CN108627983A - 激光合束系统及其合束方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种激光合束系统及其合束方法，所述多个激光器的激光波长、相位、偏振态以及数量等不限制。所述激光合束系统通过改变所述多面体反射器的所述反射面的数量，可以实现光路数量不限的多光路的激光合束。所述光束折反射装置可以将所述多束激光光束的光路进行折转，使所述激光合束系统的整体结构更加紧凑。同时，所述望远装置可在远方的目标点实现光聚焦点的会聚，满足所述多束激光光束的合束。在不改变每路激光光束输出，不限制激光波长、相位、偏振态以及数量的前提下，通过空间合束的方法，将多路激光光束进行合束，成倍的提高了输出激光的光功率。所述激光合束系统对所述多个激光器的性能要求低，可以很好的解决大功率激光所产生的热效应的问题。
Description
技术领域
本申请涉及激光技术领域，特别是涉及一种激光合束系统及其合束方法。
背景技术
随着需求的提高，在一些特定领域，现有激光器输出的光束质量不能完全满足应用的需求。为了获得大功率的激光输出，激光合束技术具有非常重要的研究意义。常见的激光波长合束装置是将两束不同波长的光束合束，随着不同波长合束数量的增加，多波长合束装置结构更为复杂。由于光束带宽资源的有限，在一定程度上限制了多波长光束合束的光束数量，不能很好的解决大功率激光所产生的热效应问题。
发明内容
基于此，有必要针对传统的激光合束系统结构复杂、不能很好的解决大功率激光所产生的热效应问题，提供一种结构简单、能量损耗低的激光合束系统及其合束方法。
本申请提供一种激光合束系统包括多个激光器、多面体反射器、光束折反射装置以及望远装置。所述多个激光器用以输出多束激光。所述多面体反射器包括多个反射面。所述多个反射面具有公共顶点，每个所述激光器对应一个所述反射面设置，所述多束激光通过所述多个反射面反射。所述光束折反射装置经过所述多个反射面反射的多束激光通过所述光束折反射装置反射。所述望远装置经过所述光束折反射装置反射的多束激光光束进入所述望远装置汇聚后射入目标物。
在其中一个实施例中，所述的激光合束系统还包括检测器。所述检测器用以对合束光的会聚点光斑的会聚质量进行检测。所述多面体反射器还包括一个收集面。所述收集面与所述检测器对应设置。
在其中一个实施例中，所述的激光合束系统还包括多个第一光束准直聚焦器以及一个第二光束准直聚焦器。每个所述第一光束准直聚焦器设置于一个个所述激光器与一个所述反射面之间，每个所述第一光束准直聚焦器对应一个所述激光器设置，每个所述第一光束准直聚焦器设置于每个所述激光器输出的激光传播方向，用以对所述多束激光准直汇聚。所述第二光束准直聚焦器设置于所述收集面与所述检测器之间，用以将所述目标物反射回的激光进行准直汇聚。
在其中一个实施例中，所述多面体反射器包括主体以及多个高反射膜。所述主体为多面体。所述多个高反射膜设置于所述主体的表面，用以形成所述多个反射面与所述收集面。
在其中一个实施例中，所述第一光束准直聚焦器与所述第二光束准直聚焦器均为准直器，用以对激光准直汇聚。
在其中一个实施例中，所述多面体反射器为正多面体棱镜。
在其中一个实施例中，所述多个激光器与所述检测器关于所述多面体反射器对称设置。
在其中一个实施例中，所述光束折反射装置为复曲面反射镜。
在其中一个实施例中，一种激光合束系统的激光合束方法，应用于上述任一所述的激光合束系统，包括以下步骤：
S1，所述多个激光器输出多束激光，每束激光射入所述第一光束准直聚焦器，形成多束准直激光；
S2，每束准直激光照射至所述反射面，经所述反射面反射，形成多束反射激光；
S3，多束反射激光照射至所述光束折反射装置，并调整所述光束折反射装置的位置，使所述光束折反射装置放置于多束反射激光会聚的虚聚点上，形成多束折反射激光；
S4，多束折反射激光射入所述望远装置，汇聚后射入所述目标物。
在其中一个实施例中，所述激光合束系统的激光合束方法还包括：
S5，所述目标物反射回的激光光束经所述望远装置照射至所述光束折反射装置，将所述目标物反射回的激光光束进行折转；
S6，折转后的所述目标物反射回的激光光束照射至所述收集面，经所述收集面反射，射入所述第二光束准直聚焦器；以及
S7，经所述第二光束准直聚焦器准直汇聚后的激光照射入所述检测器进行光功率检测，实现对合束光的会聚点光斑的会聚质量进行检测。
本申请提供的一种激光合束系统，所述多个激光器的激光波长、相位、偏振态以及数量等不限制。所述激光合束系统通过改变所述多面体反射器的所述反射面的数量，可以实现光路数量不限的多光路的激光合束。所述光束折反射装置可以将所述多束激光光束的光路进行折转，使所述激光合束系统的整体结构更加紧凑。同时，所述望远装置可在远方的目标点实现光聚焦点的会聚，满足所述多束激光光束的合束。在不改变每路激光光束输出，不限制激光波长、相位、偏振态以及数量的前提下，通过空间合束的方法，将多路激光光束进行合束，成倍的提高了输出激光的光功率。所述激光合束系统对所述多个激光器的性能要求低，可以很好的解决大功率激光所产生的热效应的问题。
附图说明
图1为本申请提供的激光合束系统结构示意图；
图2为本申请提供的激光合束系统的目标物反射回的光路示意图；
图3为本申请提供的激光合束系统的多面体反射器的结构示意图；
图4为本申请提供的激光合束系统的结构主视示意图；
图5为本申请提供的激光合束系统的俯视结构示意图；
图6为本申请提供的激光合束系统的复曲面反射镜的光路折反射系统原理图。
附图标记说明
激光合束系统100、激光器10、多面体反射器30、反射面310、光束折反射装置40、望远装置50、第一光束准直聚焦器210、第二光束准直聚焦器220、目标物60、收集面320、主体330、高反射膜331、检测器70。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
请参见图1-4，本申请提供一种激光合束系统100包括多个激光器10、多面体反射器30、光束折反射装置40以及望远装置50。所述多个激光器10用以输出多束激光。所述多面体反射器30包括多个反射面310。每个所述激光器10对应一个所述反射面310设置，所述多束激光通过所述多个反射面310反射，所述多个反射面310具有公共顶点。经过所述多个反射面310反射的多束激光通过所述光束折反射装置40反射。经过所述光束折反射装置40反射的多束激光光束进入所述望远装置50。所述多个激光器10的激光波长、相位、偏振态以及数量等不限制。所述多个激光器10可以为不同参数的激光器。所述激光合束系统100通过改变所述多面体反射器30的所述反射面310的数量，可以实现光路数量不限的多光路的激光合束。
所述光束折反射装置40可以将所述多束激光光束的光路进行折转，使所述激光合束系统100的整体结构更加紧凑。同时，所述望远装置50可在远方的目标点实现光聚焦点的会聚，满足所述多束激光光束的合束。所述激光合束系统100为一种结构简单、成本低以及能量损耗低的多光路激光合束装置。在不改变每路激光光束输出，不限制激光波长、相位、偏振态以及数量的前提下，通过空间合束的方法，将多路激光光束进行合束，成倍的提高了输出激光的光功率。所述激光合束系统100对所述多个激光器10的性能要求低，可以很好的解决大功率激光所产生的热效应的问题。同时，所述激光合束系统100系统结构简单，容易装调、光学元件易加工，成本较低。
在一个实施例中，所述激光合束系统100还包括检测器70，用以对合束光的会聚点光斑的会聚质量进行检测。所述多面体反射器30还包括一个收集面320，所述收集面320与所述检测器70对应设置。通过所述检测器70可以进行光功率检测，实现对合束光的会聚点光斑的会聚质量进行检测。
在一个实施例中，所述的激光合束系统100还包括多个第一光束准直聚焦器210以及一个第二光束准直聚焦器220。每个所述第一光束准直聚焦器210设置于一个所述激光器10与一个所述反射面310之间，每个所述第一光束准直聚焦器210对应一个所述激光器10设置，每个所述第一光束准直聚焦器210设置于每个所述激光器10输出的激光传播方向，用以对所述多束激光准直汇聚。一个第二光束准直聚焦器220设置于所述收集面320与所述检测器70之间，用以将所述目标物60反射回的激光进行准直汇聚。
所述第一光束准直聚焦器210设置于每个所述激光器10输出的激光传播方向，用以对多束激光准直汇聚。每个所述反射面310设置于经每个所述第一光束准直聚焦器210输出的光束传播方向。每一束激光可以通过每个所述第一光束准直聚焦器210照射在所述多面体反射器30的所述反射面310上。并利用所述多面体反射器30的所述反射面310反射光路实现多束光路的合束。所述第一光束准直聚焦器210与所述第二光束准直聚焦器220相同。所述多个光束准直聚焦器20为准直器，用以对多束激光准直汇聚。通过所述准直器可以使得所述多个激光器10输出的多束激光聚焦出会聚光，并对激光光束进行准直汇聚。
在一个实施例中，所述激光器10的个数与所述第一光束准直聚焦器210的个数相同为N，所述多面体反射器30的所述反射面310的个数也为N。所述第二光束准直聚焦器220、所述收集面320以及所述检测器70的个数均为1。所以，所述多面体反射器30具N个所述反射面310和一个所述收集面320。在所述激光合束系统100中调整N束光路的位置，使从所述第一光束准直聚焦器210输出的激光光束可以通过具有N+1个侧面体棱镜的倾斜侧面进行反射，在所述多面体反射器30的上方或下方进行重合。利用所述多面体反射器30剩余的一个所述收集面320收集从所述目标物60反射回的光，从而通过反射回的光可以对合束光的会聚点光斑质量进行检测。
在一个实施例中，通过反射回的光可以对合束光的会聚点光斑质量进行检测时，采用所述检测器70进行检测。所述检测器70可以为光功率计。所述光功率计用于测量绝对光功率或通过一段光纤的光功率相对损耗的仪器。所述检测器70接收到的激光光功率越大，说明合束光的会聚点光斑质量越好。
请参见图3，在一个实施例中，所述多面体反射器30包括主体330以及多个高反射膜331。所述主体330为多面体。所述多个高反射膜331设置于所述主体330的表面，用以形成所述多个反射面310与所述收集面320。所述多面体反射器30的所述主体330可以为铝、铜、钢以及铁等散热性能较好的材料制作而成的多面体。通过所述多面体反射器30可以用来解决大功率激光所产生的热效应问题。
在一个实施例中，所述多面体反射器30为正多面体棱镜。通过所述多面体反射器30可以使得所述激光合束系统100装置对称，系统结构简单，易装调，光学元件易加工，成本低。
在一个实施例中，所述多面体反射器30为四面体棱镜。四面体光学棱镜又可以形象地称为金字塔形光学棱镜，由4个空间方位不同的平面构成。4个平面中1个平面为光线的入射或出射面，其他3个空间方位不同的平面为光线全反射面。立方体角锥棱镜是典型的四面体光学棱镜。立方体角锥棱镜的3个空间反射平面互相垂直。光线无论从何种方向由锥底射入角锥棱镜，经棱镜反射的出射光线一定沿入射光线方向返回。非立方体四面体棱镜是这种金字塔形光学棱镜的普遍形式，其3个光线反射面的空间相互关系形式多样，从而构成几何结构和光学特性各异的光学四面体棱镜。以任意方向射入角锥棱镜的光线经3次全内反射后将沿原方向返回。角锥棱镜的这一特性还可表示为角锥棱镜的空间角方向不失调特性，即角锥棱镜在空间的任意转动均不会改变反射光线的出射方向。
在一个实施例中，所述多面体反射器30的所述三个反射面310与所述收集面320为4个全等的等腰三角形且有公共顶点，顶点在底面的投影是底面的中心。
在一个实施例中，所述多个激光器10与所述检测器70关于所述多面体反射器30对称设置。本实施例中，3个所述激光器10与1个所述检测器70关于四面体棱镜对称设置。3个所述激光器10与1个所述检测器70彼此之间相互对称，形成一个相互对称的系统。
请参见图6，在一个实施例中，所述光束折反射装置40为复曲面反射镜。
在一个实施例中，所述望远装置50可以包括两个凸透镜。激光在凸透镜的两面经过两次折射后，集中在轴上的一点。凸透镜都是利用光的折射的原理成像，一同心光束入射到所述望远装置50后，出射光束必定也是同心光束，入射同心光束的交点称为物点，出射同心光束的交点称为像点。若入射光束为会聚的同心光束，则物点为虚物点。通过所述望远装置50可使多束激光光束的会聚焦点变长，也可使之变短。
所述激光合束系统100采用空间合束方法，将多个所述激光器10、多个所述第一光束准直聚焦器210、所述第二光束准直聚焦器220、所述多面体反射器30、所述光束折反射装置40、所述望远装置50以及所述检测器70固定在同一平台上，以N+1光路的方式，实现N束激光的合束，一束光路对合束光斑进行检测，完成多光路激光的合束。
在一个实施例中，以三束激光光束合束为例，三个所述激光器10发出的三束激光光路，每一束激光可以同时通过所述第一光束准直聚焦器210照射在镀有高反膜的四面体棱镜的所述反射面310上。并利用四面体棱镜倾斜的所述反射面310反射光路实现三束光路的合束。将所述光束折反射装置40放置在激光会聚的虚聚点上，可将光路进行折转，使所述激光合束系统100的结构更加紧凑。再利用所述望远装置50可在远方的目标点实现光聚焦点的会聚，满足多路激光的合束。最后，利用四面体棱镜剩余的一个表面所述收集面320收集从所述目标物60反射回的光，并进行反射，将反射后的激光射入所述检测器70，从而通过反射回的光实现对合束光的会聚点光斑质量进行检测。
在一个实施例中，一种激光合束系统的合束方法，包括以下步骤：
S1，所述多个激光器10输出多束激光，每束激光射入所述第一光束准直聚焦器210，形成多束准直激光；
S2，每束准直激光照射至所述反射面310，经所述反射面310反射，形成多束反射激光；
S3，多束反射激光照射至所述光束折反射装置40，并调整所述光束折反射装置40的位置，使所述光束折反射装置40放置于多束反射激光会聚的虚聚点上，形成多束折反射激光；
S4，多束折反射激光射入所述望远装置50，汇聚后射入所述目标物60。
在一个实施例中，所述激光合束系统的合束方法还包括：
S5，所述目标物60反射回的激光光束经所述望远装置50照射至所述光束折反射装置40，将所述目标物60反射回的激光光束进行折转；
S6，折转后的所述目标物60反射回的激光光束照射至所述收集面320，经所述收集面320反射，射入所述第二光束准直聚焦器220；以及
S7，经所述第二光束准直聚焦器220准直汇聚后的激光照射入所述检测器70进行光功率检测，实现对合束光的会聚点光斑的会聚质量进行检测。
在所述步骤S2中，将所述激光器10连接所述第一光束准直聚焦器210，使激光可以通过所述第一光束准直聚焦器210在系统焦距位置处会聚。调整N束光路的位置，使从所述第一光束准直聚焦器210输出的激光光束可以通过镀有高反射膜的N+1面体棱镜的倾斜所述反射面310进行反射。调整N束光路的位置，在N+1面体棱镜的上方或下方重合。
在所述步骤S3中，所述光束折反射装置40使得所述激光合束系统100的结构更为紧凑，使光路不产生实际的会聚点，并将多束激光光路折转，利用所述望远装置50使所述激光合束系统100可以在远方的所述目标物60处实现多束激光光束的合束。
在所述步骤S7中，利用N+1面体棱镜剩余的所述收集面320，经所述第二光束准直聚焦器220准直汇聚后的激光照射入所述检测器70进行光功率检测，实现对合束光的会聚点光斑的会聚质量进行检测。所述激光合束系统100的整个系统中心对称，实现了多束激光光束的会聚。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种激光合束系统(100)，其特征在于，包括：
多个激光器(10)，用以输出多束激光；
多面体反射器(30)，包括多个反射面(310)，所述多个反射面(310)具有公共顶点，每个所述激光器(10)对应一个所述反射面(310)设置，所述多束激光通过所述多个反射面(310)反射；
光束折反射装置(40)，经过所述多个反射面(310)反射的多束激光通过所述光束折反射装置(40)反射；以及
望远装置(50)，经过所述光束折反射装置(40)反射的多束激光光束进入所述望远装置(50)，汇聚后射入目标物(60)。
2.如权利要求1所述的激光合束系统(100)，其特征在于，还包括：
检测器(70)，用以对合束光的会聚点光斑的会聚质量进行检测；
所述多面体反射器(30)还包括一个收集面(320)，所述收集面(320)与所述检测器(70)对应设置。
3.如权利要求2所述的激光合束系统(100)，其特征在于，还包括：
多个第一光束准直聚焦器(210)，每个所述第一光束准直聚焦器(210)设置于一个个所述激光器(10)与一个所述反射面(310)之间，每个所述第一光束准直聚焦器(210)对应一个所述激光器(10)设置，每个所述第一光束准直聚焦器(210)设置于每个所述激光器(10)输出的激光传播方向，用以对所述多束激光准直汇聚；以及
一个第二光束准直聚焦器(220)，设置于所述收集面(320)与所述检测器(70)之间，用以将所述目标物(60)反射回的激光进行准直汇聚。
4.如权利要求3所述的激光合束系统(100)，其特征在于，所述多面体反射器(30)包括：
主体(330)，所述主体(330)为多面体；以及
多个高反射膜(331)，设置于所述主体(330)的表面，用以形成所述多个反射面(310)与所述收集面(320)。
5.如权利要求3所述的激光合束系统(100)，其特征在于，所述第一光束准直聚焦器(210)与所述第二光束准直聚焦器(220)均为准直器，用以对激光准直汇聚。
6.如权利要求1所述的激光合束系统(100)，其特征在于，所述多面体反射器(30)为正多面体棱镜。
7.如权利要求6所述的激光合束系统(100)，其特征在于，所述多个激光器(10)与所述检测器(70)关于所述多面体反射器(30)对称设置。
8.如权利要求1所述的激光合束系统(100)，其特征在于，所述光束折反射装置(40)为复曲面反射镜。
9.一种激光合束系统的激光合束方法，应用于如权利要求3-8任一项所述的激光合束系统(100)，其特征在于，包括以下步骤：
S1，所述多个激光器(10)输出多束激光，每束激光射入所述第一光束准直聚焦器(210)，形成多束准直激光；
S2，每束准直激光照射至所述反射面(310)，经所述反射面(310)反射，形成多束反射激光；
S3，多束反射激光照射至所述光束折反射装置(40)，并调整所述光束折反射装置(40)的位置，使所述光束折反射装置(40)放置于多束反射激光会聚的虚聚点上，形成多束折反射激光；
S4，多束折反射激光射入所述望远装置(50)，汇聚后射入所述目标物(60)。
10.如权利要求9所述的激光合束系统的合束方法，其特征在于，还包括：
S5，所述目标物(60)反射回的激光光束经所述望远装置(50)照射至所述光束折反射装置(40)，将所述目标物(60)反射回的激光光束进行折转；
S6，折转后的所述目标物(60)反射回的激光光束照射至所述收集面(320)，经所述收集面(320)反射，射入所述第二光束准直聚焦器(220)；以及
S7，经所述第二光束准直聚焦器(220)准直汇聚后的激光照射入所述检测器(70)进行光功率检测，实现对合束光的会聚点光斑的会聚质量进行检测。
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| CN115016132A (zh) * | 2022-08-09 | 2022-09-06 | 苏州镭陌科技有限公司 | 适用于高功率激光的模块化合束装置 |
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| CN102195231A (zh) * | 2011-03-28 | 2011-09-21 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 用于高功率半导体激光器的功率扩展器 |
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