CN105356219A - 一种基于四电极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四电极的脉冲激光合束装置及其方法，包括电光晶体、2个驱动电路、至少2个激光器、同步机、激光准直元件，其中1个驱动电路的2个电极板分别与电光晶体的2个相邻的侧面相配合，另1个驱动电路的2个电极板分别与电光晶体的另外2个侧面相配合；激光器的输出口均与电光晶体的入射面相对，2个驱动电路和全部的激光器均与同步机连接，本发明的装置和方法逆向利用具有四电极的电光晶体在不同电压下使入射激光具有不同的偏转路径，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

一种基于四电极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，具体涉及一种基于四电极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四电极的脉冲激光合束装置及其方法，本发明的装置和方法逆向利用具有四电极的电光晶体产生的光偏转，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：

一种基于四电极的脉冲激光合束装置，包括

电光晶体，所述电光晶体为四棱柱，具有4个侧面和2个底面；

2个驱动电路，其中1个驱动电路的2个电极板分别与电光晶体的2个相邻的侧面相配合，另1个驱动电路的2个电极板分别与电光晶体的另外2个侧面相配合；

至少2个激光器，激光器的输出口均与电光晶体的入射面相对，激光器输出的脉冲激光在入射面的入射位置排列为一条直线，在出射面的同一位置出射，出射后脉冲激光的传播方向相同，入射面和出射面分别为电光晶体的2个底面；

同步机，2个驱动电路和全部的激光器分别与同步机连接。

进一步，所述电光晶体相邻的侧面分别与正极板和负极板相配合。

进一步，所述激光器为前后错开排列。

另，本发明还提供一种利用上述的基于四电极的脉冲激光合束装置进行合束的方法，包括以下步骤：

(1)激光器的输出口与电光晶体的入射面相对，激光器输出的脉冲激光在入射面上的入射位置排列为一条直线，激光器由同步机控制，在不同的时刻重复输出脉冲激光；

(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晶体的入射面时，同步机控制2个驱动电路对电光晶体施加不同的电压，形成强度逐渐变化的电场和大小逐渐变化的折射率，脉冲激光在电光晶体内发生折射；

(3)所述脉冲激光由电光晶体的出射面出射，并且出射位置为同一点，出射后脉冲激光的传输方向相同，得到合束脉冲激光。

进一步，脉冲激光在入射面排列成的直线与驱动电路形成的电场方向垂直。

进一步，所述电光晶体相邻的侧面分别与正极板和负极板相配合。

进一步，所述激光器为前后错开排列。

本发明的有益效果如下：

1、将电光晶体、驱动电路与同步机相结合，2个驱动电路给电光晶体施加不同的电压，同步机控制施加电压的大小、方向和时刻，巧妙逆向利用具有四电极的电光晶体的在不同电压作用下式激光具有不同的偏转路径和脉冲激光的特点，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、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；

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为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的电光晶体与四电极连接示意图；

图3为本发明的脉冲激光合束示意图；

图4为本发明的脉冲激光合束前后示意图。

图中：1—电光晶体，21—驱动电路，22—电极板，23—电极板，24—电场方向，25—驱动电路，26—电极板，27—电极板，28—电场方向，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所示，一种基于四电极的脉冲激光合束装置，包括电光晶体1、2个驱动电路、3个激光器、同步机4和激光准直元件5。

如图2所示，所述电光晶体1为四棱柱体，具有4个侧面和2个底面；驱动电路21的电极板22和电极板23分别与电光晶体1的2个相邻的侧面相接触，驱动电路25的电极板26和电极板27分别与电光晶体1的另外2个侧面相接触，电极板22连接驱动电路21的正极，电极板23连接驱动电路21的负极，电极板26连接驱动电路25的负极，电极板27连接驱动电路25的正极；这样在电极板22和电极板23之间的区域形成一个电场，电场方向24向下，在电极板26和电极板27之间的区域形成一个电场，电场方向28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1上的电压，同时使电光晶体1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22和电极板23之间的电场强度也是逐渐变化的，越靠近中心线电场强度越小，电极板26和电极板27之间的区域的电场强度也是逐渐变化的，越靠近中心线电场强度越小。如此，沿垂直于电场方向，折射率是逐渐变化的。本发明的四电极结构简单，无需对电极进行特殊加工，可大大降低合束成本。

本发明的电光晶体为磷酸二氢钾晶体、磷酸二氢铵晶体、铌酸锂晶体、钽酸锂晶体、砷化镓晶体或碲化镉晶体。

如图1和图3所示，激光器31、激光器32和激光器33的输出口均与电光晶体1的入射面相对，激光器31输出的脉冲激光310、激光器32输出的脉冲激光320和激光器33输出的脉冲激光330在入射面的入射位置排列为一条直线，这条直线与电场方向垂直，在出射面的同一位置出射，出射后脉冲激光的传播方向相同，入射面和出射面分别为电光晶体1的2个底面。由于激光器的体积较大，入射的脉冲激光之间夹角较小，为了实现多路脉冲激光合束，激光器前后错位排列，即进行二维分布排列，可在相同的空间内放置更多的激光器。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。

驱动电路21、驱动电路25、激光器31、激光器32和激光器33均与同步机4连接，激光器31、激光器32和激光器33输出脉冲激光的时刻全部由同步机4控制，驱动电路21和驱动电路25施加电压的时刻和电压大小也由同步机4控制，只由一台同步机4控制不仅简化了合束装置，同时避免不同同步机间的时间差，提高对合束装置控制的精准度；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；

激光准直元件5设于出射面的一侧，垂直于脉冲激光出射的方向，用于减小合束脉冲激光6的发散角，得到直线传输的合束脉冲激光6。

如图3所示，一种利用如上述的基于四电极的脉冲激光合束装置进行合束的方法，包括以下步骤：

(1)激光器31、激光器32和激光器33的输出口均与电光晶体1的入射面相对，激光器31输出的脉冲激光310、激光器32输出的脉冲激光320和激光器33输出的脉冲激光330在入射面上的入射位置排列为一条直线，并且该直线垂直于电场方向，激光器31、激光器32和激光器33均由同步机4控制，在不同的时刻重复输出脉冲激光310、脉冲激光320和脉冲激光330，使脉冲激光在时间顺序上相互错开，便可以对不同的脉冲激光施加不同的电压，对各路脉冲激光的传输路径进行控制；

(2)脉冲激光310、脉冲激光320和脉冲激光330分别在不同的时刻透过电光晶体1，当由激光器31输出的脉冲激光310入射到电光晶体1的入射面时，同步机4控制驱动电路21和驱动电路25对电光晶体1施加电压U₁，当由激光器32输出的脉冲激光320入射到电光晶体2的入射面时，同步机4控制驱动电路21对电光晶体1施加电压U₂，当由激光器33输出的脉冲激光330入射到电光晶体1的入射面时，同步机4控制驱动电路21和驱动电路25对电光晶体1施加电压U₃，并且U₁≠U₂≠U₃，在电光晶体1上施加不同的电压，使各脉冲激光在电光晶体1内的传输路径不同。脉冲激光首先在入射时发生折射，由于电光晶体1内部的折射率逐渐变化的，因此，脉冲激光在电光晶体1内部传输路径逐渐偏转，图3中为了简便起见，只示出了在电光晶体的2个电场中的各一次折射，在电光晶体1的中心线处由于电场方向变化，也会发生折射；

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)脉冲激光310、脉冲激光320和脉冲激光330由电光晶体1的出射面出射，并且出射位置为同一点，出射后脉冲激光的传输方向相同，出射后经过激光准直元件5，得到合束脉冲激光6。

本发明将电光晶体1、驱动电路21、驱动电路25与同步机4相结合，驱动电路21和驱动电路25给电光晶体1施加电压，同步机4控制施加电压的大小和时刻，巧妙逆向利用具有电光晶体1的光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。

如图4所示，激光器31输出矩形的脉冲激光310，激光器32输出三角形的脉冲激光320，激光器33输出矩形的脉冲激光330，经过合束后，即可得到合束脉冲激光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上。

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 (7)

1.一种基于四电极的脉冲激光合束装置，其特征在于，包括

电光晶体，所述电光晶体为四棱柱，具有4个侧面和2个底面；

2个驱动电路，其中1个所述驱动电路的2个电极板分别与所述电光晶体的2个相邻的侧面相配合，另1个所述驱动电路的2个电极板分别与所述电光晶体的另外2个侧面相配合；

至少2个激光器，所述激光器的输出口均与所述电光晶体的入射面相对，所述激光器输出的脉冲激光在入射面的入射位置排列为一条直线，在出射面的同一位置出射，出射后脉冲激光的传播方向相同，入射面和出射面分别为所述电光晶体的2个底面；

同步机，2个所述驱动电路和全部的激光器分别与所述同步机连接。

2.根据权利要求1所述的基于四电极的脉冲激光合束装置，其特征在于，所述电光晶体相邻的侧面分别与正极板和负极板相配合。

3.根据权利要求2所述的基于四电极的脉冲激光合束装置，其特征在于，所述激光器为前后错开排列。

4.一种利用权利要求1-3任一所述的基于四电极的脉冲激光合束装置进行合束的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)激光器的输出口与电光晶体的入射面相对，激光器输出的脉冲激光在入射面上的入射位置排列为一条直线，激光器由同步机控制，在不同的时刻重复输出脉冲激光；

(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晶体的入射面时，同步机控制2个驱动电路对电光晶体施加不同的电压，形成强度逐渐变化的电场和大小逐渐变化的折射率，脉冲激光在电光晶体内发生折射；

(3)所述脉冲激光由电光晶体的出射面出射，并且出射位置为同一点，出射后脉冲激光的传输方向相同，得到合束脉冲激光。

5.根据权利要求4所述的进行合束的方法，其特征在于，脉冲激光在入射面排列成的直线与所述驱动电路形成的电场方向垂直。

6.根据权利要求5所述的进行合束的方法，其特征在于，所述电光晶体相邻的侧面分别与正极板和负极板相配合。

7.根据权利要求6所述的进行合束的方法，其特征在于，所述激光器为前后错开排列。