CN112162379B - 能动分块反射镜、激光光谱合成系统及合成方法 - Google Patents

能动分块反射镜、激光光谱合成系统及合成方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种能动分块反射镜、激光光谱合成系统及合成方法，能动分块反射镜包括：基座、多个离轴非球面反射镜及多组驱动组件，每个离轴非球面反射镜对应接收一束子束激光，每个离轴非球面反射镜的面型均基于接收的子束激光进行适配设计，每个离轴非球面反射镜均通过一组驱动组件固定于基座。根据本发明的能动分块反射镜，采用离轴非球面反射镜的组束方法实现合成子束的高占空比排布，在实现紧凑、高效的高集成度密集组束的同时，可以通过驱动组件调节对应的离轴非球面反射镜的位置形态，实现对子束激光的平移、倾斜及其它像差进行有效的控制，从而保证光谱合成合束后输出激光的合束效率及光束质量。

Description

能动分块反射镜、激光光谱合成系统及合成方法
技术领域
本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种能动分块反射镜、激光光谱合成系统及合成方法。
背景技术
在高能激光技术的发展中，热损耗是限制激光功率增大的一个主要因素，随着激光功率的增大，由于热损耗导致的能量转换效率也相应的减小。光束合成技术为这个问题的解决提供了一种有效可行的方法。光束合成的目的是获得远高于单台激光器输出功率的激光，并保持良好的光束质量，从而可以克服单台激光器定标到更高功率的困难。目前，光束合成技术已成为当今强激光技术领域中有明显应用前景而又富于挑战性的课题。
其中，光谱合成技术主要利用色散光学元件的色散能力，通过色散的逆过程将多个具有不同中心波长、以不同角度入射的窄线宽激光(以下称为“子束”)以相同角度出射的方式实现共孔径合束输出，其技术原理和系统结构均比较简单，能在提升输出功率同时保持良好光束质量水平，而且该技术降低或消除了参与合成的子束激光的线宽、相位、偏振等方面的控制要求，较大程度降低了高功率激光子束研制和多路子束合成系统工程化转化的难度，逐渐成为功率合成技术的一个重要发展方向。
相关技术中，光谱合成子束系统存在空间排布体积庞大且受实际系统空间布局制约的问题，而且无法对子束激光的平移、倾斜及其它像差进行有效的控制，从而影响光谱合成合束后输出激光的合束效率及光束质量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是解决现有光束合成系统体积大且无法对子束激光进行有效控制的问题，本发明提出了一种能动分块反射镜、激光光谱合成系统及合成方法。
根据本发明实施例的能动分块反射镜，包括：
基座；
多个离轴非球面反射镜，每个所述离轴非球面反射镜对应接收一束子束激光，每个所述离轴非球面反射镜的面型均基于接收的所述子束激光进行适配设计；
多组驱动组件，每个所述离轴非球面反射镜均通过一组所述驱动组件固定于所述基座，所述驱动组件用于调节对应的所述离轴非球面反射镜的位置形态。
根据本发明实施例的能动分块反射镜，采用离轴非球面反射镜的组束方法实现合成子束的高占空比排布，在实现紧凑、高效的高集成度密集组束的同时，可以通过驱动组件调节对应的离轴非球面反射镜的位置形态，实现对子束激光的平移、倾斜及其它像差进行有效的控制，从而保证光谱合成合束后输出激光的合束效率及光束质量。
根据本发明的一些实施例，每组所述驱动组件包括多个驱动器，多个所述驱动器的中心均匀分布于所述离轴非球面反射镜的背面的预设直径的圆上。
在本发明的一些实施例中，所述驱动器为采用压电陶瓷材料制备的压电堆驱动器。
根据本发明的一些实施例，所述驱动器组件与对应的所述离轴非球面反射镜粘接连接。
在本发明的一些实施例中，多个离轴非球面反射镜呈直线型排布，相邻的两个所述离轴非球面反射镜的间距范围为1.4mm至1.6mm。
根据本发明实施例的激光光谱合成系统，包括：
能动分块反射镜，所述能动分块反射镜为根据上述所述的能动分块反射镜，用于接收多束所述子束激光并进行反射，生成对应的多束反射激光；
光栅，所述光栅用于接收多束所述反射激光，并生成合束激光；
分束镜，所述分束镜用于接收所述合束激光并进行分光后输出；
采集装置，用于采集所述合束镜中的激光信息；
控制装置，用于接收所述激光信息，并基于所述激光信息对所述能动分块反射镜进行调节控制。
根据本发明实施例的激光光谱合成系统，通过合成子束的高占空比排布，实现了空间排布紧凑、高效的高集成度密集组束，避免了受实际系统空间布局制约的问题；采用离轴非球面反射镜的组束方法，可以分别对光谱合成所需的子束激光波前进行校正，有效提高子束激光的光束质量，保证光谱合成合束后输出激光的合束效率及光束质量；在每块反射镜后面都有三个独立的压电式驱动器，在三个压电驱动器的作用下能对每块反射镜的倾斜及平移像差进行单独控制，从而可以根据合成效果实时闭环调整激光子束在色散元件上的入射角及入射位置。
根据本发明的一些实施例，所述控制装置基于所述激光信息控制所述驱动组件调节对应的所述离轴非球面反射镜的位置形态。
在本发明的一些实施例中，所述采集装置为CCD采集模块。
根据本发明实施例的激光光谱合成方法，所述方法采用如上所述的激光光谱合成系统对多束所述子束激光进行合成，所述方法包括：
通过多个所述离轴非球面反射镜接收多束所述子束激光，并进行反射生成多束反射激光；
通过所述光栅接收多束所述反射激光并生成合束激光；
通过所述分束镜对所述合束激光进行分光后输出。
根据本发明实施例的激光光谱合成方法，采用离轴非球面反射镜的组束方法，可以分别对光谱合成所需的子束激光波前进行校正，有效提高子束激光的光束质量，保证光谱合成合束后输出激光的合束效率及光束质量；在三个压电驱动器的作用下能对每块反射镜的倾斜及平移像差进行单独控制，从而可以根据合成效果实时闭环调整激光子束在色散元件上的入射角及入射位置。
根据本发明的一些实施例，所述方法还包括：
采集所述光栅中的激光信息，并基于所述激光信息采用随机并行梯度控制算法，控制所述驱动组件带动调节所述离轴非球面反射镜的位置形态。
附图说明
图1为根据本发明实施例的能动分块反射镜的原理示意图；
图2为根据本发明实施例的能动分块反射镜的结构示意图；
图3为根据本发明实施例的能动分块反射镜的离轴非球面反射镜的排布示意图；
图4为根据本发明实施例的驱动组件在离轴非球面反射镜背面的排布示意图；
图5为根据本发明实施例的激光光谱合成系统闭环控制示意图；
图6为根据本发明实施例的光谱合成后激光输出光束质量测试曲线。
附图标记：
激光光谱合成系统100，
能动分块反射镜10，基座110，离轴非球面反射镜120，驱动组件130，驱动器131，
光栅20，分束镜30，采集装置40，控制装置50。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。
如图1和图2所示，根据本发明实施例的能动分块反射镜10，包括：基座110、多个离轴非球面反射镜120以及多组驱动组件130。
具体而言，如图1所示，每个离轴非球面反射镜120对应接收一束子束激光，每个离轴非球面反射镜120的面型均基于接收的子束激光进行适配设计。也就是说，能动分块反射镜10可以根据用于光谱合成所需的子束激光数量，设计对应数量的离轴非球面反射镜120，每个离轴非球面反射镜120的面型根据各子束激光的发散角和波前分别进行设计及加工，从而可以对各个子束激光的波前及聚焦位置有效控制。
需要说明的是，可以使用四波横向剪切干涉仪测量光谱合成所用的各个子束激光波前，然后根据测量结果制作与各个子束激光畸变波前共轭的离轴非球面反射镜120，用其来校正子束激光的畸变波前，从而提高子束激光的光束质量。
每个离轴非球面反射镜120均通过一组驱动组件130固定于基座110，驱动组件130用于调节对应的离轴非球面反射镜120的位置形态。需要说明的是，驱动组件130可以实现对对应的离轴非球面反射镜120进行倾斜及平移像差的单独控制调节，从而可以控制子束激光在色散元件上的入射角、入射位置即聚光斑尺寸。
根据本发明实施例的能动分块反射镜10，采用离轴非球面反射镜120的组束方法实现合成子束的高占空比排布，在实现紧凑、高效的高集成度密集组束的同时，可以通过驱动组件130调节对应的离轴非球面反射镜120的位置形态，实现对子束激光的平移、倾斜及其它像差进行有效的控制，从而保证光谱合成合束后输出激光的合束效率及光束质量。
根据本发明的一些实施例，如图1和图4所示，每组驱动组件130包括多个驱动器131，多个驱动器131的中心均匀分布于离轴非球面反射镜120的背面的预设直径的圆上。如图4所示，可以在每个离轴非球面反射镜120的背面设置三个驱动器131，三个驱动器131的中心均匀分布于预设直径的圆心上。由此，可以提高离轴非球面反射镜120固定的平稳性，而且，可以使离轴非球面反射镜120的位置形态调节更加灵活、方便。
在本发明的一些实施例中，驱动器131可以为采用压电陶瓷材料制备的压电堆驱动器131。需要说明的是，可以选用具有适当灵敏度、高动态稳定性的压电陶瓷材料制作压电堆驱动器131。由此，可以提高对离轴非球面反射镜120位置形态调节的准确性和可靠性。
假设施加单位电压时单个驱动器131的运动量为γ，施加到每个驱动器131上的电压分别为u1,u2,u3，根据驱动器131的排布可以计算出单块离轴非球面反射镜120引入的平移和倾斜像差补偿量的大小为：
Figure BDA0002707980240000061
若知道平移和倾斜像差的补偿量，根据上式可得到需要施加给驱动器131的电压值为：
Figure BDA0002707980240000062
式中，p表示平移像差，tx和ty表示两个方向的倾斜像差。
根据本发明的一些实施例，驱动器131组件与对应的离轴非球面反射镜120粘接连接。需要说明的是，基座110、能动分块反射镜10背面以及压电堆驱动器131的粘接面需研磨平整以满足平行度要求。驱动组件130与对应的离轴非球面反射镜120之间可以采用特制的粘接胶粘接连接驱动组件和离轴非球面反射镜120，该粘接胶具有足够的静态强度和疲劳强度，即使在几百赫兹频率的拉伸压缩循环负荷长期作用下，胶层尺寸不会产生波长级的变化。
在进行装配时，先将压电堆驱动器131粘接到基座110的特定位置，以满足连接牢固性和结构稳定性，将压电堆驱动器131的未粘接面研磨平整，再测试每个压电堆驱动器131的变形量以及动态特性，满足设计要求后，将离轴非球面反射镜120背面与压电堆驱动器131粘接到一起，能动分块反射镜10整体结构及多块离轴非球面反射镜120排布示意图如图2和图3所示。
在本发明的一些实施例中，如图3所示，多个离轴非球面反射镜120呈直线型排布，相邻的两个离轴非球面反射镜120的间距范围为1.4mm至1.6mm。由此，可以使能动分块反射镜10的整体结构更加紧凑、集中，减小能动分块反射镜10的体积。
如图3所示，三个离轴非球面反射镜120成一字型排布，相邻的两个离轴非球面反射镜120的间距约为1.5mm。由此，既满足了紧凑的结构设计要求，同时也不会影响子镜的偏转。
如图5所示，根据本发明实施例的激光光谱合成系统100，包括：能动分块反射镜10、光栅20、分束镜30、采集装置40及控制装置50。
其中，能动分块反射镜10为根据上述所述的能动分块反射镜10，用于接收多束子束激光并进行反射，生成对应的多束反射激光，光栅20用于接收多束反射激光，并生成合束激光，分束镜30用于接收合束激光并进行分光后输出。采集装置40用于采集合束镜中的激光信息。控制装置50用于接收激光信息，并基于激光信息对能动分块反射镜10进行调节控制。
根据本发明实施例的激光光谱合成系统100，通过合成子束的高占空比排布，实现了空间排布紧凑、高效的高集成度密集组束，避免了受实际系统空间布局制约的问题；采用离轴非球面反射镜120的组束方法，可以分别对光谱合成所需的子束激光波前进行校正，有效提高子束激光的光束质量，保证光谱合成合束后输出激光的合束效率及光束质量；在每块反射镜后面都有三个独立的压电式驱动器131，在三个压电驱动器131的作用下能对每块反射镜的倾斜及平移像差进行单独控制，从而可以根据合成效果实时闭环调整激光子束在色散元件上的入射角及入射位置。
根据本发明的一些实施例，控制装置50基于采集装置40采集的激光信息控制驱动组件130调节对应的离轴非球面反射镜120的位置形态。如图5所示，采集装置40可以为CCD采集模块，控制装置50可以为计算机。
需要说明的是，由CCD采集合束后激光的远场强度分布，然后计算机以此作为评价函数采用适合的控制算法控制离轴非球面反射镜120背面的压电驱动器131加载相应的电压，由此调节各路子束激光在光栅20处的入射角度及位置。
根据本发明实施例的激光光谱合成方法，方法采用如上的激光光谱合成系统100对多束子束激光进行合成，方法包括：
S100，通过多个离轴非球面反射镜接收多束子束激光，并进行反射生成多束反射激光；
S200，通过光栅接收多束反射激光并生成合束激光；
S300，通过分束镜对合束激光进行分光后输出。
根据本发明实施例的激光光谱合成方法，采用离轴非球面反射镜的组束方法，可以分别对光谱合成所需的子束激光波前进行校正，有效提高子束激光的光束质量，保证光谱合成合束后输出激光的合束效率及光束质量；在三个压电驱动器的作用下能对每块反射镜的倾斜及平移像差进行单独控制，从而可以根据合成效果实时闭环调整激光子束在色散元件上的入射角及入射位置。
根据本发明的一些实施例，方法还包括：采集光栅20中的激光信息，并基于激光信息采用随机并行梯度控制算法，控制驱动组件130带动调节离轴非球面反射镜120的位置形态。
随机并行梯度控制算法的迭代过程可如下：
S1，随机生成一组均值为零、服从伯努利分布的微小电压扰动
Figure BDA0002707980240000081
S2，将电压控制信号
Figure BDA0002707980240000082
作用于能动分块反射镜，成像接收系统采集一帧远场光斑图像，计算一定区域内的灰度值积分(PIB)并赋给J+；再将电压控制信号
Figure BDA0002707980240000083
作用于离轴非球面反射镜，采集图像计算相同区域内的灰度值积分并赋给J-；
S3，将控制电压信号更新为
Figure BDA0002707980240000084
其中γ为随机并行梯度控制算法的增益系数；
S4，回到步骤S1并进入下一次算法迭代。
下面参照附图以一个具体的实施例详细描述根据本发明的激光光谱合成系统100及合成方法。值得理解的是，下述描述仅是示例性描述，而不是对本发明的具体限制。
如图5所示，用于光谱合成的子束激光一共有三路，一字型排列(三路子束激光的波前由四波横向剪切干涉仪分别进行测量，根据其波前测量结果制作的离轴非球面反射镜120将安装在能动分块反射镜10上)，三路子束激光入射至能动分块反射镜10上，能动分块反射镜10上共三块离轴非球面反射镜120，与三路子束激光一一对应(面形共轭)，经过能动分块反射镜10反射后，三路子束激光分别以特定的角度入射到光栅20上，实现光谱合成，得到合束后激光输出。
合束后激光经分束镜30分光，由CCD采集弱光的远场强度分布信息，以此作为评价函数，然后由主控计算机采用随机并行梯度算法，控制能动分块反射镜10背面的压电驱动器131加载相应的电压，由此调节各路子束激光在光栅20处的入射角度及位置以达到最佳的合束效果。
如图6所示，对本发明提出的激光光谱合成系统100及合成方法进行了实验，本实验使用能动分块反射镜10来完成三路光束间倾斜像差的校正。如图3和图4所示，该能动分块反射镜10有三块反射镜，相邻反射镜的间距约为1.5mm，每块反射镜后面有3个驱动器131，驱动器131均匀排布在直径a为18mm的圆上，单个驱动器131的谐振频率约为700Hz。
如图6所示，经光谱合成后激光输出光束质量测试曲线可以看出，合成后激光光束质量M2因子保持在1.5以下，说明由能动分块反射镜10控制的光谱合成激光输出保持了良好的合束效果。
综上所述，本发明提出了一种适用于高功率激光光谱合成密集组束的合成系统及合成方法，能够解决现阶段光谱合成激光子束空间排布体积庞大且受实际系统空间布局制约的问题，在系统保持紧凑、高效的高集成度的条件下，提供一种可同时调整光程和光束倾斜的能动分块反射镜10系统，实现同时调整光程、光束倾斜量及其它波前像差的能力，从而保证光谱合成合束后输出激光的合束效率及光束质量。
相比传统的空间分立反射镜的组束方法，本发明具有以下优点：
通过合成子束的高占空比排布，实现了空间排布紧凑、高效的高集成度密集组束，避免了受实际系统空间布局制约的问题；
采用离轴非球面反射镜120的组束方法，可以分别对光谱合成所需的子束激光波前进行校正，有效提高子束激光的光束质量，保证光谱合成合束后输出激光的合束效率及光束质量；
在每块反射镜后面都有三个独立的压电式驱动器131，在三个压电驱动器131的作用下能对每块反射镜的倾斜及平移像差进行单独控制，从而可以根据合成效果实时闭环调整激光子束在色散元件上的入射角及入射位置。
通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

Claims (6)

1.一种能动分块反射镜，其特征在于，包括：
基座；
多个离轴非球面反射镜，每个所述离轴非球面反射镜对应接收一束子束激光，每个所述离轴非球面反射镜的面型均基于接收的所述子束激光进行适配设计；
多组驱动组件，每个所述离轴非球面反射镜均通过一组所述驱动组件固定于所述基座，所述驱动组件用于调节对应的所述离轴非球面反射镜的包括倾斜及平移位置形态；
每组所述驱动组件包括多个采用压电陶瓷材料制备的压电堆驱动器，多个所述驱动器的中心均匀分布于所述离轴非球面反射镜的背面的预设直径的圆上；
其中，控制装置基于采集装置采集的激光信息采用随机并行梯度控制算法，控制驱动组件带动调节离轴非球面反射镜的位置形态，随机并行梯度控制算法的迭代过程可如下：
S1，随机生成一组均值为零、服从伯努利分布的微小电压扰动
Figure FDA0003815980290000011
S2，将电压控制信号
Figure FDA0003815980290000012
作用于能动分块反射镜，成像接收系统采集一帧远场光斑图像，计算一定区域内的灰度值积分并赋给J+；
再将电压控制信号
Figure FDA0003815980290000013
作用于离轴非球面反射镜，采集图像计算相同区域内的灰度值积分并赋给J-；
S3，将控制电压信号更新为
Figure FDA0003815980290000014
其中γ为随机并行梯度控制算法的增益系数；
S4，回到步骤S1并进入下一次算法迭代。
2.根据权利要求1所述的能动分块反射镜，其特征在于，所述驱动器组件与对应的所述离轴非球面反射镜粘接连接。
3.根据权利要求1所述的能动分块反射镜，其特征在于，多个离轴非球面反射镜呈直线型排布，相邻的两个所述离轴非球面反射镜的间距范围为1.4mm至1.6mm。
4.一种激光光谱合成系统，其特征在于，包括：
能动分块反射镜，所述能动分块反射镜为根据权利要求1～3中任一项所述的能动分块反射镜，用于接收多束所述子束激光并进行反射，生成对应的多束反射激光；
光栅，所述光栅用于接收多束所述反射激光，并生成合束激光；
分束镜，所述分束镜用于接收所述合束激光并进行分光后输出；
采集装置，用于采集所述合束镜中的激光信息；
控制装置，用于接收所述激光信息，并基于所述激光信息对所述能动分块反射镜进行调节控制。
5.根据权利要求4所述的激光光谱合成系统，其特征在于，所述采集装置为CCD采集模块。
6.一种激光光谱合成方法，其特征在于，所述方法采用如权利要求4～5中任一项所述的激光光谱合成系统对多束所述子束激光进行合成，所述方法包括：
通过多个所述离轴非球面反射镜接收多束所述子束激光，并进行反射生成多束反射激光；
通过所述光栅接收多束所述反射激光并生成合束激光；
通过所述分束镜对所述合束激光进行分光后输出。
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