CN109239939B - 基于棱镜的光纤激光阵列相干合成准直器 - Google Patents

基于棱镜的光纤激光阵列相干合成准直器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于棱镜的光纤激光阵列相干合成准直器，包括依次设置的光纤端帽阵列、透镜组和棱镜，光纤端帽阵列由N个且呈阵列分布的光纤端帽组成，光纤端帽阵列中的相邻光纤端帽间的间距相等且均为Δ，光纤端帽阵列置于透镜组的焦平面上，透镜组的另一侧设置有棱镜，呈阵列分布的N个光纤端帽中位于光纤端帽阵列中心的中间光纤端帽与透镜组以及棱镜同轴线。由N个光纤端帽输出的N路激光光束入射到透镜组上经透镜组输出，经透镜组输出的N路光束彼此间存在交叉，棱镜将经透镜组输出的N路光束校正为平行光束阵列输出。本发明结构简单紧凑，通过本发明可在同一准直器中实现多路光纤激光高占空比相干合成。

Description

基于棱镜的光纤激光阵列相干合成准直器
技术领域
本发明属于光纤激光相干合成技术领域，特别是涉及一种基于棱镜的光纤激光阵列相干合成准直器。
背景技术
光纤激光相干合成是获得高亮度激光相干合成的重要方法之一，在空间光通信、科学研究、国防等领域具有广阔的应用前景，是当前激光技术领域的研究热点。
在阵列光束分孔径相干合成中，若要实现良好的相干合成效果，阵列光束必须做到很高的占空比，这给准直器阵列研制带来了很大困难。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于棱镜的光纤激光阵列相干合成准直器，可采用单一光纤准直器实现多路光纤激光的相干合成。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是：
基于棱镜的光纤激光阵列相干合成准直器，包括依次设置的光纤端帽阵列、透镜组和棱镜，光纤端帽阵列由N个且呈阵列分布的光纤端帽组成，光纤端帽阵列中的相邻光纤端帽间的间距相等且均为Δ，光纤端帽阵列置于透镜组的焦平面上，透镜组的另一侧设置有棱镜，呈阵列分布的N个光纤端帽中位于光纤端帽阵列中心的中间光纤端帽与透镜组以及棱镜同轴线。
由N个光纤端帽输出的N路激光光束入射到透镜组上经透镜组输出，经透镜组输出的N路光束彼此间存在交叉，棱镜将经透镜组输出的N路光束校正为平行光束阵列输出。
所述光纤端帽阵列、透镜组和棱镜均依次固定于支撑镜筒上由支撑镜筒支撑。所述支撑镜筒采用金属等硬质材料加工而成，具体尺寸需根据实际情况而定。
所述光纤端帽采用商用高功率光纤端帽，光纤端帽尾纤由用户根据前端光纤激光器的输出光纤型号确定，光纤端帽的直径须小于相邻光纤端帽间的间距Δ。N个光纤端帽所形成的阵列可以是蜂窝状的六角密积阵列或方阵阵列。
所述透镜组的等效焦距f由下式确定。
Figure BDA0001830208700000021
其中，ω是经透镜组准直后的光束束腰半径，由用户根据实际需求进行确定；NA是光纤端帽尾纤的数值孔径，k是比例系数，由光纤端帽尾纤参数确定。
透镜组的口径须大于入射到其上的N路阵列光束所形成的阵列光斑的尺寸。透镜组在光学设计时须确保所有出射光束的光束质量无明显退化，如出射光束与入射光束M2因子之差小于0.1。透镜组的材料可由用户根据激光波长和实际使用需求进行选择，比如石英玻璃等。
所述棱镜由一块透明材料(如玻璃或水晶等透明材料)一体化加工而成。在本发明中，棱镜的入射面为平面，入射面上镀有输出激光波长的增透膜，棱镜的出射面包含N个不同的斜面，每一个斜面上均镀有输出激光波长的增透膜。每一个斜面对应一路由光纤端帽输出的光束，且各斜面的尺寸大于或等于其所对应的光束尺寸。对于N路光束中的第i路光束所对应的斜面，该斜面与棱镜入射面所在平面的角度
Figure BDA0001830208700000034
由下式确定：
Figure BDA0001830208700000031
其中，n为棱镜所采用的制作材料的折射率；θi为第i路光束与透镜组光轴的夹角，由式
Figure BDA0001830208700000032
确定，式中di为第i路光纤端帽与透镜组光轴的距离。
棱镜与透镜组的距离L由下式确定，
Figure BDA0001830208700000033
L、Δ互为反比例关系，用户可根据实际情况折衷确定L、Δ的值。棱镜所采用的制作材料由用户根据激光波长和耐受激光功率等情况进行确定。
与现有技术相比，本发明能够产生以下技术效果：
本发明结构简单紧凑，通过本发明可在同一准直器中实现多路光纤激光高占空比相干合成。
附图说明
图1为本发明具体实施例一的结构示意图；
图2为本发明具体实施例二的结构示意图；
图3为图2的一局部示意图；
图4为图2的局部示意图；
图5为棱镜斜面与平面夹角计算原理图。
图6为7路光束相干合成时所采用的棱镜的结构示意图。
图中标号：
1、光纤端帽；2、透镜组；3、棱镜；4、支撑镜筒。
具体实施方式
下面结合附图1至6，对本发明的具体实施方法进行进一步的说明。
参照图1，图1为本发明具体实施例一的结构示意图。包括支撑镜筒4、光纤端帽阵列、透镜组2和棱镜3，所述光纤端帽阵列、透镜组2和棱镜3均依次固定于支撑镜筒1上由支撑镜筒1支撑。本实施例中，光纤端帽阵列由3个且呈阵列分布的光纤端帽1组成，光纤端帽阵列中的相邻光纤端帽1间的间距相等且均为Δ，光纤端帽阵列置于透镜组2的焦平面上，透镜组2的另一侧设置有棱镜3，呈阵列分布的3个光纤端帽1中位于阵列中心的中间光纤端帽1与透镜组2以及棱镜3同轴线。
由3个光纤端帽1输出的3路激光光束入射到透镜组2上经透镜组2输出，经透镜组2输出的3路光束彼此间存在交叉，棱镜3将经透镜组2输出的3路光束校正为平行光束阵列输出。
参照图2、图3和图4，为本发明具体实施例二的结构示意图。同样的包括支撑镜筒4、光纤端帽阵列、透镜组2和棱镜3，所述光纤端帽阵列、透镜组2和棱镜3均依次固定于支撑镜筒4上由支撑镜筒4支撑。本实施例中，光纤端帽阵列由7个且呈蜂窝状的六角阵列分布的光纤端帽1组成。由7个光纤端帽1输出的7路激光光束入射到透镜组2上经透镜组2输出，经透镜组2输出的7路光束彼此间存在交叉，棱镜3将经透镜组2输出的7路光束校正为平行光束阵列输出。
本发明中所述光纤端帽1采用商用高功率光纤端帽，光纤端帽尾纤由用户根据前端光纤激光器的输出光纤型号确定，光纤端帽1的直径须小于相邻光纤端帽间的间距Δ。
参照图1，本发明所述光纤端帽阵列置于透镜组2的焦平面上，光纤端帽阵列与透镜组2的距离即透镜组2的等效焦距f。所述透镜组2的等效焦距f由下式确定。
Figure BDA0001830208700000051
其中，ω是经透镜组准直后的光束束腰半径，由用户根据实际需求进行确定；NA是光纤端帽尾纤的数值孔径，k是比例系数，由光纤端帽尾纤参数确定。
透镜组2的口径须大于入射到其上的N路阵列光束所形成的阵列光斑的尺寸。透镜组在光学设计时须确保所有出射光束的光束质量无明显退化，如出射光束与入射光束M2因子之差小于0.1。透镜组的材料可由用户根据激光波长和实际使用需求进行选择，比如石英玻璃等。
所述棱镜3由一块透明材料(如玻璃或水晶等透明材料)一体化加工而成。在本发明中，棱镜的入射面为平面，上面镀有输出激光波长的增透膜。棱镜的出射面包含N个不同的斜面，每一个斜面上均镀有输出激光波长的增透膜。每一个斜面对应一路由光纤端帽输出的光束，且各斜面的尺寸大于或等于其所对应的光束尺寸。如图5所示，对于N路光束中的第i路光束所对应的斜面，该斜面与棱镜入射面所在平面的角度
Figure BDA0001830208700000064
由下式确定：
Figure BDA0001830208700000061
其中，n为棱镜所采用的制作材料的折射率；θi为第i路光束与透镜组光轴的夹角，由式
Figure BDA0001830208700000062
确定，式中di为第i路光纤端帽与透镜组光轴的距离。
棱镜与透镜组的距离L由下式确定，
Figure BDA0001830208700000063
L、Δ互为反比例关系，用户可根据实际情况折衷确定L、Δ的值。棱镜所采用的制作材料由用户根据激光波长和耐受激光功率等情况进行确定。
参照图6为实施例2中7路光束相干合成时所采用的棱镜的结构示意图。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。

Claims (6)

1.基于棱镜的光纤激光阵列相干合成准直器，其特征在于：包括依次设置的光纤端帽阵列、透镜组和棱镜，光纤端帽阵列由N个且呈阵列分布的光纤端帽组成，N个光纤端帽所形成的阵列是蜂窝状的六角密积阵列或方阵阵列，光纤端帽阵列中的相邻光纤端帽间的间距相等且均为Δ，光纤端帽的直径须小于相邻光纤端帽间的间距Δ，光纤端帽阵列置于透镜组的焦平面上，透镜组的另一侧设置有棱镜，呈阵列分布的N个光纤端帽中位于光纤端帽阵列中心的中间光纤端帽与透镜组以及棱镜同轴线；
所述透镜组的等效焦距f由下式确定：
Figure FDA0003174513910000011
其中，ω是经透镜组准直后的光束束腰半径；NA是光纤端帽尾纤的数值孔径，k是比例系数；
棱镜与透镜组的距离L由下式确定：
Figure FDA0003174513910000012
L、Δ互为反比例关系；
棱镜的入射面为平面，入射面上镀有输出激光波长的增透膜；棱镜的出射面包含N个不同的单元光束出射面，每一个单元光束出射面上均镀有输出激光波长的增透膜；每一个单元光束出射面对应一路由光纤端帽输出的光束，且各单元光束出射面的尺寸大于或等于其所对应的光束尺寸，对于N路光束中的第i路光束所对应的单元光束出射面，该单元光束出射面与棱镜入射面所在平面的角度
Figure FDA0003174513910000013
由下式确定：
Figure FDA0003174513910000014
其中，n为棱镜所采用的制作材料的折射率；θi为第i路光束与透镜组光轴的夹角，由式
Figure FDA0003174513910000021
确定，式中di为第i路光纤端帽与透镜组光轴的距离。
2.根据权利要求1所述的基于棱镜的光纤激光阵列相干合成准直器，其特征在于：由N个光纤端帽输出的N路激光光束入射到透镜组上经透镜组输出，经透镜组输出的N路光束彼此间存在交叉，棱镜将经透镜组输出的N路光束校正为平行光束阵列输出。
3.根据权利要求1所述的基于棱镜的光纤激光阵列相干合成准直器，其特征在于：所述光纤端帽阵列、透镜组和棱镜均依次固定于支撑镜筒上由支撑镜筒支撑。
4.根据权利要求1所述的基于棱镜的光纤激光阵列相干合成准直器，其特征在于：所述光纤端帽采用商用高功率光纤端帽，光纤端帽尾纤由用户根据前端光纤激光器的输出光纤型号确定。
5.根据权利要求1所述的基于棱镜的光纤激光阵列相干合成准直器，其特征在于：透镜组的口径须大于入射到其上的N路阵列光束所形成的阵列光斑的尺寸。
6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的基于棱镜的光纤激光阵列相干合成准直器，其特征在于：所述棱镜由一块玻璃或水晶一体化加工而成。
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