CN113219683B - 一种基于单个声光偏转的平行激光分束装置及调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单个声光偏转的平行激光分束装置及调节方法，属于光电子及激光技术领域，平行激光分束装置包括：激光分束单元，用于基于声光偏转原理对以布拉格衍射角入射的第n级入射光进行分束，输出相应的零级衍射光和+1级衍射光，各级入射光相应的+1级衍射光相互平行，n＝1，2，……，N，N为装置输出激光的数量，第一级入射光为外部输入的光信号；光路改变单元，用于改变第k级入射光相应的零级衍射光的方向，方向改变后的零级衍射光形成为第k+1级入射光，k＝1，2，……，N‑1。多级分束仅需一个分束元件，降低成本，减少装置空间体积，可用于多种分束场景，各级入射光均以布拉格衍射角出射，保证各级出射光严格平行，无需增加准直元件。

Description

一种基于单个声光偏转的平行激光分束装置及调节方法

技术领域

本发明属于光电子及激光技术领域，更具体地，涉及一种基于单个声光偏转的平行激光分束装置及调节方法。

背景技术

分束器的主要作用是将一束能量/功率较高的激光进行重新分配，达到提升加工效率的目的。随着激光技术的不断提高，输出激光的功率/能量也越来越高，尤其是精密未加工领域用的超短脉冲激光器。输出功率的提高通过提升单脉冲能量或提升输出频率的方式实现。随着超快激光器朝高重复频率、高脉冲能量方向发展，针对高重复频率、高平均功率的激光光源，通常采用分束技术实现多光束的并行加工，来提升激光光源的加工效率以及激光器系统的能量利用率。因此，超高速激光加工技术是未来激光加工技术的发展方向，其中，分束器是该系统的核心单元器件之一。

根据分束原理可以将激光分束器分为折射激光分束器和衍射激光分束器。衍射激光分束器的典型代表是衍射光学元件(Diffractive Optical Elements，DOE)，其根据输入光束的特点，通过加载复杂结构，使这些光场在特定输出面进行衍射传输及干涉叠加，形成特定的多光束分布。这类分束器对制作要求极为苛刻，很小的制作误差将导致目标衍射场外高级衍射增加，使分束均匀性及衍射效率下降。传统折射型分束器如透镜阵列及棱镜阵列，这类分束器是对输入激光波前进行分割，定制的镜组阵列会使得分束器成本上升。传统分束装置出射光通常是非平行光，需要加入一组傅里叶透镜对出射光进行准直。除此之外，分束器能量分配一旦确定后，无法动态调整。

现有技术中，通过多个单一分束器件级联可以实现一分多系统，虽然可以实现分束能量的动态调节，但是，随着分束光数量的增加，所需分束器件将随之增加，进而增加分束系统的成本。此外，分束光路会随着级联分束器件数量的增加显著增长，带来不便。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于单个声光偏转的平行激光分束装置及调节方法，其目的在于同时实现可调能量分束与激光准直的基础上，降低装置成本，并压缩分束光路，减小装置空间体积。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于单个声光偏转的平行激光分束装置，包括：激光分束单元，用于基于声光偏转原理对以布拉格衍射角入射的第n级入射光进行分束，输出相应的零级衍射光和+1级衍射光，各级入射光的入射位置不同，各级入射光相应的+1级衍射光相互平行，n＝1，2，……，N，N为所述装置输出的平行激光的束数，第一级入射光为外部输入的光信号；光路改变单元，用于改变第k级入射光相应的零级衍射光的方向，使得方向改变后的第k级零级衍射光形成为第k+1级入射光，所述第k+1级入射光以所述布拉格衍射角入射至所述激光分束单元，k＝1，2，……，N-1。

更进一步地，所述光路改变单元包括多个反射镜，所述多个反射镜位于所述激光分束单元的周围，用于对所述第k级入射光相应的零级衍射光进行多次反射以形成所述第k+1级入射光。

更进一步地，所述多个反射镜的数量、光束入射角和位置可调节，用于改变后N-1级入射光在所述激光分束单元上的入射位置，以改变各+1级衍射光的能量。

更进一步地，还包括：第一光电探测器，位于所述激光分束单元的输出光路上，用于分别将各+1级衍射光转换为电信号，以探测各+1级衍射光的能量。

更进一步地，还包括：第二光电探测器，位于第N级入射光相应的零级衍射光的光路上，用于将所述第N级入射光相应的零级衍射光转换为电信号，以探测所述第N级入射光相应的零级衍射光的能量。

更进一步地，所述激光分束单元包括声光偏转模块和超声场产生模块；所述超声场产生模块用于在所述声光偏转模块上产生超声场；所述声光偏转模块用于接收以布拉格衍射角入射的第n级入射光，第n级入射光经过所述超声场后沿超声场平面方向偏转并以布拉格衍射角射出，形成为所述+1级衍射光，未偏转的出射光形成为所述零级衍射光；所述声光偏转模块各入射位置处的衍射效率沿远离所述超声场产生模块的方向逐渐衰减。

按照本发明的另一个方面，提供了一种如上所述的基于单个声光偏转的平行激光分束装置的调节方法，包括：S1，基于第一级入射光的能量、各+1级衍射光的预期能量计算各级入射光对应的衍射效率；S2，基于各级入射光对应的衍射效率计算各级入射光在激光分束单元上的目标入射位置；S3，调节第一级入射激光的入射位置为其对应的目标入射位置，并调节光路改变单元，使得方向改变后形成的后N-1级入射光的入射位置分别为其对应的目标入射位置。

更进一步地，所述S2之前还包括：计算所述激光分束单元(1)上入射位置与衍射效率之间的对应关系，所述S2中基于各级入射光对应的衍射效率以及所述对应关系计算各级入射光在所述激光分束单元(1)上的目标入射位置；所述对应关系为：

其中，x为入射位置，η(x)为入射位置x处的衍射效率，λ为入射光波长，M₂为声光优值，L和H分别为所述激光分束单元中压电换能器的长度和宽度，P_in为所述压电换能器表面下方贴近位置处测得的注入声功率，a为吸声系数，f为声频率。

更进一步地，所述光路改变单元包括多个反射镜，所述S3中调节光路改变单元包括：调节所述光路改变单元中反射镜的数量、光束入射角和位置。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)多级分束仅采用一个分束器件，对以布拉格衍射角入射的入射光进行分束，输出相应的零级衍射光和+1级衍射光，通过光路改变单元改变零级衍射光的方向，使得方向改变后的零级衍射光以布拉格衍射角入射至分束器件，再次输出一对零级衍射光和+1级衍射光，以此类推，得到预设数量束以布拉格衍射角射出的、互相平行的+1级衍射光，无需增加准直元件，且仅需一个分束元件，压缩分束光路，降低成本，减少装置空间体积，可用于多种分束场景；

(2)对于分束器件而言，其衍射效率与入射光的入射位置相关，通过改变各级入射光的入射位置来改变各级入射光的衍射效率，从而调节各级出射光的能量，分束的能量动态可调；此外，利用多个反射镜形成光路改变单元，反射镜的位置、光束入射角和数量都是可调节的，可以通过调节反射镜的位置和数量来改变各级入射光的入射位置，由此，无需增加分束器件的数量，在不改变、微增加甚至减小装置体积的基础上实现分束能量的动态可调。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于单个声光偏转的平行激光分束装置的结构示意图；

图2A-2C分别为本发明实施例提供的激光分束单元的侧视图、正视图和俯视图；

图3为本发明实施例提供的激光分束单元中声光偏转的基本原理图；

图4A为本发明实施例中相对声能量与距离最佳衍射效率点距离x的关系图；

图4B为本发明实施例中衍射效率与距离最佳衍射效率点距离x的关系图；

图5为本发明实施例中第一光电探测器观测到的分束光斑图像。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

1为激光分束单元，2为光路改变单元，3为第一光电探测器，4为第二光电探测器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

图1为本发明实施例提供的基于单个声光偏转的平行激光分束装置的结构示意图。参阅图1，结合图2A-图5，对本实施例中基于单个声光偏转的平行激光分束装置进行详细说明。

基于单个声光偏转的平行激光分束装置包括激光分束单元1和光路改变单元2。激光分束单元1可以基于声光偏转原理对以布拉格衍射角入射的入射光进行分束，输出相应的零级衍射光和+1级衍射光，+1级衍射光以布拉格衍射角射出。本实施例中，激光分束单元1基于声光偏转原理对以布拉格衍射角入射的第n级入射光进行分束，输出相应的零级衍射光和+1级衍射光，n＝1，2，……，N，N为装置输出的平行激光的束数。各级入射光的入射位置不同，各级入射光相应的+1级衍射光均以布拉格衍射角射出，由此各+1级衍射光相互平行。光路改变单元2用于改变第k级入射光相应的零级衍射光的方向，使得方向改变后的第k级零级衍射光形成为第k+1级入射光，该第k+1级入射光以布拉格衍射角入射至激光分束单元1，k＝1，2，……，N-1。其中，第一级入射光为外部输入的光信号。可以基于声场在激光分束单元1的晶体内从压电换能器到远端传输逐渐衰减的原理，通过调节各级入射光的入射位置，改变各级入射光相应的零级衍射光和+1级衍射光的能量。

本发明实施例中，光路改变单元2包括多个反射镜，反射镜优选为全反射镜。该多个反射镜位于激光分束单元1的周围，用于对第k级入射光相应的零级衍射光进行多次反射以形成第k+1级入射光。图1中示出了1分4分束时的情况，即N＝4时光路改变单元2的一种结构，光路改变单元2包括六个全反射镜2.1-2.6，这六个反射镜围绕着激光分束单元1设置，以对零级衍射光进行多次反射后输入至激光分束单元1中。可以理解的是，N＝4时光路改变单元2也可以有其他结构形式，也可据此设计其他分束场景下的光路改变单元2。

以图1中示出的1分4分束情况为例，入射光I₀以布拉格衍射角入射至激光分束单元1，输出的+1级衍射光作为第一束出射光I₁，零级衍射光通过多个全反射镜反射后入射至更靠近压电换能器的位置，同样以布拉格衍射角入射，并依次靠近压电换能器，入射位置处衍射效率逐渐上升，以此类推，得到第二束出射光I₂、第三束出射光I₃和第四束出射光I₄，这四束出射光的方向与水平方向之间的夹角均为布拉格衍射角，即这四束出射光严格平行，实现了出射光的准直。

激光分束单元1包括声光偏转模块和超声场产生模块，其侧视图、正视图和俯视图分别如图2A、图2B和图2C所示。超声场产生模块用于在声光偏转模块上产生超声场，超声场的方向例如沿Y轴方向。声光偏转模块用于接收以布拉格衍射角θ_B入射的入射光，该入射光经过超声场后沿超声场平面方向偏转并以布拉格衍射角θ_B射出，形成为+1级衍射光，如图3所示，未偏转的出射光形成为零级衍射光，零级衍射光最终形成为下一级的入射光。

超声场产生模块包括射频驱动电源、压电换能器和声光互作用介质。压电换能器为附着于声光互作用介质表面的一层薄金属片，且压电换能器中压电层两端的电极层与射频驱动电源相连接。声光互作用介质设置在声光偏转模块内。工作时，射频驱动电源在射频信号的驱动下工作，从而在压电换能器位置实现电到机械运动的转化，当机械运动作用于声光互作用介质时形成具有体光栅性质的能量可调的超声场。压电换能器包括LN晶体，声光互作用介质为熔石英、石英晶体、氧化碲或钼酸铅。

入射光束以布拉格衍射角θ_B入射激光分束单元1，θ_B与超声场产生模块有关。具体地，假设声光互作用介质的折射率为n₁，介质内的声速为v，声频率为f，声光优值为M₂；压电换能器的宽度为H，长度为L；入射光在空气中的波长为λ。布拉格衍射角θ_B可表示为：

本实施例中，以压电换能器宽度H＝3mm、长度L＝30mm、声光互作用介质为石英晶体、折射率n₁＝1.55、声光优值M₂＝3.5×10^-15s³/kg、声频率f＝68MHz、介质内的声速v＝5750m/s、入射光波长λ＝1064nm为例，空气中布拉格衍射角θ_B为：

声场在压电换能器下方的传输并非是均匀的，压电换能器大小有限以及声光互作用介质中存在的声吸收会造成声场在功率、空间分布的不均匀。声场在声光材料中传输时，在压电换能器近端出现起伏波动，在压电换能器远端随着传输距离的增加而起伏波动减小，且功率呈衰减的趋势。因此，通过调整激光在压电换能器下方的入射位置，可以实现不同衍射效率的激光输出，继而调节分束能量比例。

每一级出射光的能量与入射激光分束单元1的衍射效率密切相关，即与入射激光分束单元1的位置密切相关。可以通过改变每一级入射光的入射位置来改变其对应出射光的能量。本实施例中，对于包括多个反射镜的光路改变单元2而言，可以通过调节反射镜的数量、光束入射角和位置，来改变后N-1级入射光在激光分束单元1上的入射位置，以改变后N-1级入射光的衍射效率，从而改变各+1级衍射光的能量。其中，入射光I₀的入射位置可以在使用时根据需求自主设置。

具体地，各级出射光的能量可以表示为：

I₁＝I₀η₁

I₂＝I₀(1-η₁)η₂

……

其中，I_n为第n级出射光的能量，η_n为第n级入射光入射位置处的衍射效率。衍射效率η_n可以表示为：

其中，P_n为第n级衍射光入射位置的声功率。进一步地，定义吸声系数α：

吸声系数α表示传输声频率f下，声波每传输1cm后剩余声能量与注入声能量的比值。实际使用中，根据不同的注入声功率，最佳衍射效率点可能有所偏移，需先测得最佳效率点，然后以该点为基准，可以得到其余所需的衍射效率点位置。结合上述吸声系数α的表达式，可以得到晶体中声能量随距离最佳衍射效率点x位置的变化图。

其中，P_out(x)为距离换能器x位置的声功率，P_in为压电换能器表面下方贴近位置测得的注入声功率。将对应功率代入衍射效率η_n的公式，即可得不同位置的衍射效率：

相对声能量与位置之间的关系曲线例如如图4A所示，衍射效率与位置之间的关系曲线例如如图4B所示。调节该基于单个声光偏转的平行激光分束装置时，可以基于第一级入射光的能量、各+1级衍射光的预期能量计算各级入射光对应的衍射效率，并基于各级入射光对应的衍射效率计算各级入射光在激光分束单元1上的目标入射位置。

仍以图1中示出的1分4平行激光分束装置为例，当要求等能量分束时，每一级入射光入射位置处激光分束单元1的衍射效率分别为25％、33.3％、50％、100％。计算找到最佳衍射效率点，该衍射效率点的衍射效率为100％，该衍射效率点为第4级入射光的入射位置，记为0mm，利用以上不同位置衍射效率的计算式，计算得到第3级入射光、第2级入射光、第1级入射光的入射位置分别为73.78mm、99.74mm、116.9mm。各级出射光的间距为：

d_i＝(x_i-x_i-1)cosq_B

由于布拉格衍射角非常小，因此cosq_B≈1，各级出射光的间距可近似表示为：

d_i≈(x_i-x_i-1)

本发明实施例中，基于单个声光偏转的平行激光分束装置还包括第一光电探测器3，位于激光分束单元1的输出光路上，用于分别将各+1级衍射光转换为电信号，以探测各+1级衍射光的能量。对于上述1分4且能量等分的平行激光分束装置，第一光电探测器3观测到的分束光斑图像如图5所示，可以看出，四束出射光能量大小相等，且间距d₁＝73.7785mm、d₂＝25.9595mm、d₃＝17.1597mm。

本发明实施例中，基于单个声光偏转的平行激光分束装置还包括第二光电探测器4，位于第N级入射光相应的零级衍射光的光路上，用于将第N级入射光相应的零级衍射光转换为电信号，以探测第N级入射光相应的零级衍射光的能量，该零级衍射光可以作为监控装置稳定性的参考光束。

实际应用中，可以根据第一光电探测器3上测得的能量分布，调节第一级入射光的注入功率微调各级出射光的能量，或者调节各反射镜的位置和数量调节各级入射光的入射位置来调节各级出射光的能量。当第一级入射光的能量发生波动时，第二光电探测器4上测得的出射光也会发生波动，可以通过第二光电探测器4的探测结果监测入射激光的稳定性。

本发明实施例还提供了一种如图1-图5所示基于单个声光偏转的平行激光分束装置的调节方法，包括操作S1-操作S3。

操作S1，基于第一级入射光的能量、各+1级衍射光的预期能量计算各级入射光对应的衍射效率。

在执行操作S2之前，还包括：计算激光分束单元1上入射位置与衍射效率之间的对应关系：

操作S2，基于各级入射光对应的衍射效率计算各级入射光在激光分束单元1上的目标入射位置。具体地，根据上述对应关系，基于各级入射光对应的衍射效率计算各级入射光在激光分束单元1上的目标入射位置。

操作S3，调节第一级入射激光的入射位置为其对应的目标入射位置，并调节光路改变单元2，使得方向改变后形成的后N-1级入射光的入射位置分别为其对应的目标入射位置。具体地，光路改变单元2包括多个反射镜，通过调节反射镜的数量、光束入射角和位置来改变各级入射光的入射位置。

该方法中的具体操作与图1-图5所示实施例中基于单个声光偏转的平行激光分束装置的调节过程相同，此处不再赘述。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于单个声光偏转的平行激光分束装置，其特征在于，包括：

激光分束单元(1)，用于基于声光偏转原理对以布拉格衍射角入射的第n级入射光进行分束，输出相应的零级衍射光和+1级衍射光，各级入射光的入射位置不同，各级入射光相应的+1级衍射光相互平行，n＝1，2，……，N，N为所述装置输出的平行激光的束数，第一级入射光为外部输入的光信号；

光路改变单元(2)，用于改变第k级入射光相应的零级衍射光的方向，使得方向改变后的第k级零级衍射光形成为第k+1级入射光，所述第k+1级入射光以所述布拉格衍射角入射至所述激光分束单元(1)，k＝1，2，……，N-1；

所述光路改变单元(2)包括多个反射镜，所述多个反射镜位于所述激光分束单元(1)的周围，用于对所述第k级入射光相应的零级衍射光进行多次反射以形成所述第k+1级入射光。

2.如权利要求1所述的基于单个声光偏转的平行激光分束装置，其特征在于，所述多个反射镜的数量、光束入射角和位置可调节，用于改变后N-1级入射光在所述激光分束单元(1)上的入射位置，以改变各+1级衍射光的能量。

3.如权利要求1所述的基于单个声光偏转的平行激光分束装置，其特征在于，还包括：第一光电探测器(3)，位于所述激光分束单元(1)的输出光路上，用于分别将各+1级衍射光转换为电信号，以探测各+1级衍射光的能量。

4.如权利要求1所述的基于单个声光偏转的平行激光分束装置，其特征在于，还包括：第二光电探测器(4)，位于第N级入射光相应的零级衍射光的光路上，用于将所述第N级入射光相应的零级衍射光转换为电信号，以探测所述第N级入射光相应的零级衍射光的能量。

5.如权利要求1-4任一项所述的基于单个声光偏转的平行激光分束装置，其特征在于，所述激光分束单元(1)包括声光偏转模块和超声场产生模块；

所述超声场产生模块用于在所述声光偏转模块上产生超声场；

所述声光偏转模块用于接收以布拉格衍射角入射的第n级入射光，第n级入射光经过所述超声场后沿超声场平面方向偏转并以布拉格衍射角射出，形成为所述+1级衍射光，未偏转的出射光形成为所述零级衍射光；所述声光偏转模块各入射位置处的衍射效率沿远离所述超声场产生模块的方向逐渐衰减。

6.一种如权利要求1-5任一项所述的基于单个声光偏转的平行激光分束装置的调节方法，其特征在于，包括：

S1，基于第一级入射光的能量、各+1级衍射光的预期能量计算各级入射光对应的衍射效率；

S2，基于各级入射光对应的衍射效率计算各级入射光在激光分束单元(1)上的目标入射位置；

S3，调节第一级入射激光的入射位置为其对应的目标入射位置，并调节光路改变单元(2)，使得方向改变后形成的后N-1级入射光的入射位置分别为其对应的目标入射位置。

7.如权利要求6所述的调节方法，其特征在于，所述S2之前还包括：计算所述激光分束单元(1)上入射位置与衍射效率之间的对应关系，所述S2中根据所述对应关系以及各级入射光对应的衍射效率计算各级入射光在所述激光分束单元(1)上的目标入射位置；

所述对应关系为：

其中，x为入射位置，η(x)为入射位置x处的衍射效率，λ为入射光波长，M₂为声光优值，L和H分别为所述激光分束单元(1)中压电换能器的长度和宽度，P_in为所述压电换能器表面下方贴近位置处测得的注入声功率，α为吸声系数，f为声频率。

8.如权利要求6所述的调节方法，其特征在于，所述光路改变单元(2)包括多个反射镜，所述S3中调节光路改变单元(2)包括：调节所述光路改变单元(2)中反射镜的数量、光束入射角和位置。

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