CN108808436B - 一种基于平板合束器的多光束共孔径相干合成装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于平板合束器的多光束共孔径相干合成装置，本方案包括激光种子源、相位调制器、激光放大器、平板合束器、光电传感器、合成控制器。利用平板合束器将多束激光放大器输出的激光合成为一束，多个光电传感器探测每束激光的合成效率，并通过合成控制器控制相位调制器对激光的相位进行闭环控制，使合成的效率最高，实现高效率、高光束质量激光相干合成输出。本发明可实现激光的高效优质的功率合成，可合成路数无物理限制，一体化合成器件使用方便，适合高功率、紧凑化应用。

Description

一种基于平板合束器的多光束共孔径相干合成装置
技术领域
本发明涉及的是激光技术应用领域，尤其是一种基于平板合束器的多光束共孔径相干合成装置。
背景技术
使用共孔径相干合成技术能够把多束激光合成为一束，在提高输出总功率的同时保持较好的光束质量，从而提高激光的亮度。目前，公知的共孔径相干合成装置有两类：第一类基于衍射光学元件，多束激光由不同角度入射到衍射光学元件的不同级次，通过控制多束激光的相位将其相干合成为一束。该类装置的缺点是高效率衍射光学元件制备工艺复杂、成本高昂；光束分离角度较小，合成光路较长。该类系统普遍需要通过一个探测器的信号反馈控制多台激光器的相位，探测及控制系统带宽要求高，控制算法复杂。第二类基于普通分光镜，通过控制两束激光的相位，使两束激光相干合成为一束。该类装置的合束器件容易得到，但每次只能合成一束激光，每个器件和光束均需要单独装调，当合成激光数量较多时，合成系统复杂度较高，难以实现紧凑化和工程化。
发明内容
本发明的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种基于平板合束器的多光束共孔径相干合成装置的技术方案，该方案采用特殊设计的合束器及相位探测、控制方式，实现多束激光的高效率相干合成，有效提升激光的输出亮度。
本方案是通过如下技术措施来实现的：
一种基于平板合束器的多光束共孔径相干合成装置，包括有激光种子源(1)、相位调制器(2-1～2-5)、激光放大器(3-1～3-6)、平板合束器(4)、光电传感器(6-1～6-5)、合成控制器(7-1～7-5)；激光种子源呈阵列组束方式发射多数激光束，每束激光束对应的发射路径上都设置有一个激光放大器，其中包含有一组基准激光束对应的激光放大器(3-1)和多组非基准激光束对应的激光放大器(3-2～3-5)；基准激光束和所述非基准激光束经过对应的激光放大器放大后射入平板合束器；平板合束器上设置有多个不同分光比的介质膜(5-1～5-7)，每组激光束都对应一个介质膜并且通过介质膜透射射入平板合束器中；一个相位调制器、一个合成控制器以及一个光电传感器组成一组相位调节装置；每组相位调节装置对应控制一组非基准光束激光放大器；射入平板合束器的激光束经过多次折射后合束为一组激光束输出并由介质膜透射输出；光电传感器能够探测从平板合束器中经过介质膜透射出的激光束的相位并向相位调制器传输电信号，相位调制器通过接收的电信号向合成控制器发出控制电信号，合成控制器根据接收的控制电信号调整激光放大器的输出相位。
作为本方案的优选：激光种子源呈阵列组束方式发射的多数激光束均为偏振方向一致的线偏振光且强度相同，并且入射至平板合束器的入射角相同。
作为本方案的优选：介质膜数量为n+1个，则对应有n组入射激光束，各个介质膜的分光比依次为：介质膜(5-1)对激光放大器(3-1)输出激光增透，透过率为1；介质膜(5-2)合成激光放大器(3-1)和(3-2)输出激光，透过率为1/2；介质膜(5-3)将激光放大器(3-3)输出激光与前序激光合成，透过率为1/3；介质膜(5-4)将激光放大器(3-4)输出激光与前序激光合成，透过率为1/4；介质膜(5-5)将激光放大器(3-5)输出激光与前序激光合成，透过率为1/5；介质膜(5-6)将激光放大器(3-6)输出激光与前序激光合成，透过率为1/6；介质膜(5-7)对合成激光束增透，透过率为1。
作为本方案的优选：光电传感器(6-1～6-5)探测每次合成损失的激光强度，光电传感器(6-1～6-5)光敏面分别对准非基准激光束对应的激光放大器(3-2～3-6)输出的激光束在介质膜(5-2～5-6)上的镜面反射光方向。
作为本方案的优选：平板合束器的通光表面相互平行。
作为本方案的优选：光电传感器的数量与激光放大器数量相同，且每一个光电探测器分别对准一个激光放大器输出激光在介质膜上的镜面反射方向。
本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，由于在该方案中...。
由此可见，本发明与现有技术相比，具有实质性特点和进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
附图说明
图1为本发明的光路架构示意图。
图中，1为激光种子源，2-1～2-5为相位调制器，3-1～3-6为激光放大器，4为平板合束器，5-1～5-7为介质膜，6-1～6-5为光电传感器，7-1～7-5为合成控制器，8为合束激光。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例
在图1中，首先从一台激光种子源(1)输出多束高品质窄线宽激光，再用激光放大器(3-1～3-6)进行放大，确保所有子束输出激光的强度和偏振态相同，具有较好的时间相干性和空间相干性。其中，激光放大器(3-1)～(3-4)输出第1～4束激光，激光放大器(3-5)输出第n-1束激光，激光放大器(3-6)输出第n束激光。调整多个子束激光光轴和光瞳，形成指向一致的平行阵列光束，并入射到平板合束器(4)上对应的分光介质膜(5-1～5-7)区域。平板合束器两侧的介质膜(5-1～5-7)透过率逐渐递减。第一个区域(5-1)镀增透膜，让激光放大器(3-1)输出的激光全部透过。激光放大器(3-1)输出的激光在第二个区域(5-2)上与激光放大器(3-2)输出的激光合成。第二个区域(5-2)镀的分光膜分光比为1：1(透过率1/2)，可将一束光分为强度相同的两束激光，根据光路可逆原理，当激光放大器(3-1)和激光放大器(3-2)输出激光强度相同且相位满足特定条件时，可相干合成为一束激光。同理第n个区域(5-6)镀的分光膜分光比为1：(n-1)，即透过率为1/n，激光放大器输出激光与前序合成的n-1束激光的强度比为1/(n-1)，恰好满足相干合成强度条件，当二者相位满足特定条件时，可相干合成为一束。最后，第n+1个区域(5-7)镀增透膜，即透过率为1，让合成激光(8)透过平板合束器(4)输出。
在每块区域的相干合成过程中，当参与相干合成的激光相位不满足特定条件时，就会有合成效率的损失，即部分激光能量不能参与合成，而是向激光到光电传感器(6-1～6-5)所在方向传播，通过探测损失的激光强度，并反馈控制参与合成激光子束的相位，使光电传感器(6-1～6-5)探测到的激光能量最少，即可使参与共孔径相干合成的激光能量最多，从而维持较高的合成效率。理论上，该装置输出激光功率为所有参与合成的n束激光的总和，可将激光亮度提升n倍。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。比如，可将平板合束器的一面镀上高反膜，只利用另一面进行合束；又如，可将平板和空气互换，在两块平行平板之间进行合束；又如，可逆应用平板合束器，实现分束器功能，将一束激光均匀分为指向一致的多束激光。此类组合均属本发明的扩展。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (6)

1.一种基于平板合束器的多光束共孔径相干合成装置，其特征是：包括有激光种子源(1)、相位调制器(2-1～2-5)、激光放大器(3-1～3-6)、平板合束器(4)、光电传感器(6-1～6-5)、合成控制器(7-1～7-5)；所述激光种子源呈阵列组束方式发射多数激光束，每束激光束对应的发射路径上都设置有一个激光放大器，其中包含有一组基准激光束对应的激光放大器(3-1)和多组非基准激光束对应的激光放大器(3-2～3-5)；所述基准激光束和所述非基准激光束经过对应的激光放大器放大后射入平板合束器；所述平板合束器上设置有多个不同分光比的介质膜(5-1～5-7)，每组激光束都对应一个介质膜并且通过介质膜透射射入平板合束器中；所述一个相位调制器、一个合成控制器以及一个光电传感器组成一组相位调节装置；每组所述相位调节装置对应控制一组非基准光束激光放大器；所述射入平板合束器的激光束经过多次折射后合束为一组激光束输出并由介质膜透射输出；所述光电传感器能够探测从平板合束器中经过介质膜透射出的激光束的相位并向相位调制器传输电信号，相位调制器通过接收的电信号向合成控制器发出控制电信号，合成控制器根据接收的控制电信号调整激光放大器的输出相位。
2.根据权利要求1所述的一种基于平板合束器的多光束共孔径相干合成装置，其特征是：所述激光种子源呈阵列组束方式发射的多数激光束均为偏振方向一致的线偏振光且强度相同，并且入射至平板合束器的入射角相同。
3.根据权利要求1所述的一种基于平板合束器的多光束共孔径相干合成装置，其特征是：所述介质膜数量为n+1个，则对应有n组入射激光束，各个介质膜的分光比依次为：介质膜(5-1)对激光放大器(3-1)输出激光增透，透过率为1；介质膜(5-2)合成激光放大器(3-1)和(3-2)输出激光，透过率为1/2；介质膜(5-3)将激光放大器(3-3)输出激光与前序激光合成，透过率为1/3；介质膜(5-4)将激光放大器(3-4)输出激光与前序激光合成，透过率为1/4；介质膜(5-5)将激光放大器(3-5)输出激光与前序激光合成，透过率为1/5；介质膜(5-6)将激光放大器(3-6)输出激光与前序激光合成，透过率为1/6；介质膜(5-7)对合成激光束增透，透过率为1。
4.根据权利要求1所述的一种基于平板合束器的多光束共孔径相干合成装置，其特征是：所述光电传感器(6-1～6-5)探测每次合成损失的激光强度，光电传感器(6-1～6-5)光敏面分别对准非基准激光束对应的激光放大器(3-2～3-6)输出的激光束在介质膜(5-2～5-6)上的镜面反射光方向。
5.根据权利要求1所述的一种基于平板合束器的多光束共孔径相干合成装置，其特征是：所述平板合束器的通光表面相互平行。
6.根据权利要求1所述的一种基于平板合束器的多光束共孔径相干合成装置，其特征是：所述光电传感器的数量与激光放大器数量相同，且每一个光电探测器分别对准一个激光放大器输出激光在介质膜上的镜面反射方向。
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