CN108389485A - 一种多光路非相干非耦合光斑合成实验装置 - Google Patents

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吴坚
郭磊钊
叶杏
曾婷婷
杜永均
陈涛
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Abstract

一种多光路非相干非耦合光斑合成实验装置，属于大能量高功率的激光应用领域。其特征在于：包含光发生装置，光路调节系统，单片机控制系统，采集系统与上位机，其中光发生装置包括n个最小光源；光路调节系统包括n个光路调节最小系统组成，采集系统包括摄像头及其外围电路，其中，光路调节系统是由光路调节最小系统组成的正n边形棱台，光路调节最小系统主要由光学反光镜和步进电机组成。该方式制作方法简单，制作成本低。对单个光源的要求低，单个光源所需的功率低，在没有高功率光源的情况下同样使用。装置产生的热量少，运行温度低。装置可以叠加多个，随着装置数量的增加可以获得能量成倍增长的光斑。

Description

一种多光路非相干非耦合光斑合成实验装置
技术领域
本发明属于大能量高功率的激光应用领域。
背景技术
大能量，高功率的激光可以广泛的用于科研，军事和工业等领域，而且在很多的光电系统中，均对具有高发射功率的光源有需求，然而，对于单个的激光器或光源，由于其内部结构以及其内在的物理因数的限制，其输出功率不可能无限增大，并且，当光源的能量达到一定程度时，增大单个光源的成本变得非常之高，多光束合成技术很好的解决了这一问题。
多光束合成技术分为非相干组束技术和相干组束技术，相干组束技术较之非相干组束技术复杂一些，相干组束技术又分为两类：一类是锁相相干组束技术，另一类是多波长相干组束技术。锁相相干组束技术和锁模原理相似，通过一定控制，使得各个激光的相位“锁定”，产生“相干叠加”。多波长相干组束技术是通过将不同波长的激光进行组束，从而提高总输出激光的亮度，该技术避免了锁相相干技术中需要相位“锁定”带来的技术难度，但相应地，输出激光的光谱宽度也被展宽。
非相干组束技术相比于相干组束技术简单很多，其方法是使得多个激光器的输出激光沿着相同的方向传播，使得激光的功率可以得到成倍的增加，功率水平和激光器的数目成正比。但是一般情况下，利用该技术输出激光的亮度没有得到明显的提升。
半导体激光器非相干激光组束技术，是通过将多个半导体激光器在空间上按照一定的次序进行排列，使得其输出激光沿着相同的方向传播，从而得到高功率的激光输出。由此得来的高功率激光输出可以直接应用于对光束质量要求不高的场合，如作为泵浦源以及热源，应用价值十分巨大。
光纤激光器非相干组束技术，相比于半导体激光器非相干组束技术，有着更好的光束质量。目前，光纤激光器非相干激光组束技术在激光武器领域被广泛应用。美国海军在2010年研制出了33kW激光武器系统，可以击中距离1海里的目标。
非相干组束中，比较常见的组束方法是多光束耦合法，包括主动反馈式激光组束法，腔耦合激光组束法，自组织激光组束法和界面耦合激光组束法等。但这些组束方法难以控制，原因在于需要将多束光合成一束光，如果是为了增大光斑能量的话反而将问题变得复杂了。
发明内容
本发明的目的是：提供一种多光路非相干非耦合光斑合成装置，通过非相干非耦合的方法，不需要严格将多束光合为一束光，同样也可以得到能量分布集中的光斑。减少了设备制作的复杂度。本装置可以实现n路非相干非耦合光路的叠加，下面介绍以六路为例。
本发明包含光发生装置，光路调节系统，单片机控制系统，采集系统与上位机。其中光发生装置主要由最小光源组成；光路调节系统由光路调节最小系统组成，光路调节最小系统由步进电机和光学反光镜组成；采集系统包括摄像头及其外围电路，以六路非相干非耦合光斑合成为例，具体结构如下图：
一种多光路非相干非耦合光斑合成实验装置，其特征在于：
包含光发生装置，光路调节系统，单片机控制系统，采集系统与上位机，其中光发生装置包括n个最小光源；光路调节系统包括n个光路调节最小系统组成，采集系统包括摄像头及其外围电路，其中，光路调节系统是由光路调节最小系统组成的正n边形棱台，光路调节最小系统主要由光学反光镜和步进电机组成，一个光路调节最小系统包括一个光学反光镜和三个步进电机组成，三个步进电机成等边三角形固定在光路调节最小系统底座上。
进一步，正n边形为正六边形。
进一步，光路调节系统与采集系统之间设置有滤波片。
本专利提出了一种非耦合多光束合成装置，利用了单片机控制算法和图像处理技术，与原有的集束相比更简单经济的将多光束合成一个光斑，加大了光斑能量，其主要优点如下：
1、相比于其他耦合集束方式，该方式制作方法简单，制作成本低。
2、该装置对单个光源的要求低，单个光源所需的功率低，在没有高功率光源的情况下同样使用。
3、和其他耦合式方法相比，装置产生的热量少，运行温度低。
4、装置可以叠加多个，随着装置数量的增加可以获得能量成倍增长的光斑。
5、在研究领域，为各种光源(可以是不同波长的光源)非耦合集束后的光斑大小和能量分布的设计提供了基础。
附图说明
图1光路调节系统与采集系统示意图
图2光路调节系统及光发生装置示意图
图3整体装置剖面图
如上图所示，1为光路调节系统，2为采集系统，3为装置支架，4为光发生装置中的最小光源，5为滤波片，6为最小光源的凸透镜，7为光路调节最小系统。
图4光路调节最小系统示意图
图中，8为步进电机，9为光学反光镜，10为光路调节最小系统底座，11为步进电机丝杠。
图5：装置参数位置示意图
具体实施方式
在本装置中，为了提高装置的反应速度和程序的控制精度，光路调节系统的整体结构是关键。本设计中光路调节系统中的由光路调节最小系统底座围成的前后两正n边形的距离为m，单个光路调节最下系统底座与水平线的夹角为45度，小(前)正n变形的内切圆直径为d，可得小(前)正n边形边长为大(后)正n边形的变长为在本装置中，综合考虑装置的整体大小和实验的可实施性，选取m＝100mm，d＝50mm，n＝6。
可得小(前)正n边形边长为大(后)正n边形的变长为如下图所示：
在光路调节最小系统底座上，三个步进电机成等边三角形固定在底座中央，两两步进电机之间的间距为n(n的值为大于步进电机底面对角线长度的任意值)，步进电机尺寸参数等可自行设计。在本设计中，以以下参数为例：两两步进电机之间的间距n＝100mm，步进电机采用定制贯穿式步进电机，步进电机外形尺寸为20mm*20mm*30mm，三个步进电机丝杠长度分别为130mm，130mm，45mm，丝杠螺纹间距为0.5mm，步进电机单脉冲步进角度为1.8度。长度为45mm的丝杠装在光路调节最小系统底座短边侧的步进电机上(长度为45mm可以避免短边侧多个最小系统共同工作时产生空间位置上的干扰)，长度为130mm的两个丝杠分别装在光路调节最小系统长边侧的两个步进电机上(长度为130mm可以避免长边侧多个最小系统共同工作时产生空间位置上的干扰)。在该参数下，以光路调节最小系统底座为参考面，光学反光镜可向最小系统底座短边倾斜46度，可向长边倾斜18度。整个装置的控制精度可达0.01度。
电路方面，本装置采用STM32单片机，采用CCD摄像头，整体装置的运行步骤如下：
1、调整摄像头的位置并将其固定，上述参数下摄像头与光路调节系统之间可合成光斑的最小距离为50mm。
2、使光发生装置中的一个最小光源发出一束光，经光路调节系统中与最小光源对应的光路调节最小系统反射到摄像头上。
3、摄像头将采集的信息交给上位机处理。
4、上位机处理后将光斑中心位置与预设位置进行比较后将误差反馈给单片机控制系统。
5、单片机控制系统对该光路调节最小系统的步进电机进行调控直至光斑位于摄像头预设位置为止。
6、关闭该束光并使光发生装置的另一个最小光源发出光束。
7、重复上述步骤，直至所有最小光源发出的光的光斑落在摄像头预设位置。
8、同时打开所有最小光源即可获得多光路非相干非耦合光斑。

Claims (6)

1.一种多光路非相干非耦合光斑合成实验装置，其特征在于：
包含光发生装置，光路调节系统，单片机控制系统，采集系统与上位机，其中光发生装置包括n个最小光源；光路调节系统包括n个光路调节最小系统组成，采集系统包括摄像头及其外围电路，其中，光路调节系统是由光路调节最小系统组成的正n边形棱台，一个光路调节最小系统包括一个光学反光镜和三个步进电机组成，三个步进电机成等边三角形固定在光路调节最小系统底座上。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：正n边形为正六边形。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：光路调节系统与采集系统之间设置有滤波片。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
光路调节系统中的由光路调节最小系统底座围成的正n边形棱台，棱台两个底面的大小两正n边形的距离为m，单个光路调节最下系统底座与水平线的夹角为45度，小正n变形的内切圆直径为d，得小正n边形边长为大正n边形的变长为
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：
选取m＝100mm，d＝50mm，n＝6。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：
在光路调节最小系统底座上，两两步进电机之间的间距为100mm，步进电机采用定制贯穿式步进电机，步进电机外形尺寸为20mm*20mm*30mm，三个步进电机丝杠长度分别为130mm，130mm，45mm，丝杠螺纹间距为0.5mm，步进电机单脉冲步进角度为1.8度。
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