CN105226496A - 一种电光-机械复合的脉冲激光合束装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电光-机械复合的脉冲激光合束装置及其方法，包括：电光偏转器、机械偏转器、2个驱动电路、至少3个激光器和同步机，其中1个所述驱动电路与所述电光偏转器相配合，另1个所述驱动电路与所述机械偏转器相配合，2个所述驱动电路和全部的激光器分别与同步机连接，所述电光偏转器、机械偏转器和激光准直元件依次沿脉冲激光传输的方向排列，所述激光器输出的脉冲激光由所述机械偏转器的同一位置出射，并且传输方向相同，本发明逆向利用机械偏转器和电光偏转器产生的光偏转，并将其与脉冲激光的特性以及同步机相结合，通过一级合束装置即可实现多路脉冲激光合束。

Description

一种电光-机械复合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，具体涉及一种电光-机械复合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。

电光偏转器一般具有较快的响应速度，但偏转量不大。机械偏转器可以实现较大的偏转量，但是响应速度有限。

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。本发明提供一种电光-机械复合的脉冲激光合束装置及其方法，本发明逆向利用机械偏转器和电光偏转器产生的光偏转，并将其与脉冲激光的特性以及同步机相结合，通过一级合束装置即可实现多路脉冲激光合束。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种电光-机械复合的脉冲激光合束装置，包括：电光偏转器、机械偏转器、2个驱动电路、至少3个激光器和同步机，其中1个所述驱动电路与所述电光偏转器相配合，另1个所述驱动电路与所述机械偏转器相配合，同步机与全部的驱动电路和激光器连接，所述激光器的输出口与所述电光偏转器相对，所述电光偏转器和机械偏转器依次沿脉冲激光传输的方向排列，所述激光器输出的脉冲激光由所述机械偏转器的同一位置出射，并且传输方向相同。

进一步，所述电光偏转器为数字编码电光偏转器、棱镜电光偏转器、渐变折射率电光偏转器、四电极电光偏转器、畴反转电光偏转器或声光偏转器。

进一步，所述棱镜电光偏转器包括电光晶体棱镜。

进一步，所述渐变折射率电光偏转器包括具有克尔效应和空间电荷效应的电光晶体。

进一步，所述数字编码偏转器包括电光晶体和双折射晶体。

进一步，所述四电极电光偏转器包括电光晶体和4个电极板。

进一步，所述畴反转电光偏转器包括具有畴结构的电光晶体。

进一步，所述声光偏转器包括声光晶体。

一种利用上述的脉冲激光合束装置进行的合束方法，包括以下步骤：

(1)激光器分为至少2组，激光器的输出口与电光偏转器相对，全部的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在不同时刻入射到电光偏转器时，同步机控制驱动电路对电光偏转器施加不同的电压；

(3)每一组激光器输出的脉冲激光由电光偏转器出射，并且出射位置为同一点，出射后脉冲激光的传输方向相同，得到电光合束激光；

(4)不同组的电光合束激光在不同时刻经过机械偏转器，并由机械偏转器的同一位置出射，出射后脉冲激光的传输方向相同，得到合束脉冲激光。

本发明的有益效果如下：

1、本发明的合束装置和合束方法将机械偏转器和电光偏转器的有点相结合，能实现较快扫描速度的同时又能实现较大的偏转量，非常适合于需要大规模合束的情况；

2、将机械偏转器、电光偏转器与同步机相结合，驱动电路给电光偏转器和机械偏转器施加电压，同步机控制施加电压的大小和时刻，巧妙逆向利用2个偏转器的偏转特性和脉冲激光的特点，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；

3、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；

4、通过本发明的合束装置可实现多路脉冲激光的合束，如需要更高重复频率的脉冲激光，将本发明的合束装置进行多级串联即可实现；

5、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整体结构示意图；

图2为本发明的数字编码电光偏转器合束示意图；

图3为本发明的棱镜电光偏转器合束示意图；

图4为本发明的渐变折射率电光偏转器合束示意图；

图5为本发明的四电极电光偏转器结构示意图；

图6为本发明的畴反转电光偏转器结构示意图；

图7为本发明的声光偏转器合束示意图。

图中：1—电光偏转器，11—双折射晶体，12—电光晶体，13—电光晶体棱镜，14—电光晶体，15—电光晶体，16—电光晶体，161—畴结构，162—畴壁，163—自发极化方向，17—声光晶体，2—机械偏转器，31—驱动电路，311—电声换能器，32—驱动电路，33—电极板，34—电极板，35—电场方向，36—电极板，37—电极板，38—电场方向，41—激光器，42—激光器，43—激光器，44—激光器，410—脉冲激光，420—脉冲激光，430—脉冲激光，440—脉冲激光，5—同步机，510—电光合束激光，520—电光合束激光，6—激光准直元件，610—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所示，一种电光-机械复合的脉冲激光合束装置，包括：电光偏转器1、机械偏转器2、2个驱动电路、4个激光器、同步机5和激光准直元件6，驱动电路31与电光偏转器1相配合，驱动电路32与机械偏转器2相配合，驱动电路31、驱动电路32和全部的激光器均与同步机5连接，4个激光器的输出口均与电光偏转器1相对，电光偏转器1、机械偏转器2和激光准直元件6依次沿脉冲激光传输的方向排列，所述激光器输出的脉冲激光均由机械偏转器2的同一位置出射，并且传输方向相同。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。

所述电光偏转器1为数字编码电光偏转器、棱镜电光偏转器、渐变折射率电光偏转器、四电极电光偏转器、畴反转电光偏转器或声光偏转器。由于电光偏转器1的响应速度快，对其施加不同的电压即可使激光偏转不同的角度，机械偏转器2偏转角度大，本发明将两者相结合，逆向利用电光偏转器1和机械偏转器2对光的偏转作用进行合束，能实现较快扫描速度的同时又能实现较大的偏转量，非常适合于需要大规模合束的情况。

一种利用如上所述的脉冲激光合束装置进行的合束方法，包括以下步骤：

(1)激光器分为2组，每一组包括2个激光器，即激光器41和激光器42为一组，激光器43和激光器44为一组，激光器的输出口与电光偏转器1相对，激光器41、激光器42、激光器43和激光器44均由同步机5控制，在不同的时刻重复输出脉冲激光，并且同一组的激光器全部输出完之后再由另一组的激光器输出，便于驱动电路32的施加电压控制，减少电压变换的次数；

(2)激光器41输出脉冲激光410，激光器42输出脉冲激光420，激光器43输出脉冲激光430，激光器44输出脉冲激光440，当由不同激光器输出的脉冲激光入射到电光偏转器1时，同步机5控制驱动电路31对电光偏转器1施加不同的电压，使各脉冲激光在电光偏转器1中具有不同的传输路径；

(3)分别由激光器41和激光器42输出的脉冲激光410和脉冲激光420在不同时刻由电光偏转器1出射，并且出射位置为同一点，出射后脉冲激光410和脉冲激光420的传输方向相同，另一组与其相似，得到电光合束激光510和电光合束激光520，2束电光合束激光之间存在一定的夹角；

脉冲激光410、脉冲激光420、脉冲激光430和脉冲激光440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；

(4)电光合束激光510和电光合束激光520先后经过机械偏转器2，经过机械偏转器2的偏转后，由机械偏转器2的同一位置出射，出射后2束脉冲激光的传输方向相同，经过激光准直元件6，得到合束脉冲激光610。

将机械偏转器2、电光偏转器1与同步机5相结合，驱动电路31和驱动电路32给电光偏转器1和机械偏转器2施加电压，同步机5控制施加电压的时刻，巧妙逆向利用2个偏转器的偏转特性和脉冲激光的特点，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。通过同步机5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610。通过本发明的合束装置可实现多路脉冲激光的合束，如需要更高重复频率的脉冲激光，将本发明的合束装置进行多级串联即可实现。

实施例二：

如图2所示，与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是，电光偏转器1为数字编码电光偏转器，包括电光晶体12和双折射晶体11，合束的两束脉冲激光分别为o光和e光，即激光器41输出的脉冲激光410为o光，激光器42输出的脉冲激光420为e光，由不同的位置入射到双折射晶体11后，可合束为一束脉冲激光，然后当其中一路脉冲激光经过电光晶体12时，对电光晶体12施加半波电压，使o光或e光的偏振方向改变(即变为全部的o光或全部的e光)，得到偏振方向相同的电光合束激光激光510。本实施例仅以脉冲激光410和脉冲激光420为例进行说明，脉冲激光430和脉冲激光440的合束过程与其类似，不再赘述。

实施例三：

如图3所示，与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是，所述电光偏转器1为棱镜电光偏转器，包括电光晶体棱镜13，驱动电路31的电极板与电光晶体棱镜13的相互平行的上下底面相配合，电光晶体棱镜13不局限与三棱镜，任何具有2个平行的底面和两个不平行的侧面的棱镜均可以，两个不平行的侧面为入射面和出射面，电光晶体棱镜13为三棱镜，三棱镜的横截面为等腰三角形，激光器41输出的脉冲激光410和激光器42输出的脉冲激光420均由三棱镜的一个腰边所在的侧面入射，经过电光晶体棱镜13后，由另一腰边所在侧面出射，出射后脉冲激光的传输方向一致，即合束为电光合束激光510。本实施例仅以脉冲激光410和脉冲激光420为例进行说明，脉冲激光430和脉冲激光440的合束过程与其类似，不再赘述。

在本实施例中，只需用到电光晶体棱镜13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13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13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13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，既能够较高的利用电光晶体棱镜13，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。

实施例四：

如图4所示，与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是，所述电光偏转器1为渐变折射率电光偏转器，包括电光晶体14，具有克尔效应和空间电荷效应，所述电光晶体14为铌钽酸钾晶体。克尔效应是指与电场二次方成正比的电感应双折射现象，空间电荷是存在于半导体内部局部区域的剩余电荷。由于克尔效应的存在，驱动电路31在电光晶体14两平行的底面施加电压时，会在电光晶体14内部产生均匀的电场，并且电光晶体14对脉冲激光的折射率根据施加电压的不同而不同，又由于电光晶体14内存在空间电荷，从而抵消掉部分的外加电场，造成电光晶体14内部电场在各处不是完全相同的，而是逐渐变化的，折射率也是逐渐变化的，当激光器41输出的脉冲激光410经过该电光晶体14时，脉冲激光传输的路径就会逐渐偏转，通过控制施加的电压大小和入射激光的入射位置，就可以得到由同一点同方向出射的脉冲激光，即达到合束的目的。激光器42输出的脉冲激光420垂直入射到电光晶体14，此时无需脉冲激光420偏转，因此当脉冲激光420经过电光晶体14时，驱动电路31不对电光晶体14施加电压，如此便可以节约电能。本实施例仅以脉冲激光410和脉冲激光420为例进行说明，脉冲激光430和脉冲激光440的合束过程与其类似，不再赘述。

实施例五：

如图5所示，与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是，所述电光偏转器1为四电极电光偏转器，包括电光晶体15，为四棱柱形，上下底面为脉冲激光的入射面和出射面，驱动电路31为2个，其中一个驱动电路的电极板33和电极板34分别与电光晶体15的2个相邻的侧面相接触，另一个驱动电路的电极板36和电极板37分别与电光晶体15的另外2个侧面相接触，电极板33连接驱动电路的正极，电极板34连接驱动电路的负极，电极板36连接驱动电路的负极，电极板37连接驱动电路的正极；这样在电极板33和电极板34之间的区域形成一个电场，电场方向35向下，在电极板36和电极板37之间的区域形成一个电场，电场方向38向上，两个电场方向相反，必然会产生不同的折射率，设置为方向相反的电场，是为了降低驱动电路施加在电光晶体15上的电压，同时使电光晶体15中2个部分的折射率相差尽可能的大，以增大脉冲激光的偏转角。另外电极板33和电极板34之间的电场强度也是梯度分布的，越靠近中心线电场强度越小，电极板36和电极板37之间的区域也是梯度分布，越靠近中心线电场强度越小。如此，沿垂直于电场方向，折射率是梯度分布的。脉冲激光410和脉冲激光420由不同的入射角由电光晶体15的一底面入射，经过电光晶体15内部的多次折射后，由另一底面的同一位置出射，并且传输方向相同，即合束为电光合束激光510。本实施例仅以脉冲激光410和脉冲激光420为例进行说明，脉冲激光430和脉冲激光440的合束过程与其类似，不再赘述。

实施例六：

如图6所示，与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是，所述电光偏转器1为畴反转电光偏转器，包括具有畴结构的电光晶体16，电光晶体16具有多个三角形畴结构161，相邻的畴结构161自发极化方向163相差180°，所述电光晶体16具有相互平行的上底面和下底面，电光晶体16的自发极化方向163与上底面和下底面垂直，电光晶体16的畴结构161沿电光晶体16的最长边方向依次排列，脉冲激光的传输方向也是沿电光晶体16的长边方向，脉冲激光传输时依次经过各个畴结构161，由于自发极化电场的存在，对电光晶体16施加电压后，相邻畴结构161的折射率必定不同，脉冲激光在畴壁162处发生折射，通过调节脉冲激光410和脉冲激光420的入射角度和入射位置，便可以将其合束为电光合束激光510；相邻的畴结构161的交界面为畴壁162，各个畴壁162的斜率大小相等，方向相反，本实施例畴结构161的形状可以简化计算过程，便于计算脉冲激光在各个畴壁162处的入射角和出射角；畴壁162与电光晶体16的最长边所成的锐角α的角度均为70-80°，该角度设置可将电光晶体16内分成尽可能多的畴结构161，同时由于畴结构161排列规则简单，在获得畴结构161时，获得过程不过于复杂；优选的，畴壁162与电光晶体16的最长边所成的锐角α的角度均为75°，设置为75°时，畴结构161的个数与其获得过程均达到最优。畴结构161的个数越多，脉冲激光410与脉冲激光420之间的夹角越大，越有利于赢得空间放置更多的激光器，实现更多路的脉冲激光合束。所述电光晶体16包括5-20个畴结构161，本实施例优选地选择7个畴结构161，当选择7个畴结构161时，脉冲激光410与脉冲激光420之间的夹角已较大，再增加畴结构161的个数，夹角的增大效果不明显，反而需要增加电光晶体16的尺寸和施加的电压数值，增大了合束成本，同时畴结构161越多，计算施加电压的数值、脉冲激光入射的位置、角度越繁琐，不利于合束装置的控制；畴结构161越少，计算结果的精确度就不能得到保证。本实施例仅以脉冲激光410和脉冲激光420为例进行说明，脉冲激光430和脉冲激光440的合束过程与其类似，不再赘述。

实施例七：

如图7所示，与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是，所述电光偏转器1为声光偏转器，声光偏转器包括声光晶体17和电声换能器311，电声换能器311将驱动电路31的电信号转换为超声波，施加到声光晶体17上，使脉冲激光经过声光晶体时发生衍射，当脉冲激光420经过声光晶体17时，电声换能器311不对其施加超声波，脉冲激光420垂直透过声光晶体17；当脉冲激光410经过声光晶体17时，电声换能器311对其施加超声波，脉冲激光410发生衍射，由脉冲激光420出射的位置出射，沿脉冲激光420的传输方向继续传输，即合束为电光合束激光510。本实施例仅以脉冲激光410和脉冲激光420为例进行说明，脉冲激光430和脉冲激光440的合束过程与其类似，不再赘述。

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 (9)

1.一种电光-机械复合的脉冲激光合束装置，其特征在于，包括：电光偏转器、机械偏转器、2个驱动电路、至少3个激光器和同步机，其中1个所述驱动电路与所述电光偏转器相配合，另1个所述驱动电路与所述机械偏转器相配合，同步机与全部的驱动电路和激光器连接，所述激光器的输出口与所述电光偏转器相对，所述电光偏转器和机械偏转器依次沿脉冲激光传输的方向排列，所述激光器输出的脉冲激光由所述机械偏转器的同一位置出射，并且传输方向相同。

2.根据权利要求1所述的电光-机械复合的脉冲激光合束装置，其特征在于，所述电光偏转器为数字编码电光偏转器、棱镜电光偏转器、渐变折射率电光偏转器、四电极电光偏转器、畴反转电光偏转器或声光偏转器。

3.根据权利要求2所述的电光-机械复合的脉冲激光合束装置，其特征在于，所述棱镜电光偏转器包括电光晶体棱镜。

4.根据权利要求2所述的电光-机械复合的脉冲激光合束装置，其特征在于，所述渐变折射率电光偏转器包括具有克尔效应和空间电荷效应的电光晶体。

5.根据权利要求2所述的电光-机械复合的脉冲激光合束装置，其特征在于，所述数字编码偏转器包括电光晶体和双折射晶体。

6.根据权利要求2所述的电光-机械复合的脉冲激光合束装置，其特征在于，所述四电极电光偏转器包括电光晶体和4个电极板。

7.根据权利要求2所述的电光-机械复合的脉冲激光合束装置，其特征在于，所述畴反转电光偏转器包括具有畴结构的电光晶体。

8.根据权利要求2所述的电光-机械复合的脉冲激光合束装置，其特征在于，所述声光偏转器包括声光晶体。

9.一种利用权利要求1-8任一所述的脉冲激光合束装置进行的合束方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)激光器分为至少2组，激光器的输出口与电光偏转器相对，全部的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在不同时刻入射到电光偏转器时，同步机控制驱动电路对电光偏转器施加不同的电压；

(3)每一组激光器输出的脉冲激光由电光偏转器出射，并且出射位置为同一点，出射后脉冲激光的传输方向相同，得到电光合束激光；

(4)不同组的电光合束激光在不同时刻经过机械偏转器，并由机械偏转器的同一位置出射，出射后脉冲激光的传输方向相同，得到合束脉冲激光。