CN105226494A - 一种基于棱镜折射的脉冲激光合束装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于棱镜折射的脉冲激光合束装置及其方法，包括：电光晶体棱镜，具有相互平行的上底面和下底面；驱动电路，所述驱动电路的2个电极板与电光晶体棱镜的上底面和下底面连接；激光器，至少为2个，所述激光器的输出口朝向电光晶体棱镜的同一侧面，激光出射位置为同一点；同步机，所述同步机分别与驱动电路和激光器连接；激光准直元件，位于电光晶体棱镜的激光出射一侧，本发明将电光晶体棱镜、驱动电路与同步机相结合，巧妙逆向利用电光晶体棱镜的电光效应、棱镜的偏折现象和脉冲激光的特点，将多路脉冲激光合束成一路激光，在不降低脉冲能量的前提下提高脉冲激光输出的重复频率和平均功率。

Description

一种基于棱镜折射的脉冲激光合束装置及其方法

技术领域

本发明涉及高功率激光器领域，具体涉及一种基于棱镜折射的脉冲激光合束装置及其方法。

背景技术

随着激光技术的不断发展和成熟，高功率激光具有越来越广泛的应用，深刻地影响了多个行业的发展。按工作方式划分高功率激光主要分为高峰值功率激光(即高能脉冲激光)和高平均功率激光。

对于高能脉冲激光，在多种应用领域要求激光具有一定的重复频率。然而直接提高高能脉冲激光器运行的重复频率，将会产生严重的热效应，从而影响激光器的性能，甚至导致激光器输出脉冲能量下降或者不能工作。对于高平均功率激光，应用需求对激光输出功率不断提出更高要求，而单路激光功率提升有限，难以实现较高的平均输出功率。

因此，无论是对于高能脉冲激光还是对于高平均功率激光，提高脉冲激光的重复频率都是亟需解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明人认为应该通过脉冲激光合束解决该问题，对于高能脉冲激光，时序合束能够提高激光脉冲输出的重复频率，对于高平均功率激光，时序合束能够提高输出激光的平均功率。本发明提供一种基于棱镜折射的脉冲激光合束装置及其方法，本发明逆向利用电光晶体的电光效应，并与棱镜的偏折现象结合，使电光晶体棱镜、驱动电路、同步机和激光器相互配合，将多路脉冲激光合束为一路脉冲激光，在不降低脉冲能量的前提下提高脉冲激光输出的重复频率和平均功率。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于棱镜折射的脉冲激光合束装置，包括：

电光晶体棱镜，具有相互平行的上底面和下底面；

驱动电路，所述驱动电路的2个电极板分别与所述电光晶体棱镜的上底面和下底面接触；

激光器，至少为2个，所述激光器的输出口朝向所述电光晶体棱镜的同一侧面，激光出射位置为同一点，出射后激光的传输方向相同；

同步机，所述同步机分别与所述驱动电路和所述激光器连接。

进一步，所述电光晶体棱镜为三棱镜。

进一步，所述电光晶体棱镜的横截面为等腰三角形，所述激光器的输出口朝向电光晶体棱镜的腰边所在侧面。

进一步，所述激光出射的位置位于所述三棱镜的另一腰边所在的侧面。

进一步，所述等腰三角形的底角为70-80°。

进一步，所述电光晶体为磷酸二氢钾晶体、磷酸二氢铵晶体、铌酸锂晶体或钽酸锂晶体。

一种利用如上述的脉冲激光合束装置的合束方法，包括以下步骤：

(1)激光器在电光晶体棱镜的同一个侧面，各激光器输出的脉冲激光在电光晶体棱镜侧面的入射位置排列为一条直线，激光器由同步机控制，在不同的时刻输出脉冲激光；

(2)当由不同激光器输出的脉冲激光入射到电光晶体棱镜的侧面时，同步机控制驱动电路对电光晶体棱镜施加不同的电压；

(3)所述脉冲激光由电光晶体棱镜的另一侧面同一点出射，并且出射方向相同，得到一路合束脉冲激光。

进一步，其中一路脉冲激光入射到所述电光晶体棱镜时，所述驱动电路对所述电光晶体棱镜施加的电压为零。

进一步，所述电光晶体棱镜为三棱镜。

进一步，所述电光晶体棱镜的横截面为等腰三角形，所述激光器的输出口朝向电光晶体棱镜的腰边所在侧面。

本发明的有益效果如下：

(1)将电光晶体棱镜、驱动电路与同步机相结合，巧妙逆向利用电光晶体的电光效应、棱镜的偏折现象和脉冲激光的特点，将多路脉冲激光合束成一路激光，在不降低脉冲能量的前提下提高脉冲激光输出的重复频率和平均功率；

(2)通过同步机对多路脉冲激光时序上的控制，可以得到脉冲间隔时间相同或不同的合束脉冲激光；

(3)根据需要设置电光晶体棱镜的尺寸和形状，调节方便；

(4)激光器输出的脉冲激光可以为重复运行的脉冲，也可以是单次脉冲，可以具有不同的脉冲形状、脉冲宽度、波长、光谱宽度、啁啾特性、幅度等特性。

附图说明

图1为本发明的合束装置的整体结构示意图；

图2为本发明的驱动电路与电光晶体棱镜连接示意图；

图3为本发明的合束前后脉冲激光示意图。

图中：1—电光晶体棱镜，2—驱动电路，21—电极板，22—电极板，31—激光器，32—激光器，33—激光器，310—脉冲激光，320—脉冲激光，330—脉冲激光，4—同步机，5—激光准直元件，6—合束脉冲激光。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。

实施例一：

如图1和图2所示，一种基于棱镜折射的脉冲激光合束装置，包括：电光晶体棱镜1、驱动电路2、3个激光器、同步机4和激光准直元件5，电光晶体具有电光效应，在电光晶体上施加不同的外电场，可改变电光晶体的折射率，电光晶体棱镜1可以为任意形状，只需满足具有相互平行的上底面和下底面，并且具有两个相互不平行的侧面即可，两个不平行的侧面分别作为入射面和出射面，实现棱镜偏折现象，本实施例中电光晶体棱镜1为三棱镜，在本发明中，只需用到电光晶体棱镜1的2个较大的侧面，一个用于脉冲激光入射(入射面)，另一个用于脉冲激光出射(出射面)，并且用于脉冲激光入射的侧面长度越长，越有利于放置更多的激光器，而三棱镜相比于其他棱镜，在使用时只有1个侧面没有得到利用，利用率最高，电光晶体棱镜1具有相互平行的上底面和下底面，上下底面平行，保证施加电场后，电光晶体棱镜1内部的电场强度相同，利于脉冲激光偏转角度的控制和保证光束质量，电光晶体棱镜1的横截面为等腰三角形，等腰三角形可将未被利用的侧面尺寸降低到最小，使电光晶体利用率达到最大；底角为70-80°，本实施例中优选地为75°，底角过大时，腰边的长度减小，底边的长度增加，造成电光晶体棱镜1的大量浪费，底角过小时，激光器排布过于密集，相互遮挡，底角在70-80°时，即能够较高的利用电光晶体棱镜1，又能保证激光器相互之间不遮挡，其中在75°时，两种效果都达到最优。

所述电光晶体为磷酸二氢钾晶体、磷酸二氢铵晶体、铌酸锂晶体或钽酸锂晶体，本实施例中优选的是磷酸二氢钾晶体，该种电光晶体光学质量和损伤阈值均较高，高能脉冲激光不会造成电光晶体的损坏，并且能够保证合束后的脉冲激光光束质量。

驱动电路2，所述驱动电路2的电极板21和电极板22与电光晶体棱镜1的上底面和下底面连接，电极板21和电极板22的形状和大小与电光晶体棱镜1的上底面和下底面相同，保证施加在电光晶体棱镜1各处的电场强度相同，电光晶体棱镜1各处的折射率也形同，利于激光偏转角度的控制和保证光束质量。

3个激光器，分别为激光器31、激光器32和激光器33，其输出口均朝向电光晶体棱镜1的腰边所在侧面，当参与合束的激光器较多时，为了利用相同尺寸的电光晶体棱镜1进行合束，可将激光器前后错开(靠近电光晶体棱镜1为前)，以节约激光器的占用空间。通过对电光晶体棱镜1施加不同的电压，使激光出射位置为同一点，出射方向一致，所述激光出射的位置位于电光晶体棱镜1的另一腰边所在的侧面。激光器31、激光器32和激光器33输出的脉冲激光可以为重复运行的脉冲，也可以是单次脉冲，可以具有不同的脉冲形状、脉冲宽度、波长、光谱宽度、啁啾特性、幅度等特性。

同步机4，所述同步机4分别与驱动电路2、激光器31、激光器32和激光器33连接，通过同步机4即可控制驱动电路2的施加电压和各个激光器，控制方式简单。

激光准直元件5，位于电光晶体棱镜1的脉冲激光出射一侧，用于减小合束脉冲激光6的发散角，得到直线传播的脉冲激光。

一种利用如上述的脉冲激光合束装置的合束方法，包括以下步骤：

(1)激光器31、激光器32和激光器33在电光晶体棱镜1的一个腰边所在的侧面排列，激光器31、激光器32和激光器33输出的脉冲激光在电光晶体棱镜1侧面的入射位置排列为一条直线，3个激光器均由同步机4控制，在不同的时刻输出脉冲激光；

(2)脉冲激光310、脉冲激光320和脉冲激光330分别在不同的时刻经过电光晶体1，当由激光器31输出的脉冲激光310入射到电光晶体棱镜1的侧面时，同步机4控制驱动电路2对电光晶体棱镜1施加的电压为零；当由激光器32输出的脉冲激光320入射到电光晶体棱镜1的侧面时，同步机4控制驱动电路2对电光晶体棱镜1施加的一个较低电压；由激光器33输出的脉冲激光330入射到电光晶体棱镜1的侧面时，同步机4控制驱动电路2对电光晶体棱镜1施加一个较高电压，对电光晶体1施加不同的电压，使各脉冲激光在电光晶体1内的传输路径不同；

另外，脉冲激光310、脉冲激光320和脉冲激光330均为重复频率的脉冲激光，上述步骤仅描述了各个脉冲激光其中一个脉冲的合束过程，对于其余脉冲，只需重复上述步骤即可实现合束，快速有效的提高重复频率和平均功率；

(3)各路脉冲激光在不同时刻由电光晶体棱镜1的另一腰边所在的侧面出射，并且出射位置为同一点，脉冲激光出射方向相同，出射后经过激光准直元件5的准直作用，成为一路脉冲激光，即合束脉冲激光6。通过同步机4对多路脉冲激光时序上的控制，可以得到脉冲间隔时间相同或不同的合束脉冲激光6。若需要更多路脉冲激光合束，可将本发明的合束装置进行多级串联，即将合束脉冲激光6再次作为入射脉冲激光，入射到下一级电光晶体棱镜上。

本发明将电光晶体棱镜1、驱动电路2与同步机4相结合，巧妙逆向利用电光晶体棱镜1的电光效应、棱镜的偏折现象和脉冲激光的特点，将多路脉冲激光合束成一路激光，在不降低脉冲能量的前提下提高脉冲激光输出的重复频率和平均功率。

如图3所示，激光器31输出脉冲激光310，激光器32输出三角形的脉冲激光320，激光器33输出脉冲激光330，经过合束后，即可得到合束脉冲激光6。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种基于棱镜折射的脉冲激光合束装置，其特征在于，包括：

电光晶体棱镜，具有相互平行的上底面和下底面；

驱动电路，所述驱动电路的2个电极板分别与所述电光晶体棱镜的上底面和下底面接触；

激光器，至少为2个，所述激光器的输出口朝向所述电光晶体棱镜的同一侧面，激光出射位置为同一点，出射后激光的传输方向相同；

同步机，所述同步机分别与所述驱动电路和所述激光器连接。

2.根据权利要求1所述的基于棱镜折射的脉冲激光合束装置，其特征在于，所述电光晶体棱镜为三棱镜。

3.根据权利要求2所述的基于棱镜折射的脉冲激光合束装置，其特征在于，所述电光晶体棱镜的横截面为等腰三角形，所述激光器的输出口朝向电光晶体棱镜的腰边所在侧面。

4.根据权利要求3所述的基于棱镜折射的脉冲激光合束装置，其特征在于，所述激光出射的位置位于所述三棱镜的另一腰边所在的侧面。

5.根据权利要求4所述的基于棱镜折射的脉冲激光合束装置，其特征在于，所述等腰三角形的底角为70-80°。

6.根据权利要求1-5任一所述的基于棱镜折射的脉冲激光合束装置，其特征在于，所述电光晶体为磷酸二氢钾晶体、磷酸二氢铵晶体、铌酸锂晶体或钽酸锂晶体。

7.一种利用如权利要求1-6任一所述的脉冲激光合束装置的合束方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)激光器在电光晶体棱镜的同一个侧面，各激光器输出的脉冲激光在电光晶体棱镜侧面的入射位置排列为一条直线，激光器由同步机控制，在不同的时刻输出脉冲激光；

(2)当由不同激光器输出的脉冲激光入射到电光晶体棱镜的侧面时，同步机控制驱动电路对电光晶体棱镜施加不同的电压；

(3)所述脉冲激光由电光晶体棱镜的另一侧面同一点出射，并且出射方向相同，得到一路合束脉冲激光。

8.根据权利要求7所述的合束方法，其特征在于，其中一路脉冲激光入射到所述电光晶体棱镜时，所述驱动电路对所述电光晶体棱镜施加的电压为零。

9.根据权利要求8所述的合束方法，其特征在于，所述电光晶体棱镜为三棱镜。

10.根据权利要求9所述的合束方法，其特征在于，所述电光晶体棱镜的横截面为等腰三角形，所述激光器的输出口朝向电光晶体棱镜的腰边所在侧面。