，另一束入射至第三衰减器22后到达光束质量测量仪23中，以测试其光束质量因子M²。在本发明的实施例中，测量获得合成光束的功率为2.85W，其光束质量M2为1.15，以上数据证明了此装置的有效实用性。

本发明的装置中，楔镜不限于用楔镜11，还可以是反射率大于99％反射镜，高反射率的反射镜可将入射光的方向改变或者将入射光分为至少两束，即反射光和投射光。

本发明的装置中，第一光斑测量仪15和所述第二光斑测量仪17为电荷耦合元件(英文简称：CCD)，但是其还可是光束质量测量仪或者摄像机。

作为优选的，本发明的装置中，光栅7设置在三个光束汇聚于一点处，实际工程实践中，其还可以是两个光束或者其他多个光束汇聚于一点处。也即，本发明装置可以用于合成任意路数的激光光束。

在本发明的一个实施例中，光栅7为平面闪耀光栅，但是其还可以采用体光栅或者是其他色散元件。

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 (3)

1.一种光谱合成光束重叠检测调整装置，其特征在于，其包括光栅(7)、楔镜(11)、分光镜(12)、第一衰减器(13)、第二衰减器(16)、第一光斑测量仪(15)、第二光斑测量仪(17)、凸透镜(14)、采集电路(19)以及显示器(24)，其中，

所述光栅(7)设置在多个光束汇聚点处，所述光栅(7)能平移和转动，用于将入射至自身的多个光束反射出；

所述楔镜(11)设置在所述光栅(7)反射光方向上，用于将所述光栅(7)反射光分为两束，该两束光中包括能量较低的第一光束；

所述分光镜(12)设置在第一光束方向上，用于将所述第一光束分为第一分光束和第二分光束；

所述第一衰减器(13)设置在所述第二分光束方向上，所述凸透镜(14)设置在 所述第一衰减器(13)的出射光方向上，所述第一光斑测量仪(15)设置在所述凸透镜(14)的出射光方向上，所述第一光斑测量仪(15)用于测量对应于第二分光束的远场光斑的分布情况；

所述第二衰减器(16)设置在所述第一分光束方向上，所述第二光斑测量仪(17)设置在所述第二衰减器(16)的出射光方向上，所述第二衰减器(16)用于测量对应于第一分光束的近场光斑分布情况；

所述采集电路(19)用于采集所述远场光斑分布情况和所述近场光斑分布情况的信息，并将所述信息发送至所述显示器(24)，以供外界根据所述显示器显示的信息调整多个光束的出射角度、波长以及光栅(7)的俯仰角度、光栅(7)的水平位置，直至所述近场光斑和所述远场光斑具有最大的峰值强度，至此实现多个光束完全重叠。

2.如权利要求1所述的一种光谱合成光束重叠检测调整装置，其特征在于，所述第一光斑测量仪(15)和所述第二光斑测量仪(17)为电荷耦合元件、光束质量测量仪或者摄像机中的一种或者多种。

3.如权利要求 1或2所述的一种光谱合成光束重叠检测调整装置，其特征在于，所述光栅(7)为平面闪耀光栅或者体光栅。