CN106342258B - 一种激光光路切换装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种能够对千瓦级以上功率激光进行快速切换的光路切换装置，该装置包括数字信号处理器、电磁切换装置和光学耦合输出装置；电磁切换装置包括若干电磁切换单元，光学耦合输出装置包括若干激光耦合输出单元，它们一一对应；电磁切换单元包括电磁铁、衔铁运动轨道和全反镜，全反镜固定于衔铁上，电磁铁吸合时随衔铁移到工作位置反射入射激光，将其反射到对应的激光耦合输出单元。激光耦合输出单元包括聚焦透镜和耦合输出光纤；聚焦透镜对入射光进行会聚，耦合输出光纤将会聚后的激光耦合输出，光纤应能对千瓦级以上激光进行传输。数字信号处理器确定由哪一个电磁切换单元进行切换，然后控制该电磁切换单元中的电磁铁上电吸合即可。

Description

一种激光光路切换装置

技术领域

本发明属于光机电一体化技术领域，尤其涉及一种激光光路切换装置。

背景技术

20世纪70年代以来，计算机、微电子等技术迅猛发展，在它们的推动下，同时也是为适应现代化工农业生产甚至战争的新需求，光电技术与仪器不断进步，相继诞生了各种光学智能仪器、PC仪器、虚拟仪器及互换性虚拟仪器等微机化仪器及其自动测试系统，光电技术，激光技术不断发展，在各个领域的作用也越来越重要。光电技术的不断发展也对激光光路切换技术提出了新的更高要求，例如要求能够对千瓦级以上的高功率激光进行快速切换。

而传统的激光光路切换装置主要用于通信激光的光路切换，其通常采用通过电机带动反射镜转动，将入射激光反射到不同位置的耦合输出光纤，从而实现对光路进行切换的方案，采用该种方案，由于是通过反射镜的转动来实现激光光路切换，因而切换速度受到限制。同时其不能用于对较高功率的激光进行光路切换操作，因而其应用场合是有限制的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种激光光路切换装置，采用该装置能够快速地对千瓦级以上功率的激光进行光路切换，尤其适用于对千瓦级到兆瓦级之间的中等功率的激光进行光路切换。

为解决上述技术问题，本发明激光光路切换装置包括：

数字信号处理器(Digital signal processor，简称DSP)、电磁切换装置和光学耦合输出装置；

其中数字信号处理器用于根据所期望的输出光路，对电磁切换装置进行控制；

电磁切换装置用于在数字信号处理器的所述控制下对入射激光进行相应处理，使其能够按照与所述期望的输出光路相对应的输入方式进入光学耦合输出装置；

光学耦合输出装置用于对进入其中的激光进行处理，使其能够按照所述期望的输出光路输出；

该光学耦合输出装置应能够对千瓦级以上功率的激光进行耦合输出。

本发明激光光路切换装置的一个具体方案为：

所述电磁切换装置包括若干个电磁切换单元，所述光学耦合输出装置包括若干个激光耦合输出单元，所述电磁切换单元与激光耦合输出单元之间一一对应；

其中任一个电磁切换单元均包括电磁铁、衔铁运动轨道和全反镜；衔铁运动轨道用于使所述电磁铁的衔铁能够在该轨道上作直线运动，该轨道应不阻挡按照既定方向入射的入射激光光路；全反镜固定于所述衔铁上，用于当所述电磁铁上电吸合时，在衔铁的带动下沿衔铁运动轨道移动到其工作位置，从而能够在该工作位置对入射激光进行反射；并且，全反镜对按照既定方向入射的激光进行反射后，该激光刚好能够入射到与该电磁切换单元对应的激光耦合输出单元；

其中任一个激光耦合输出单元均包括聚焦透镜和耦合输出光纤；聚焦透镜用于对进入该激光耦合输出单元的激光进行会聚，耦合输出光纤用于将聚焦透镜会聚后的激光耦合输出，耦合输出光纤的布设方向即为该激光光路切换装置的一个切换输出方向；

当需要将入射激光切换到所述光学耦合输出装置所提供的切换输出方向中的某一个方向时，所述数字信号处理器首先确定应该由哪一个电磁切换单元来进行切换，然后控制该电磁切换单元中的电磁铁上电吸合，并相应地控制其上电吸合的时间，使该电磁切换单元中的全反镜能够将入射激光反射到与该电磁切换单元相对应的激光耦合输出单元的聚焦透镜上，从而实现了对入射激光的光路切换。

作为上述具体方案的一种替代方案，在所述若干个电磁切换单元中，有一个电磁切换单元主要由一个固定在工作位置的全反镜构成，则当位于该电磁切换单元之前的入射激光光路中的其它电磁切换单元中的电磁铁均未上电时，该电磁切换单元的全反镜能够反射入射激光到该电磁切换单元所对应的激光耦合输出单元的聚焦透镜上。

在所述激光耦合输出单元中，所述耦合输出光纤的激光入射端位于所述聚集透镜的焦点处。

在所述激光耦合输出单元中，所述聚焦透镜是设置在一个镜筒内的。

在所述激光耦合输出单元中，所述耦合输出光纤为能够对千瓦级以上功率的激光进行传输的光纤，从而确保所述光学耦合输出装置能够对千瓦级以上功率的激光进行耦合输出。

本发明激光光路切换装置的另一个具体方案为：

所述电磁切换装置包括若干个电磁切换单元，所述光学耦合输出装置包括若干个激光耦合输出单元，所述电磁切换单元与激光耦合输出单元之间一一对应；

其中任一个电磁切换单元均包括电磁铁、衔铁运动轨道和全反镜，当该电磁切换单元未参与对入射激光进行切换时，电磁铁处于上电吸合状态；衔铁运动轨道用于使所述电磁铁的衔铁能够在该轨道上作直线运动；全反镜固定于所述衔铁上，用于当所述电磁铁去电时，在衔铁的带动下沿衔铁运动轨道移动到其工作位置，从而能够在该工作位置对入射激光进行反射；并且，全反镜对按照既定方向入射的激光进行反射后，该激光刚好能够入射到与该电磁切换单元对应的激光耦合输出单元；

其中任一个激光耦合输出单元均包括聚焦透镜和耦合输出光纤；聚焦透镜用于对进入该激光耦合输出单元的激光进行会聚，耦合输出光纤用于将聚焦透镜会聚后的激光耦合输出，耦合输出光纤的布设方向即为该激光光路切换装置的一个切换输出方向；

当需要将入射激光切换到所述光学耦合输出装置所提供的切换输出方向中的某一个方向时，所述数字信号处理器首先确定应该由哪一个电磁切换单元来进行切换，然后控制该电磁切换单元中的电磁铁去电，使该电磁切换单元中的全反镜能够将入射激光反射到与该电磁切换单元相对应的激光耦合输出单元的聚焦透镜上，从而实现了对入射激光的光路切换。

作为上述具体方案的一种替代方案，在所述若干个电磁切换单元中，有一个电磁切换单元主要由一个固定在工作位置的全反镜构成，则当位于该电磁切换单元之前的入射激光光路中的其它电磁切换单元中的电磁铁均上电吸合时，则该电磁切换单元的全反镜能够将入射激光反射到该电磁切换单元所对应的激光耦合输出单元的聚焦透镜上。

在所述激光耦合输出单元中，所述耦合输出光纤的激光入射端位于所述聚集透镜的焦点处。

在所述激光耦合输出单元中，所述耦合输出光纤为能够对千瓦级以上功率的激光进行传输的光纤，从而确保所述光学耦合输出装置能够对千瓦级以上功率的激光进行耦合输出。

本发明的有益效果为：

由于采用了数字控制技术，并采用了特定的机械构造，本发明激光光路切换装置能够对激光光路按一定的频率进行快速切换，切换速度达到每秒切换五次以上，这样的切换速度也保证了该装置能够按一定的编码对激光光路进行切换；同时，本发明装置的光路切换精度和可靠性也很高。

附图说明

图1是本发明激光光路切换装置一个具体实施例的结构示意图；

图2是DSP控制电磁切换装置原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明激光光路切换装置一个具体实施例的结构示意图；如图所示，本发明激光光路切换装置由DSP、电磁切换装置和光学耦合输出装置构成，其中电磁切换装置由若干个电磁切换单元组成，光学耦合输出装置由若干个激光耦合输出单元组成，电磁切换单元和激光耦合输出单元之间一一对应。

任一个电磁切换单元均包括电磁铁2、衔铁运动轨道6和全反镜3；衔铁运动轨道6用于使所述电磁铁2的衔铁1能够在该轨道上作直线运动，该轨道应不阻挡按照既定方向入射的入射激光光路，并且，该轨道应保证衔铁1的运动轨迹尽量为一条直线，运动轨迹对该轨道轴线的偏离应不超过0.5度，以保证激光的输出耦合效率达到80％以上；全反镜3固定于所述衔铁1上，用于当所述电磁铁2上电吸合时，在衔铁1的带动下沿衔铁运动轨道6移动到其工作位置，从而能够在该工作位置对入射激光进行反射，在对较高功率激光进行光路切换时，全反镜3可以采用镀膜全反镜，全反镜3对1.06μm激光的反射率可达99％，按一定角度安装，可以使入射光偏转90度，而激光能量几乎没有衰减；并且，全反镜3对按照既定方向入射的激光进行反射后，该激光刚好能够入射到与该电磁切换单元对应的激光耦合输出单元。

任一个激光耦合输出单元均包括聚焦透镜和耦合输出光纤5，聚焦透镜设置在一个镜筒4内，耦合输出光纤5的激光入射端位于该聚焦透镜的焦点处，耦合输出光纤5采用能够对较高功率激光进行传输的光纤；聚焦透镜用于对进入该激光耦合输出单元的激光进行会聚，耦合输出光纤用于将聚焦透镜会聚后的激光耦合输出，耦合输出光纤的布设方向即为该激光光路切换装置的一个切换输出方向；聚焦透镜能够提高光纤耦合效率，同时能够降低对激光入射到镜筒的位置的精度要求。

当需要将入射激光切换到所述光学耦合输出装置所提供的切换输出方向中的某一个方向时，DSP首先确定应该由哪一个电磁切换单元来进行切换，然后控制该电磁切换单元中的电磁铁2上电吸合，使该电磁切换单元中的全反镜3能够将入射激光反射到与该电磁切换单元相对应的激光耦合输出单元的聚焦透镜上，从而实现了对入射激光的光路切换。

在本实施例中，入射激光以45度夹角照射在全反镜3上，使激光作90度转向，入射该全反镜3对应的镜筒4，再通过光纤耦合输出；从而通过调节固定有全反镜3的衔铁1位置即可选择激光入射的镜筒4，完成光路切换。

在所述电磁切换装置中，位于入射光路最末的一个电磁切换单元也可以仅包括一个固定在工作位置的全反镜，则当位于该电磁切换单元之前的入射激光光路中的其它电磁切换单元中的电磁铁均上电吸合时，该电磁切换单元的全反镜能够将入射激光反射到该电磁切换单元所对应的激光耦合输出单元的聚焦透镜上，即将入射激光反射到该全反镜对应的镜筒内。

图2是DSP控制电磁切换装置原理示意图，如图所示，DSP以串口接收光路通道号，即将入射激光切换到哪路光通道来输出的外部控制信号，然后判断应该由哪一个电磁切换单元来对入射激光进行切换操作，之后向该电磁切换单元的电磁铁提供驱动脉冲电流，并控制脉冲电流持续时间。则该电磁铁的衔铁将该电磁切换单元的全反镜带到其工作位置，使该全反镜能够将入射激光反射到该电磁切换单元对应的激光耦合输出单元的镜筒内，并垂直入射到聚焦透镜上。当入射激光被切换到该通道号后，DSP即发出到位信号给操作人员，表示光路切换到位。

下面对电磁切换装置作进一步说明：

电磁切换装置是以电磁铁的吸引力来牵引固定在该电磁铁的衔铁上的全反镜沿衔铁运动轨道运动的一套装置。

电磁铁是利用载流铁心线圈产生的电磁吸力来操纵机械装置，以完成预期动作的一种元件。电磁铁主要由线圈、铁心及衔铁三部分组成，铁心和衔铁一般用软磁材料制成。铁心一般是静止的，线圈总是装在铁心上，衔铁上通常还装有弹簧。

当线圈通电后，铁心和衔铁被磁化，成为极性相反的两块磁铁，它们之间产生电磁吸力。当吸力大于弹簧的反作用力时，衔铁开始向着铁心方向运动。当线圈中的电流小于某一定值或中断供电时，电磁吸力小于弹簧的反作用力，衔铁将在反作用力的作用下返回原来的释放位置。

本实施例使用的是直流牵引电磁铁，24V直流电压。其圆筒形外壳上没有散热筋，不会因铁芯卡住而烧坏，且体积小，工作可靠，允许最大切换频率为5Hz，持续吸合时间为40s，换向冲击小，使用寿命较长。

以上对本发明技术方案作了详细说明，对于本发明记载的一些替代技术方案，其具体实施方式能够容易地由上述实施方式类推得到，此处不再赘述。

假设入射激光的平均输出功率为5W，作用对象为激光导引头，则以光学分光器为例，与本发明激光光路切换装置进行比较，能够看出本发明装置具有较大优势，如表一所示。

表一、本发明装置与光学分光器性能比较表

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应注意的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求记载的技术方案及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。例如，将本发明装置中的全反镜在概念上归属于光学耦合输出装置而不是电磁切换装置，这些都属于等同变换。

Claims (7)

1.一种激光光路切换装置，其特征在于：

该装置包括数字信号处理器、电磁切换装置和光学耦合输出装置；

其中数字信号处理器用于根据所期望的输出光路，对电磁切换装置进行控制；

电磁切换装置用于在数字信号处理器的所述控制下对入射激光进行相应处理，使其能够按照与所述期望的输出光路相对应的输入方式进入光学耦合输出装置；

光学耦合输出装置用于对进入其中的激光进行处理，使其能够按照所述期望的输出光路输出；

该光学耦合输出装置应能够对千瓦级以上功率的激光进行耦合输出；

所述电磁切换装置包括若干个电磁切换单元，所述光学耦合输出装置包括若干个激光耦合输出单元，所述电磁切换单元与激光耦合输出单元之间一一对应；

所述电磁切换单元的结构为以下两种之一：

第一种为：其中任一个电磁切换单元均包括电磁铁、衔铁运动轨道和全反镜；衔铁运动轨道用于使所述电磁铁的衔铁能够在该轨道上作直线运动，该轨道应不阻挡按照既定方向入射的入射激光光路；全反镜固定于所述衔铁上，用于当所述电磁铁上电吸合时，在衔铁的带动下沿衔铁运动轨道移动到其工作位置，从而能够在该工作位置对入射激光进行反射；并且，全反镜对按照既定方向入射的激光进行反射后，该激光刚好能够入射到与该电磁切换单元对应的激光耦合输出单元；

第二种为：在所述若干个电磁切换单元中，有一个电磁切换单元主要由一个固定在工作位置的全反镜构成；当位于该电磁切换单元之前的入射激光光路中的其它电磁切换单元中的电磁铁均未上电时，该电磁切换单元的全反镜能够将入射激光反射到该电磁切换单元所对应的激光耦合输出单元；而其余的电磁切换单元均包括电磁铁、衔铁运动轨道和全反镜；衔铁运动轨道用于使所述电磁铁的衔铁能够在该轨道上作直线运动，该轨道应不阻挡按照既定方向入射的入射激光光路；全反镜固定于所述衔铁上，用于当所述电磁铁上电吸合时，在衔铁的带动下沿衔铁运动轨道移动到其工作位置，从而能够在该工作位置对入射激光进行反射；并且，全反镜对按照既定方向入射的激光进行反射后，该激光刚好能够入射到与该电磁切换单元对应的激光耦合输出单元；

其中任一个激光耦合输出单元均包括聚焦透镜和耦合输出光纤；聚焦透镜用于对进入该激光耦合输出单元的激光进行会聚，耦合输出光纤用于将聚焦透镜会聚后的激光耦合输出，耦合输出光纤的布设方向即为该激光光路切换装置的一个切换输出方向；

当需要将入射激光切换到所述光学耦合输出装置所提供的切换输出方向中的某一个方向时，所述数字信号处理器用于：首先确定应该由哪一个电磁切换单元来进行切换，然后控制该电磁切换单元中的电磁铁上电吸合；若是应该由所述主要由一个固定在工作位置的全反镜构成的电磁切换单元来进行切换，则不控制任一个电磁切换单元的电磁铁上电吸合。

2.根据权利要求1所述的激光光路切换装置，其特征在于：

在所述激光耦合输出单元中，所述耦合输出光纤的激光入射端位于所述聚集透镜的焦点处。

3.根据权利要求1所述的激光光路切换装置，其特征在于：

在所述激光耦合输出单元中，所述聚焦透镜是设置在一个镜筒内的。

4.根据权利要求1所述的激光光路切换装置，其特征在于：

在所述激光耦合输出单元中，所述耦合输出光纤为能够对千瓦级以上功率的激光进行传输的光纤，从而确保所述光学耦合输出装置能够对千瓦级以上功率的激光进行耦合输出。

5.一种激光光路切换装置，其特征在于：

该装置包括数字信号处理器、电磁切换装置和光学耦合输出装置；

其中数字信号处理器用于根据所期望的输出光路，对电磁切换装置进行控制；

电磁切换装置用于在数字信号处理器的所述控制下对入射激光进行相应处理，使其能够按照与所述期望的输出光路相对应的输入方式进入光学耦合输出装置；

光学耦合输出装置用于对进入其中的激光进行处理，使其能够按照所述期望的输出光路输出；

该光学耦合输出装置应能够对千瓦级以上功率的激光进行耦合输出；

所述电磁切换装置包括若干个电磁切换单元，所述光学耦合输出装置包括若干个激光耦合输出单元，所述电磁切换单元与激光耦合输出单元之间一一对应；

所述电磁切换单元的结构为以下两种之一：

第一种为：其中任一个电磁切换单元均包括电磁铁、衔铁运动轨道和全反镜，当该电磁切换单元未参与对入射激光进行切换时，电磁铁处于上电吸合状态；衔铁运动轨道用于使所述电磁铁的衔铁能够在该轨道上作直线运动；全反镜固定于所述衔铁上，用于当所述电磁铁去电时，在衔铁的带动下沿衔铁运动轨道移动到其工作位置，从而能够在该工作位置对入射激光进行反射；并且，全反镜对按照既定方向入射的激光进行反射后，该激光刚好能够入射到与该电磁切换单元对应的激光耦合输出单元；

第二种为：在所述若干个电磁切换单元中，有一个电磁切换单元主要由一个固定在工作位置的全反镜构成；当位于该电磁切换单元之前的入射激光光路中的其它电磁切换单元中的电磁铁均上电吸合时，该电磁切换单元的全反镜能够将入射激光反射到该电磁切换单元所对应的激光耦合输出单元；而其余的电磁切换单元均包括电磁铁、衔铁运动轨道和全反镜，当该电磁切换单元未参与对入射激光进行切换时，电磁铁处于上电吸合状态；衔铁运动轨道用于使所述电磁铁的衔铁能够在该轨道上作直线运动；全反镜固定于所述衔铁上，用于当所述电磁铁去电时，在衔铁的带动下沿衔铁运动轨道移动到其工作位置，从而能够在该工作位置对入射激光进行反射；并且，全反镜对按照既定方向入射的激光进行反射后，该激光刚好能够入射到与该电磁切换单元对应的激光耦合输出单元；

其中任一个激光耦合输出单元均包括聚焦透镜和耦合输出光纤；聚焦透镜用于对进入该激光耦合输出单元的激光进行会聚，耦合输出光纤用于将聚焦透镜会聚后的激光耦合输出，耦合输出光纤的布设方向即为该激光光路切换装置的一个切换输出方向；

当需要将入射激光切换到所述光学耦合输出装置所提供的切换输出方向中的某一个方向时，所述数字信号处理器具体用于：首先确定应该由哪一个电磁切换单元来进行切换，然后控制该电磁切换单元中的电磁铁去电；若是应该由所述主要由一个固定在工作位置的全反镜构成的电磁切换单元来进行切换，则不控制任一个电磁切换单元的电磁铁去电。

6.根据权利要求5所述的激光光路切换装置，其特征在于：

在所述激光耦合输出单元中，所述耦合输出光纤的激光入射端位于所述聚集透镜的焦点处。

7.根据权利要求5所述的激光光路切换装置，其特征在于：

在所述激光耦合输出单元中，所述耦合输出光纤为能够对高功率激光进行传输的光纤。