CN106159663A - 一种大功率光纤激光准直输出及采样监测一体化集成装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大功率光纤激光准直输出及采样监测一体化集成装置，包括激光准直腔和激光采样监测腔，两腔由防护隔离板分隔，防止激光准直腔内的杂散光对采样监测产生干扰，采样光束通过隔离板上的通光孔由激光准直腔传输到采样监测腔。本发明装置实现装置一体化集成，承载激光功率高，可实现万瓦级以上光纤激光的准直和监测；使用方便灵活，通过更换内部器件，可满足不同发射特性光纤激光的准直输出以及多种监测需求。

Description

一种大功率光纤激光准直输出及采样监测一体化集成装置

技术领域

本发明涉及大功率激光发射领域，具体涉及一种大功率光纤激光准直输出及采样监测一体化集成装置。

背景技术

大功率光纤激光器具有功率密度高、光束质量好、结构紧凑等优点，近年来获得了飞速发展，在工业、国防及现代高新技术等众多领域有极为重要的应用。由于从光纤中发射的激光束具有一定发散角度，经过一段距离传播后光斑面积变大，功率密度降低，因此对实际应用中的光纤激光首先需要进行光束准直。同时，为了确保激光的功率、光斑形貌等性能参数满足应用需求，还要在激光准直输出的同时进行采样监测，进而根据采样数据对光纤激光器实施闭环反馈控制。

随着光纤激光技术的不断发展，单根光纤输出功率已突破万瓦，组束光纤可达数万瓦，目前常用的光纤准直器无法承受如此高的激光功率。另外大功率光纤激光多采用组束光纤合成输出的方式，在这种情况下，在合成激光准直输出的同时进行采样监测，进而根据监测结果对各束激光进行相应控制，是实现大功率合成输出亟需解决的关键技术。

因此，非常有必要提出一种大功率应用条件下的光纤激光准直输出及采样监测的一体化集成装置，才能满足先进工业加工以及国防等高能激光领域的应用需求。目前对于大功率光纤激光，其输出准直和采样监测为两组相互独立的装置，尤其是采样监测常采用多个离散器件临时搭建光路，还没有能够实现大功率激光准直输出与采样监测的一体化集成装置。

发明内容

针对目前对于大功率光纤激光，其输出准直和采样监测为两组相互独立的装置，尤其是采样监测常采用多个离散器件临时搭建光路，还没有能够实现大功率激光准直输出与采样监测的一体化集成装置的情况，本发明提供一种光纤激光准直输出及采样监测的一体化集成装置，可满足大功率条件下对光纤发射的激光同时进行准直和监测的需求。

一种大功率光纤激光准直输出及采样监测一体化集成装置，包括激光准直腔与激光采样监测腔，防护隔离板将激光准直腔与激光采样监测腔隔离；

所述激光准直腔包括光纤激光发射装置、激光光阑、激光准直镜、主分光镜、输出隔离窗，腔内各部件与激光准直腔通过密封接口连接。所述光纤激光发射装置位于激光准直镜的焦点处，所述光纤激光发射装置发射的大功率激光束经过激光光阑进行空间滤波，滤除大于理论远场衍射角的杂散光，滤波后的激光束经过激光准直镜成为准直激光束；所述主分光镜位于激光准直镜和输出隔离窗之间的光路中，准直激光经主分光镜分为输出激光与采样激光束，输出激光经过输出隔离窗输出，采样激光束通过防护隔离板上的通光孔进入激光采样监测腔；

所述激光采样监测腔包括采样聚焦镜、采样分光镜、第一衰减组件、光斑形貌探测装置、第二衰减组件、小孔光阑、激光功率探测装置，腔内各部件与激光采样监测腔通过密封接口连接。所述采样激光束通过采样聚焦镜汇聚，汇聚光束经采样分光镜分为两束，一束经第一衰减组件后由光斑形貌探测装置监测聚焦光斑形貌，另一束经小孔光阑由激光功率探测装置监测激光功率。

所述激光准直舱和激光采样监测舱均为防尘密封舱。

所述防护隔离板采用耐受高激光功率的非透光材料制造，其表面做防反射处理。

所述光纤激光发射装置与激光准直腔腔体连接，可采用单根单芯光纤、单根多芯光纤或多根光纤组束，具备六维调整功能。

所述激光光阑表面做防反射处理，防止激光光阑产生的杂散光进入光纤激光发射装置；所述激光光阑根据光纤激光发射装置发射的大功率激光束功率水平采取适当冷却措施，可采用风冷、水冷或电控制冷。

所述激光准直镜是非球面或球面反射镜，材料采用石英玻璃、金属或K9，激光准直镜镜面根据激光波长、功率密度、偏振特性镀高反膜；根据需要采取冷却方式，包括风冷、水冷或电控制冷。

所述主分光镜采用楔形镜或立方棱镜，材料为石英玻璃或k9，主分光镜表面根据准直激光束的波长、功率密度、偏振特性进行光学镀膜。

所述输出隔离窗采用耐受高激光功率的金属或非金属非透光材料，在系统正常工作时处于打开状态，系统关闭或系统出现故障时处于关闭状态。

所述采样聚焦镜由一片或多片光学镜组合实现，可采用球面镜或非球面镜；采用透射式聚焦或反射式聚焦；所述采样聚焦镜镜面根据采样激光束的波长、功率密度、偏振特性镀膜，采用透射式聚焦时镀增透膜，采用反射式聚焦时镀高反膜。

所述采样分光镜采用楔形镜或立方棱镜；材料采用石英玻璃或k9；所述采样分光镜表面可根据监测需要进行光学镀膜。

所述第一衰减组件、第二衰减组件由一件或多件楔形镜或立方棱镜构成，可移除或替换，以实现不同的衰减倍率；第一衰减组件、第二衰减组件周边装置表面进行防反射处理，防止分光产生的杂散光束对监测结果干扰。

所述小孔光阑为圆孔或矩形孔，小孔光阑孔径和位置可以根据需要调节。

所述光斑形貌探测装置为CCD相机、波前分析仪或光斑形貌分析仪。

所述激光功率探测装置根据监测需要选用相应波长和功率范围的光电探测器或激光功率计。

本发明具备以下优点：承载激光功率高，可实现万瓦级以上光纤激光的准直和监测；实现装置一体化集成，可在大功率激光准直输出的同时进行采样监测；使用方便灵活，通过更换内部器件，可满足不同发射特性光纤激光的准直输出以及多种监测需求。

附图说明

图1为光纤激光准直输出及采样监测的一体化集成装置结构示意图。

图中，1－激光准直腔，2－激光采样监测腔，3－光纤激光发射装置，4－激光光阑，5－激光准直镜，6－主分光镜，7－输出隔离窗，8－采样聚焦镜，9－采样分光镜，10－第一衰减组件，11－光斑形貌探测装置，12－第二衰减组件，13－小孔光阑，14－激光功率探测装置，15－防护隔离板，16－通光孔，17－输出激光，18-采样激光器。

具体实施方式

如图1所示，本发明的具体实施例如下：

一种大功率光纤激光准直输出及采样监测一体化集成装置，包括激光准直腔1和激光采样监测腔2。激光准直腔主要由光纤激光发射装置3、激光光阑4、激光准直镜5、主分光镜6、输出隔离窗7构成；激光采样监测腔2主要由采样聚焦镜8、采样分光镜9、第一衰减组件10、光斑形貌探测装置11、第二衰减组件12、小孔光阑13、激光功率探测装置14组成。

光纤激光发射装置发射出具有一定发散角的大功率激光束，光纤激光发射装置3通过接口结构与激光准直腔1腔体连接，具备六维调整功能，确保装配好的光纤发射端面位于激光准直镜5焦点处。大功率激光束经激光光阑4进行空间滤波，滤除大于理论远场衍射角的杂散光；激光光阑4设计相应反射角度，表面做防反射处理，防止激光光阑4产生的杂散光进入光纤激光发射装置3；激光光阑4采取内部水冷结构，以承受大功率激光。激光准直镜5采用石英材料的非球面反射镜，滤波后激光束以一定离轴角度入射，反射光束为准直激光；激光准直镜5表面镀高反膜，背面采用循环水冷却。准直激光通过输出隔离窗7输出，输出隔离窗7采用耐受高激光功率的金属材料，表面做防反射处理；窗口打开状态时准直激光通过此处输出，关闭状态时无激光输出，起防护隔离和密封防尘作用。主分光镜6采用石英楔形镜，位于激光准直镜5和输出隔离窗7之间的光路中，与准直光束的光轴成45度角；主分光镜6镀高反膜，准直激光的大部分能量从主分光镜6反射输出，极小部分能量透射，形成采样激光束用于采样监测。

采样激光束通过防护隔离板15上的通光孔16由激光准直腔1传输到采样监测腔2；防护隔离板15采用耐受高激光功率的金属材料，表面做防反射处理，以防止激光准直腔内的杂散光对采样监测产生干扰。采样聚焦镜8采用球面石英透镜，将采样光束汇聚，透镜镀增透膜。采样分光镜9采用石英楔形镜，与采样激光束光轴成45度，将采样激光束分为透射和反射两束。两束光分别经过第一衰减组件10和第二衰减组件12进行功率衰减，衰减组件由多片石英楔形镜构成；可移除或替换其中的楔形镜，以实现不同的衰减倍率；衰减组件周边装置表面进行防反射处理，防止杂散光束对探测光产生干扰。一束采样光由光斑形貌探测装置接收，本实施例采用CCD相机，对其聚焦光斑成像，实现光斑形貌监测；另一束采样光经过小孔光阑13后，由激光功率探测装置14接收，本实施例采用光电探测器，实现激光功率监测。

激光准直腔1和激光采样监测腔2均为防尘密封腔，防止大功率激光工作时外部灰尘或其他杂物进入装置内部导致故障；腔内部件与腔外的连接通过相应的密封接口实现。

如上所述装置为一体化集成装置，在大功率光纤激光准直输出的同时，实现了光斑形貌监测和激光功率监测。

Claims (14)

1.一种大功率光纤激光准直输出及采样监测一体化集成装置，其特征在于包括激光准直腔(1)与激光采样监测腔(2)，防护隔离板(15)将激光准直腔(1)与激光采样监测腔(2)隔离；

所述激光准直腔(1)包括光纤激光发射装置(3)、激光光阑(4)、激光准直镜(5)、主分光镜(6)、输出隔离窗(7)，与激光准直腔(1)通过密封接口连接；所述光纤激光发射装置(3)位于激光准直镜(5)的焦点处，所述光纤激光发射装置(3)发射的大功率激光束经过激光光阑(4)进行空间滤波，滤除大于理论远场衍射角的杂散光，滤波后的激光束经过激光准直镜(5)成为准直激光束；所述主分光镜(6)位于激光准直镜(5)和输出隔离窗(7)之间的光路中，准直激光经主分光镜(6)分为输出激光(17)与采样激光束(18)，输出激光(17)经过输出隔离窗(7)输出，采样激光束(18)通过防护隔离板(15)上的通光孔(16)进入激光采样监测腔(2)；

所述激光采样监测腔(2)包括采样聚焦镜(8)、采样分光镜(9)、第一衰减组件(10)、光斑形貌探测装置(11)、第二衰减组件(12)、小孔光阑(13)、激光功率探测装置(14)，与激光采样监测腔(2)通过密封接口连接；所述采样激光束(18)通过采样聚焦镜(8)汇聚，汇聚激光束经采样分光镜(9)分为两束，一束经第一衰减组件(10)进行功率衰减后由光斑形貌探测装置(11)监测聚焦光斑形貌，另一束经第二衰减组件(12)进行功率衰减后通过小孔光阑(13)由激光功率探测装置(14)监测激光功率。

2.根据权利要求1所述的一种大功率光纤激光准直输出及采样监测一体化集成装置，其特征在于，所述激光准直舱(1)和激光采样监测舱(2)均为防尘密封舱。

3.根据权利要求1所述的一种大功率光纤激光准直输出及采样监测一体化集成装置，其特征在于，所述防护隔离板(15)采用耐受高激光功率的非透光材料制造，其表面做防反射处理。

4.根据权利要求1所述的一种大功率光纤激光准直输出及采样监测一体化集成装置，其特征在于，所述光纤激光发射装置(3)，是单根单芯光纤、单根多芯光纤或多根光纤组束，具备六维调整功能。

5.根据权利要求1所述的一种大功率光纤激光准直输出及采样监测一体化集成装置，其特征在于，所述激光光阑(4)表面做防反射处理，防止激光光阑(4)产生的杂散光进入光纤激光发射装置(3)；所述激光光阑(4)根据光纤激光发射装置(3)发射的大功率激光束功率水平采取适当冷却措施，可采用风冷、水冷或电控制冷。

6.根据权利要求1所述的一种大功率光纤激光准直输出及采样监测一体化集成装置，其特征在于，所述激光准直镜(5)是非球面或球面反射镜，材料采用石英玻璃、金属或K9，激光准直镜(5)镜面根据激光波长、功率密度、偏振特性镀高反膜；根据需要采取冷却方式，包括风冷、水冷或电控制冷。

7.根据权利要求1所述的一种大功率光纤激光准直输出及采样监测一体化集成装置，其特征在于，所述主分光镜(6)采用楔形镜或立方棱镜，材料为石英玻璃或k9，主分光镜(6)表面根据准直激光束的波长、功率密度、偏振特性进行光学镀膜。

8.根据权利要求1所述的一种大功率光纤激光准直输出及采样监测一体化集成装置，其特征在于，所述输出隔离窗(7)采用耐受高激光功率的金属或非金属非透光材料，所述输出隔离窗(7)在系统正常工作时处于打开状态，系统关闭或系统出现故障时处于关闭状态。

9.根据权利要求1所述的一种大功率光纤激光准直输出及采样监测一体化集成装置，其特征在于，所述采样聚焦镜(8)由一片或多片光学镜组合实现，可采用球面镜或非球面镜；采用透射式聚焦或反射式聚焦；所述采样聚焦镜(8)镜面根据采样激光束的波长、功率密度、偏振特性镀膜，采用透射式聚焦时镀增透膜，采用反射式聚焦时镀高反膜。

10.根据权利要求1所述的一种大功率光纤激光准直输出及采样监测一体化集成装置，其特征在于，所述采样分光镜(9)采用楔形镜或立方棱镜；材料采用石英玻璃或k9；所述采样分光镜(9)表面可根据监测需要进行光学镀膜。

11.根据权利要求1所述的一种大功率光纤激光准直输出及采样监测一体化集成装置，其特征在于，所述第一衰减组件(10)、第二衰减组件(12)由一件或多件楔形镜或立方棱镜构成，可移除或替换，以实现不同的衰减倍率；第一衰减组件(10)、第二衰减组件(12)周边装置表面进行防反射处理，防止分光产生的杂散光束干扰监测结果。

12.根据权利要求1所述的一种大功率光纤激光准直输出及采样监测一体化集成装置，其特征在于，所述小孔光阑(13)为圆孔或矩形孔，小孔光阑(13)孔径和位置可以根据需要调节。

13.根据权利要求1所述的一种大功率光纤激光准直输出及采样监测一体化集成装置，其特征在于，所述光斑形貌探测装置(11)为CCD相机、波前分析仪或光斑形貌分析仪。

14.根据权利要求1所述的一种大功率光纤激光准直输出及采样监测一体化集成装置，其特征在于，所述激光功率探测装置(14)根据监测需要选用相应波长和功率范围的光电探测器或激光功率计。