CN109164573A - 一种基于多路径调整机构的激光空间功率合成系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多路径调整机构的激光空间功率合成系统，包括多路径调整机构、多组望远扩束组件和汇聚组件，多路径调整机构包括多个三维压电陶瓷调整装置，多个三维压电陶瓷调整装置中的每个三维压电陶瓷调整装置对应一路激光光束；每组望远扩束组件对应一个三维压电陶瓷调整装置，每组望远扩束组件的凹透镜固定于对应的一个三维压电陶瓷调整装置，三维压电陶瓷调整装置用于驱动凹透镜在三维方向上移动；汇聚组件用于汇聚所有经过望远扩束组件扩束后的激光光束，并将汇聚后的激光光束作用到预定位置的靶标。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种基于多路径调整机构的激光空间功率合成系统。
背景技术
激光空间功率合成是将空间不同分布的激光光束通过合成装置，在空间靶标处高度汇聚，激光空间功率合成是提高到靶功率密度的一种方式，起到将多束激光能量汇聚至靶标的作用。
激光空间合成是将空间不同分布的激光束通过传输系统，在空间目标处高度汇聚，多路激光光束的空间功率合成要求激光器输出的激光束之间平行度严格一致，需要对多路激光光束实现三维调整，且要求光束调整角分辨率在微弧度量级。
然而，在实际工程中，使用的普通机械调整方法无法达到多路激光光束调整角的分辨率在微弧度量级。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于多路径调整机构的激光空间功率合成系统，达到多路激光光束调整角的分辨率在微弧度量级。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种基于多路径调整机构的激光空间功率合成系统，包括：
多路径调整机构，其包括多个三维压电陶瓷调整装置，多个所述三维压电陶瓷调整装置中的每个三维压电陶瓷调整装置对应一路激光光束；
多组望远扩束组件，每组所述望远扩束组件对应一个所述三维压电陶瓷调整装置，每组所述望远扩束组件的凹透镜固定于对应的一个三维压电陶瓷调整装置，所述三维压电陶瓷调整装置用于驱动所述凹透镜在三维方向上移动；
汇聚组件，其用于汇聚所有经过所述望远扩束组件扩束后的激光光束，并将汇聚后的激光光束作用到预定位置的靶标。
在上述技术方案的基础上，所述多路径调整机构包括三个三维压电陶瓷调整装置，三个三维压电陶瓷调整装置呈圆周对称分布；
所述望远扩束组件为三组，三组所述望远扩束组件的三个凹透镜分别固定于三个所述三维压电陶瓷调整装置，且三个所述凹透镜呈圆周对称分布。
在上述技术方案的基础上，所述三维压电陶瓷调整装置包括：
X轴方向压电陶瓷，其可沿X轴方向伸缩，并驱动所述凹透镜沿X轴方向移动；
Y轴方向压电陶瓷，其可沿Y轴方向伸缩，并驱动所述凹透镜沿Y轴方向移动；
Z轴方向压电陶瓷，其可沿Z轴方向伸缩，并驱动所述凹透镜沿Z轴方向移动。
在上述技术方案的基础上，所述X轴方向压电陶瓷、所述Y轴方向压电陶瓷和所述Z轴方向压电陶瓷之间均通过柔性铰链堆叠相连。
在上述技术方案的基础上，所述三维压电陶瓷调整装置对应的凹透镜通过所述柔性铰链与所述Z轴方向压电陶瓷相连。
在上述技术方案的基础上，所述多路径调整机构包括六个三维压电陶瓷调整装置，六个三维压电陶瓷调整装置呈圆周对称分布；
所述望远扩束组件为六组，六组所述望远扩束组件的六个凹透镜分别固定于六个所述三维压电陶瓷调整装置，且六个所述凹透镜呈圆周对称分布。
在上述技术方案的基础上，所述三维压电陶瓷调整装置包括：
X轴方向压电陶瓷，其可沿X轴方向伸缩，并驱动所述凹透镜沿X轴方向移动；
Y轴方向压电陶瓷，其可沿Y轴方向伸缩，并驱动所述凹透镜沿Y轴方向移动；
Z轴方向压电陶瓷，其可沿Z轴方向伸缩，并驱动所述凹透镜沿Z轴方向移动。
在上述技术方案的基础上，所述X轴方向压电陶瓷、所述Y轴方向压电陶瓷和所述Z轴方向压电陶瓷之间均通过柔性铰链堆叠相连。
在上述技术方案的基础上，所述三维压电陶瓷调整装置对应的凹透镜通过所述柔性铰链与所述Z轴方向压电陶瓷相连。
在上述技术方案的基础上，所述汇聚组件包括汇聚透镜和调焦部件，所述汇聚透镜设于所述望远扩束组件的凸透镜与靶标之间。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的一种基于多路径调整机构的激光空间功率合成系统，多路空间激光光束从激光源射出后分别进入对应的三维压电陶瓷调整装置，再经过望远扩束组件进行扩束后，汇聚组件将所有扩束后的激光光束汇聚并作用到预定位置的靶标。凹透镜安装于三维压电陶瓷调整装置上，每个三维压电陶瓷调整装置上安装一个凹透镜，多路径调整机构采用三维的多级放大结构，其微位移由压电陶瓷驱动实现三维平移，采用压电陶瓷叠堆驱动，具备高运动分辨率、大行程的特点，可以扩大实现微米级或亚微米级的分辨率以及几十或几百微米的行程，实现高精度、大行程的驱动凹透镜的三维移动，达到调整对应的多路激光光束沿光轴的三维移动，从而满足多路激光光束调整角的分辨率在微弧度量级的目的。
附图说明
图1为本发明实施例中一种基于多路径调整机构的激光空间功率合成系统的结构示意图；
图2为本发明实施例1中多路径调整机构的结构示意图；
图3为本发明实施例2中多路径调整机构的结构示意图；
图4为本发明实施例中三维压电陶瓷调整装置的结构示意图。
图中：1-多路径调整机构，10-三维压电陶瓷调整装置，100-X轴方向压电陶瓷，101-Y轴方向压电陶瓷，102-Z轴方向压电陶瓷，103-柔性铰链，2-激光光束，3-望远扩束组件，30-凹透镜，31-凸透镜4-汇聚组件，40-汇聚透镜，5-靶标。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1所示，本发明实施例提供一种基于多路径调整机构的激光空间功率合成系统，包括多路径调整机构1、多组望远扩束组件3和汇聚组件4，多路径调整机构1包括多个三维压电陶瓷调整装置10，多个三维压电陶瓷调整装置10中的每个三维压电陶瓷调整装置10对应一路激光光束2；每组望远扩束组件3对应一个三维压电陶瓷调整装置20，每组望远扩束组件3的凹透镜30固定于对应的一个三维压电陶瓷调整装置20，三维压电陶瓷调整装置20用于驱动凹透镜30在三维方向上移动；汇聚组件4用于汇聚所有经过望远扩束组件3扩束后的激光光束，并将汇聚后的激光光束作用到预定位置的靶标5。
具体的工作原理如下：多路空间激光光束2从激光源射出后分别进入对应的三维压电陶瓷调整装置10，再经过望远扩束组件3进行扩束后，汇聚组件4将所有扩束后的激光光束汇聚并作用到预定位置的靶标5。凹透镜30安装于三维压电陶瓷调整装置10上，每个三维压电陶瓷调整装置10上安装一个凹透镜30，多路径调整机构1采用三维的多级放大结构，其微位移由压电陶瓷驱动实现三维平移，采用压电陶瓷叠堆驱动，具备高运动分辨率、大行程的特点，可以扩大实现微米级或亚微米级的分辨率以及几十或几百微米的行程，实现高精度、大行程的驱动凹透镜的三维移动，达到调整对应的多路激光光束沿光轴的三维移动，从而满足多路激光光束调整角的分辨率在微弧度量级的目的。
实施例1：
参见图1和图2所示，本发明实施例1提供一种基于多路径调整机构的激光空间功率合成系统，包括多路径调整机构1、三组望远扩束组件3和汇聚组件4，多路径调整机构1包括三个三维压电陶瓷调整装置10，三个三维压电陶瓷调整装置10中的每个三维压电陶瓷调整装置10对应一路激光光束2；每组望远扩束组件3对应一个三维压电陶瓷调整装置20，每组望远扩束组件3的凹透镜30固定于对应的一个三维压电陶瓷调整装置20，三维压电陶瓷调整装置20用于驱动凹透镜30在三维方向上移动；汇聚组件4用于汇聚所有经过望远扩束组件3扩束后的激光光束，并将汇聚后的激光光束作用到预定位置的靶标5。
具体的工作原理如下：三路空间激光光束2从激光源射出后分别进入对应的三维压电陶瓷调整装置10，再经过望远扩束组件3进行扩束后，汇聚组件4将所有扩束后的激光光束汇聚并作用到预定位置的靶标5。望远扩束组件3为伽利略式望远镜，伽利略式望远镜的凹透镜30安装于三维压电陶瓷调整装置10上，每个三维压电陶瓷调整装置10上安装一个凹透镜30，多路径调整机构1采用三维的三级放大结构，其微位移由压电陶瓷驱动实现三维平移，采用压电陶瓷叠堆驱动，具备高运动分辨率、大行程的特点，可以扩大实现微米级或亚微米级的分辨率以及几十或几百微米的行程，实现高精度、大行程的驱动凹透镜的三维移动，达到调整对应的三路激光光束沿光轴的三维移动，从而满足三路激光光束调整角的分辨率在微弧度量级的目的。
参见图2所示，优选的，激光空间功率合成系统包括多路径调整机构1、三组望远扩束组件3和汇聚组件4，多路径调整机构1包括三个三维压电陶瓷调整装置10，三个三维压电陶瓷调整装置10呈圆周对称分布，三个三维压电陶瓷调整装置10呈圆周对称分布使得三个三维压电陶瓷调整装置10的压电陶瓷的参数一致，从而使得三束激光光束的调整角的范围相同，使得三束激光光束间相互平行。
进一步的，三组望远扩束组件3的三个凹透镜30分别固定于三个三维压电陶瓷调整装置10，且三个凹透镜30呈圆周对称分布。三个凹透镜30呈圆周对称分布与三个三维压电陶瓷调整装置10一样呈圆周对称分布，三个三维压电陶瓷调整装置10的压电陶瓷的参数一致，三个三维压电陶瓷调整装置10驱动相对应的三个凹透镜30的调整的范围相同，从而使得三束激光光束的调整角的范围相同，使得三束激光光束间相互平行。
参见图4所示，优选的，三维压电陶瓷调整装置10包括：
X轴方向压电陶瓷100，其可沿X轴方向伸缩，并驱动凹透镜30沿X轴方向移动，凹透镜30沿X轴方向移动实现对应的激光光束沿X轴方向的调整；
Y轴方向压电陶瓷101，其可沿Y轴方向伸缩，并驱动凹透镜30沿Y轴方向移动，凹透镜30沿Y轴方向移动实现对应的激光光束沿Y轴方向的调整；
Z轴方向压电陶瓷102，其可沿Z轴方向伸缩，并驱动凹透镜30沿Z轴方向移动，凹透镜30沿Z轴方向移动实现对应的激光光束沿Z轴方向的调整。
因此通过X轴方向压电陶瓷100、Y轴方向压电陶瓷101和Z轴方向压电陶瓷102的伸缩运动来驱动对应的凹透镜30垂直于光轴的XY二维方向以及沿光轴的XYZ三维方向的移动，实现激光光束的XYZ三维方向的调整，使得三束激光光束间相互平行。
凹透镜30垂直于光轴的XY二维方向以及沿光轴的XYZ三维方向的移动，可以实时根据激光光束作用于目标的位置反馈，根据三束激光束作用在目标上作用光斑情况，以最佳光斑重合度为优化目标，多路径调整机构1将不断输送位置信号给三维压电陶瓷调整装置10，通过迭代优化，使光斑重合度达到最佳，以此调整凹透镜30的位置，凹透镜30在垂直于光轴的XY二维方向以及沿光轴的XYZ三维方向的移动时，将改变激光光束的偏角，从而实现三路激光束之间平行度的高精度调整。
参见图4所示，优选的，X轴方向压电陶瓷100、Y轴方向压电陶瓷101和Z轴方向压电陶瓷102之间均通过柔性铰链103堆叠相连，三维压电陶瓷调整装置10对应的凹透镜30通过柔性铰链103与Z轴方向压电陶瓷102相连。本发明实施例1的三维压电陶瓷调整装置10采用压电陶瓷叠堆驱动，具备高运动分辨率、大行程的特点，可以扩大实现微米级或亚微米级的分辨率以及几十或几百微米的行程，从而实现高精度、大行程的调整凹透镜30的位置的目的。
参见图1所示，优选的，汇聚组件4包括汇聚透镜40和调焦部件，汇聚透镜40为凸透镜，其设于望远扩束组件3的凸透镜31与靶标5之间。
所有经过望远扩束组件3扩束后的激光光束通过汇聚透镜40，实现光束扩束、压缩发散角，实现三路激光光束在不同空间目标处的汇聚，再通过调焦部件可使目标清晰成像，实现三路激光光束在不同工作距离处的汇聚。
实施例2：
参见图1和图3所示，本发明实施例2提供一种基于多路径调整机构的激光空间功率合成系统，包括多路径调整机构1、六组望远扩束组件3和汇聚组件4，多路径调整机构1包括六个三维压电陶瓷调整装置10，六个三维压电陶瓷调整装置10中的每个三维压电陶瓷调整装置10对应一路激光光束2；每组望远扩束组件3对应一个三维压电陶瓷调整装置20，每组望远扩束组件3的凹透镜30固定于对应的一个三维压电陶瓷调整装置20，三维压电陶瓷调整装置20用于驱动凹透镜30在三维方向上移动；汇聚组件4用于汇聚所有经过望远扩束组件3扩束后的激光光束，并将汇聚后的激光光束作用到预定位置的靶标5。
具体的工作原理如下：六路空间激光光束2从激光源射出后分别进入对应的三维压电陶瓷调整装置10，再经过望远扩束组件3进行扩束后，汇聚组件4将所有扩束后的激光光束汇聚并作用到预定位置的靶标5。望远扩束组件3为伽利略式望远镜，伽利略式望远镜的凹透镜30安装于三维压电陶瓷调整装置10上，每个三维压电陶瓷调整装置10上安装一个凹透镜30，多路径调整机构1采用三维的三级放大结构，其微位移由压电陶瓷驱动实现三维平移，采用压电陶瓷叠堆驱动，具备高运动分辨率、大行程的特点，可以扩大实现微米级或亚微米级的分辨率以及几十或几百微米的行程，实现高精度、大行程的驱动凹透镜的三维移动，达到调整对应的六路激光光束沿光轴的三维移动，从而满足六路激光光束调整角的分辨率在微弧度量级的目的。
参见图3所示，优选的，激光空间功率合成系统包括多路径调整机构1、六组望远扩束组件3和汇聚组件4，多路径调整机构1包括六个三维压电陶瓷调整装置10，六个三维压电陶瓷调整装置10呈圆周对称分布；六个三维压电陶瓷调整装置10呈圆周对称分布使得六个三维压电陶瓷调整装置10的压电陶瓷的参数一致，从而使得六束激光光束的调整角的范围相同，使得六束激光光束间相互平行。
六组望远扩束组件3的六个凹透镜30分别固定于六个三维压电陶瓷调整装置10，且六个凹透镜30呈圆周对称分布。六个凹透镜30呈圆周对称分布与六个三维压电陶瓷调整装置10一样呈圆周对称分布，六个三维压电陶瓷调整装置10的压电陶瓷的参数一致，六个三维压电陶瓷调整装置10驱动相对应的六个凹透镜30的调整的范围相同，从而使得六束激光光束的调整角的范围相同，使得六束激光光束间相互平行。
参见图4所示，优选的，三维压电陶瓷调整装置10包括：
X轴方向压电陶瓷100，其可沿X轴方向伸缩，并驱动凹透镜30沿X轴方向移动，凹透镜30沿X轴方向移动实现对应的激光光束沿X轴方向的调整；
Y轴方向压电陶瓷101，其可沿Y轴方向伸缩，并驱动凹透镜30沿Y轴方向移动，凹透镜30沿Y轴方向移动实现对应的激光光束沿Y轴方向的调整；
Z轴方向压电陶瓷102，其可沿Z轴方向伸缩，并驱动凹透镜30沿Z轴方向移动，凹透镜30沿Z轴方向移动实现对应的激光光束沿Z轴方向的调整。
因此通过X轴方向压电陶瓷100、Y轴方向压电陶瓷101和Z轴方向压电陶瓷102的伸缩运动来驱动对应的凹透镜30垂直于光轴的XY二维方向以及沿光轴的XYZ三维方向的移动，实现激光光束的XYZ三维方向的调整，使得六束激光光束间相互平行。
凹透镜30垂直于光轴的XY二维方向以及沿光轴的XYZ三维方向的移动，可以实时根据激光光束作用于目标的位置反馈，根据六束激光束作用在目标上作用光斑情况，以最佳光斑重合度为优化目标，多路径调整机构1将不断输送位置信号给三维压电陶瓷调整装置10，通过迭代优化，使光斑重合度达到最佳，以此调整凹透镜30的位置，凹透镜30在垂直于光轴的XY二维方向以及沿光轴的XYZ三维方向的移动时，将改变激光光束的偏角，从而实现六路激光束之间平行度的高精度调整。
参见图4所示，优选的，X轴方向压电陶瓷100、Y轴方向压电陶瓷101和Z轴方向压电陶瓷102之间均通过柔性铰链103堆叠相连，三维压电陶瓷调整装置10对应的凹透镜30通过柔性铰链103与Z轴方向压电陶瓷102相连。本发明实施例1的三维压电陶瓷调整装置10采用压电陶瓷叠堆驱动，具备高运动分辨率、大行程的特点，可以扩大实现微米级或亚微米级的分辨率以及几十或几百微米的行程，从而实现高精度、大行程的调整凹透镜30的位置的目的。
参见图1所示，优选的，汇聚组件4包括汇聚透镜40和调焦部件，汇聚透镜40为凸透镜，其设于望远扩束组件3的凸透镜31与靶标5之间。
所有经过望远扩束组件3扩束后的激光光束通过汇聚透镜40，实现光束扩束、压缩发散角，实现六路激光光束在不同空间目标处的汇聚，再通过调焦部件可使目标清晰成像，实现六路激光光束在不同工作距离处的汇聚。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种基于多路径调整机构的激光空间功率合成系统，其特征在于，包括：
多路径调整机构(1)，其包括多个三维压电陶瓷调整装置(10)，多个所述三维压电陶瓷调整装置(10)中的每个三维压电陶瓷调整装置(10)对应一路激光光束(2)；
多组望远扩束组件(3)，每组所述望远扩束组件(3)对应一个所述三维压电陶瓷调整装置(20)，每组所述望远扩束组件(3)的凹透镜(30)固定于对应的一个三维压电陶瓷调整装置(20)，所述三维压电陶瓷调整装置(20)用于驱动所述凹透镜(30)在三维方向上移动；
汇聚组件(4)，其用于汇聚所有经过所述望远扩束组件(3)扩束后的激光光束，并将汇聚后的激光光束作用到预定位置的靶标(5)。
2.如权利要求1所述的激光空间功率合成系统，其特征在于：
所述多路径调整机构(1)包括三个三维压电陶瓷调整装置(10)，三个三维压电陶瓷调整装置(10)呈圆周对称分布；
所述望远扩束组件(3)为三组，三组所述望远扩束组件(3)的三个凹透镜(30)分别固定于三个所述三维压电陶瓷调整装置(10)，且三个所述凹透镜(30)呈圆周对称分布。
3.如权利要求2所述的激光空间功率合成系统，其特征在于，所述三维压电陶瓷调整装置(10)包括：
X轴方向压电陶瓷(100)，其可沿X轴方向伸缩，并驱动所述凹透镜(30)沿X轴方向移动；
Y轴方向压电陶瓷(101)，其可沿Y轴方向伸缩，并驱动所述凹透镜(30)沿Y轴方向移动；
Z轴方向压电陶瓷(102)，其可沿Z轴方向伸缩，并驱动所述凹透镜(30)沿Z轴方向移动。
4.如权利要求3所述的激光空间功率合成系统，其特征在于，所述X轴方向压电陶瓷(100)、所述Y轴方向压电陶瓷(101)和所述Z轴方向压电陶瓷(102)之间均通过柔性铰链(103)堆叠相连。
5.如权利要求4所述的激光空间功率合成系统，其特征在于，所述三维压电陶瓷调整装置(10)对应的凹透镜(30)通过所述柔性铰链(103)与所述Z轴方向压电陶瓷(102)相连。
6.如权利要求1所述的激光空间功率合成系统，其特征在于，
所述多路径调整机构(1)包括六个三维压电陶瓷调整装置(10)，六个三维压电陶瓷调整装置(10)呈圆周对称分布；
所述望远扩束组件(3)为六组，六组所述望远扩束组件(3)的六个凹透镜(30)分别固定于六个所述三维压电陶瓷调整装置(10)，且六个所述凹透镜(30)呈圆周对称分布。
7.如权利要求6所述的激光空间功率合成系统，其特征在于，所述三维压电陶瓷调整装置(10)包括：
X轴方向压电陶瓷(100)，其可沿X轴方向伸缩，并驱动所述凹透镜(30)沿X轴方向移动；
Y轴方向压电陶瓷(101)，其可沿Y轴方向伸缩，并驱动所述凹透镜(30)沿Y轴方向移动；
Z轴方向压电陶瓷(102)，其可沿Z轴方向伸缩，并驱动所述凹透镜(30)沿Z轴方向移动。
8.如权利要求7所述的激光空间功率合成系统，其特征在于，所述X轴方向压电陶瓷(100)、所述Y轴方向压电陶瓷(101)和所述Z轴方向压电陶瓷(102)之间均通过柔性铰链(103)堆叠相连。
9.如权利要求8所述的激光空间功率合成系统，其特征在于，所述三维压电陶瓷调整装置(10)对应的凹透镜(30)通过所述柔性铰链(103)与所述Z轴方向压电陶瓷(102)相连。
10.如权利要求1所述的激光空间功率合成系统，其特征在于，所述汇聚组件(4)包括汇聚透镜(40)和调焦部件，所述汇聚透镜(40)设于所述望远扩束组件(3)的凸透镜(31)与靶标(5)之间。
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