CN114185178A - 一种棱镜反射式激光光束均分系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种棱镜反射式激光光束均分系统，包括激光光源、激光整形装置、光束均分装置、空间光束控制矩阵、高算力中心、位置测量装置。激光光源产生均匀分布能量的初始激光。激光整形装置对初始激光进行几何扩束，得到出射激光。光束均分装置将出射激光均匀的分成N束。空间光束控制矩阵对均分后每一束激光在空间方向上进行调整，对特定方向的目标进行指定照射。位置测量装置对目标进行实时空间位置参数检测，并反馈传递至高算力中心。高算力中心根据照射目标的空间要求，自主或者在远程遥控系统的指令下，结合反馈信号闭环调整空间光束控制矩阵的姿态，从而调整N束激光的出射方向与对应目标匹配。

Description

一种棱镜反射式激光光束均分系统

技术领域

本发明属于光学领域，涉及一种激光光束均分系统，适用于星载激光通讯、探测、干扰对抗、照明等。

背景技术

现有激光分束系统大致分为衍射、透射与反射耦合、偏振光以及声波分光等几大类，不同的分束系统虽然均具备对激光光束的分束功能，但在分束效率、分束几何均匀性、能量均匀性、信息传递等不同方面也具有不同类型的损失。

下面以几种典型的分束结构为例进行说明：

1.透射与反射耦合式分束器。以申请号为CN201921174559.0，名称为《一种激光分束打标装置》的中国专利为例，该装置包括用于发射激光束的激光器、设于激光器出光路径上的准直镜，以及打标组件。其原理是通过打标组件将激光透射加反射，从而形成节点式激光分束。在此过程中，每经过一个打标组件节点，激光能量与信息将发生不同程度的损失，因而分束均匀性差。

2.偏振式分束器。以申请号为CN201911075549.6，名称为《一种动态可控激光分束装置》的中国专利为例，该装置包括半波片、偏振分光棱镜、法拉第旋光器、纯相位型液晶空间光调制器、聚焦镜。其原理是偏振分光，利用光的横波偏振性，将不同方向振动的偏振光进行分解后再进行重组，最后达到分光的目的。采用这种方式，在特定应用下需要调制解调，同时不同方向的偏振光所含信息不同，无法达到均分效果。

3.衍射分束器。以申请号为CN202011617549.7，名称为《一种激光分束器》的中国专利为例，该分束器包括表面具有条带图案的衍射光学元件，条带图案由多个单周期图案循环排布组成，每个单周期图案包括交替排布的多个相位基准条带和多个相位调制条带。其原理是利用光的衍射性进行相位调制分光，分束光以条带为主，仅适用于特定应用场景，应用范围较窄，并且存在非均匀性误差。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种分束光多向均一，连续性好，能量与信息传递均匀，空间利用灵活的激光分束系统。

本发明的技术解决方案是：一种棱镜反射式激光光束均分系统，包括激光光源、激光整形装置、光束均分装置、空间光束控制矩阵、高算力中心、位置测量装置，其中：

激光光源：产生均匀分布能量的初始激光；

激光整形装置：对所述初始激光进行几何扩束，得到出射激光；

光束均分装置：将所述出射激光均匀的分成N束，N为不小于2的正整数；

空间光束控制矩阵：对均分后N束激光中的每一束在空间方向上进行调整，分别对特定方向的目标进行指定照射；

位置测量装置：对目标进行实时空间位置参数检测，所检测数据作为反馈信号传递至高算力中心；

高算力中心：驱动激光光源发生均匀分布能量的初始激光；根据照射目标的空间要求，自主或者在远程遥控系统的指令下，结合所述反馈信号闭环调整空间光束控制矩阵的姿态，从而调整N束激光的出射方向与对应目标匹配。

优选所述的光束均分装置为全反射正N棱锥镜，光束分束N≥2。

优选所述的全反射正N棱锥镜的底面与侧面夹角α为45°。

优选所述的出射激光沿垂直于全反射正N棱锥镜的地面的方向入射至侧棱相交顶点处。

优选还包括激光二次整形装置，用于根据目标需要对分束后的激光进行几何扩束。

优选还包括激光放大器，用于根据目标需要对分束后的激光进行能量放大。

优选所述的空间光束控制矩阵配置有镜阵组。

优选所述的空间光束控制矩阵配置有单独的姿态调整装置。

优选所述的姿态调整装置为云台或者偏转器。

优选所述的目标为通讯调制解调接收器、照明目标地点、干扰对抗源或者探测点。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用具有自适应性的光电系统，通过高算力中心作为指挥源，搭载适合不同目标的光学器件，通过全反射正多锥棱镜进行空间均一分束，同时具备对目标检测照射偏差，自适应调整照射位置的功能，与偏振镜、透射镜相比可实现激光在空间多方向的均匀分束，既可以通过对一束激光的分束实现在空间多方向多用途的照射，亦可以实现多束光同时作用于一个目标的多个接收器，因分束光所含能量与信息均匀，连续性好，可稳定提高激光通讯效率；

(2)本发明搭载空间光束控制矩阵主要由空间镜阵组组成，同时镜阵组可配有多自由度旋转云台或偏转器，亦可在单独镜片上配置有云台或偏转器，使分束光在空间光束控制矩阵的作用下具有空间变向调整的能力，空间光束控制矩阵受到高算力中心的指挥，可实现对空间特定目标的特定调整，同时搭载不同光学器件，可同时应用于星载照明、通信、探测、干扰目标，空间利用灵活，目标针对性强。

附图说明

图1为本发明光束均分系统的工作原理图；

图2为本发明光束均分系统的一种实现示意图，其中使用了侧面与底面夹角为45°的全反射正四棱锥镜(光束分束N＝4)；

图3为图2系统中，分束光沿第一路传递的情况示意图；

图4为图2系统中，分束光沿第二路传递的情况示意图；

图5为图2系统中，分束光沿第三路传递的情况示意图；

图6为图2系统中，分束光沿第四路传递的情况示意图；

图7为使用全反射正三棱锥镜(光束分束N＝2)的分束形式示意图。

附图标记

1、激光发射器；2、激光整形器；3、全反射正四棱锥镜；4、空间光束控制矩阵；5、激光二次整形器；6、激光放大器；8、位置测量装置；9、高算力中心；10、远程遥控系统；

71、要求光束截面形状规则、能量均匀的高能的作用目标；72、要求光束截面形状规则、能量分布均匀的作用目标；73、要求光束高能的作用目标；74、对光束截面形状、能量要求低的作用目标；

101、激光初始入射光；201、经整形扩束后的光束；301、经棱镜分束后的第一束光；302、经棱镜分束后的第二束光；303、经棱镜分束后的第三束光；304、经棱镜分束后的第四束光；401、第一束光经空间光束控制矩阵后的出射光；402、第二束光经空间光束控制矩阵后的出射光；403、第三束光经空间光束控制矩阵后的出射光；404、第四束光经空间光束控制矩阵后的出射光；501、第一束光经二次整形器后的出射光；502、第二束光经二次整形器后的出射光；601、第一束光经激光放大器后的出射光；603、第三束光经激光放大器后的出射光。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行进一步的详细说明。

本发明的棱镜反射式激光光束均分系统，基于全反射正多棱锥镜核心，针对不同空间目标，不同应用条件，搭载不同光学器件，从而形成均匀高效的分光系统。如图1所示，其组成主要包括激光光源(如激光发射器)、激光整形装置(如激光整形器)、光束均分装置(如全反射正多棱锥镜，光束分束N≥2)、空间光束控制矩阵、激光二次整形装置、激光放大器、高算力中心、位置测量装置、遥控系统，以及空间光束控制矩阵子系统姿态调整装置等等。其主要是经远程遥控系统向本地高算力中心发出指令，或由本地高算力中心自动识别计算并发出指令，驱动激光光源发生均匀分布能量的初始出射激光，初始激光入射至激光整形装置进行几何扩束后垂直全反射正多棱锥镜底面，照射至侧棱相交顶点处，经全反射正多棱锥镜反射后均匀地分成空间多束光路，搭配的空间光束控制矩阵，可将分束光在空间方向进行调整，对特定方向目标进行指定照射，同时可搭载二次整形器、激光放大器，对不同作用目标的光束进行特定的整理，以达到空间多目标多用途的灵活利用或起到提高光束信息传递效率的作用。

空间光束控制矩阵主要由空间镜阵组组成，同时镜阵组可配有多自由度旋转云台或偏转器，亦可在单独一片或几片镜片上配置有云台或偏转器，使分束光在空间光束控制矩阵的作用下具有空间变向调整的能力，空间光束控制矩阵受到高算力中心的指挥，可实现对空间特定目标的特定调整，云台或偏转器即为。

空间调整后的分束光可根据不同的照射目标选配有不同的光学器件，例如照射一个需要圆形、低能量、较大范围的探测作用目标时，可选配有二次整形器，进行分束光的几何形状修整；照射一个需要较高能量，无关于光束几何形状的对抗目标时，可选配有激光放大器，以提高照射能量，实现对目标的对抗和打击作用。

位置测量装置将对照射目标进行实时空间位置参数检测，所检测数据作为反馈信号传递至高算力中心，由高算力中心根据照射目标的空间要求，对空间光束控制矩阵的姿态调整子系统进行指令调整，经空间光束矩阵调整出射姿态后，光束可以是空间多方位的。

高算力中心是一种可以接收信号，具备复杂计算能力，并可以传递或发出指令的计算机。主要作用可以实现对遥控指令的接收与传递，对激光源发出指令控制激光的发射与关闭；对分束光照射目标检测信号进行接收，计算获得空间位置参数准确偏差后针对空间光束控制矩阵的特定空间变向特性对空间光束控制矩阵的姿态调整子系统进行指令调整，使分束光经由空间光束控制矩阵后可以准确照射目标；对整个系统进行任务规划与指令下达。

如图2所示，经远程遥控系统10向本地高算力中心9发出指令，或由本地高算力中心9自动识别发出指令，驱动激光发射器1发生均匀分布能量的初始出射激光101，激光101入射至激光整形器2进行几何扩束，发生出射激光201，经激光整形器2扩束后，激光201几何截面增大，面能量密度减小，总能量不变，能量分布保持均匀。激光201垂直全反射正四棱锥镜3正方形底面，照射至四条侧棱相交顶点处，经全反射正四棱锥镜3反射后均匀地分成四束，分别为经棱镜分束后的第一束光301、经棱镜分束后的第二束光302、经棱镜分束后的第三束光303、经棱镜分束后的第四束光304。

经棱镜分束后的激光入射至空间光束控制矩阵4，空间光束控制矩阵4主要作用是尽量保证不损失激光能量、不改变激光形态的基础上，改变激光照射的空间方位，空间光束控制矩阵4可以搭载姿态调整子系统，该子系统可提升空间光束控制矩阵4对激光空间方位改变的灵活性。不同方位的分束光可以进行不同的处理后起到不同的作用。

如图2、3所示，第一束光301经空间光束控制矩阵4改变空间方位后形成出射光401，由于在全反射分束后，各分束光相对于入射光的几何形态发生了改变，因此，在照射目标对激光光束截面几何形状有要求的情况下，须对激光截面进行规则均匀化处理。经空间光束控制矩阵4后的出射光401入射至激光二次整形器5，经过规则均匀化整形处理后，形成二次整形出射光501。

由于全反射镜受照射的激光能量不能过高，因此分束后的激光能量亦较小，在照射目标对激光光束能量有要求的情况下，须对激光进行能量放大处理。规则均匀光束501经激光放大器6，放大后形成高能激光601，而后，对要求光束截面形状规则、能量分布均匀的高能的作用目标71(通常可以是要求照射激光高能聚集、圆形的激光毁伤、激光切割目标，可实现例如激光切割机的作用)进行照射。

如图2、4所示，第二束光302经空间光束控制矩阵4改变空间方位后形成出射光402，入射至激光二次整形器5，经过规则均匀化整形处理后，形成二次整形出射光502，而后，对要求光束截面形状规则、能量分布均匀的作用目标72(例如通常可以是形状规则，避免光照范围缺失，且范围较大的激光探测目标，可实现例如激光雷达作用)进行照射。

如图2、5所示，第三束光303经空间光束控制矩阵4改变空间方位后形成出射光403，入射至激光放大器6，放大后形成高能激光603，而后，对要求光束高能的作用目标73(例如通常可以是对激光形状要求不高，能量需要高能聚集的对抗或干扰目标，例如对相机成像干扰)进行照射。

如图2、6所示，第四束光304经空间光束控制矩阵4改变空间方位后形成出射光404，可用于对光束截面形状、能量要求低的作用目标74(例如通常可以是辅助照明目标)直接照射。

本系统搭载的下游光学器件可同样配置姿态调整子系统，接收高算力中心9的控制指令，姿态调整为与空间光束控制矩阵4出射的激光光束相互水平状态。

上述实施例中，采用的光束均分装置为全反射正四棱锥镜3，更一般的，还可以采用全反射正多棱锥镜(侧棱数L≥3，分束N≥3)。亦可以根据实际需求采用全反射等腰三角形三棱柱镜(分束N＝2)。如图7所示，图7(a)为分束N＝2时激光分束三维示意图，图7(b)为正视图。

全反射正多棱锥镜底面与侧面夹角为45°(α＝45°)。亦可以根据实际需求采用底面与侧面夹角采用其他角度的正多棱锥镜(90°＞α＞0°)。

空间光束控制矩阵4配置子系统姿态调整装置，该装置可以是云台、偏转器等整体改变空间光束控制矩阵空间位置的装置或独立改变镜阵组中独立镜片空间位置的装置。空间光束控制矩阵亦可以是静态镜阵组，能起到尽量不影响激光光束性能只对空间姿态调整的作用即可。

空间光束控制矩阵4与下游光学器件可共用一套姿态调整装置，同时改变空间方位，以便下游光学器件捕捉激光光束，亦可分用多套姿态调整装置，每个或每套下游光学器件搭载一套姿态调整装置，空间利用性更为灵活。

经光束均分系统均分后的分束光可对不同空间目标进行不同作用的目标照射，例如通过激光源发射一束激光，在一种棱镜反射式激光光束均分系统作用下，即可分别对空间多个方向的照明、对抗干扰、探测、通讯目标进行照射。因分束光所含信息是相同的，亦可进行多接收器目标同时解码的高效通讯，例如多束分束光同时照射远距离某一地点的多个接收器，因每束激光所含信息相同，多个接收器同时解调激光所含信息，可缩短解码时间，提高通讯效率。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种棱镜反射式激光光束均分系统，其特征在于：包括激光光源、激光整形装置、光束均分装置、空间光束控制矩阵、高算力中心、位置测量装置，其中：

激光光源：产生均匀分布能量的初始激光；

激光整形装置：对所述初始激光进行几何扩束，得到出射激光；

光束均分装置：将所述出射激光均匀的分成N束，N为不小于2的正整数；

空间光束控制矩阵：对均分后N束激光中的每一束在空间方向上进行调整，分别对特定方向的目标进行指定照射；

位置测量装置：对目标进行实时空间位置参数检测，所检测数据作为反馈信号传递至高算力中心；

高算力中心：驱动激光光源发生均匀分布能量的初始激光；根据照射目标的空间要求，自主或者在远程遥控系统的指令下，结合所述反馈信号闭环调整空间光束控制矩阵的姿态，从而调整N束激光的出射方向与对应目标匹配。

2.根据权利要求1所述的一种棱镜反射式激光光束均分系统，其特征在于，所述的光束均分装置为全反射正N棱锥镜，光束分束N≥2。

3.根据权利要求2所述的一种棱镜反射式激光光束均分系统，其特征在于，所述的全反射正N棱锥镜的底面与侧面夹角α为45°。

4.根据权利要求2或3所述的一种棱镜反射式激光光束均分系统，其特征在于，所述的出射激光沿垂直于全反射正N棱锥镜的地面的方向入射至侧棱相交顶点处。

5.根据权利要求1或2所述的一种棱镜反射式激光光束均分系统，其特征在于，还包括激光二次整形装置，用于根据目标需要对分束后的激光进行几何扩束。

6.根据权利要求1或2所述的一种棱镜反射式激光光束均分系统，其特征在于，还包括激光放大器，用于根据目标需要对分束后的激光进行能量放大。

7.根据权利要求1或2所述的一种棱镜反射式激光光束均分系统，其特征在于，所述的空间光束控制矩阵配置有镜阵组。

8.根据权利要求1或2所述的一种棱镜反射式激光光束均分系统，其特征在于，所述的空间光束控制矩阵配置有单独的姿态调整装置。

9.根据权利要求8所述的一种棱镜反射式激光光束均分系统，其特征在于，所述的姿态调整装置为云台或者偏转器。

10.根据权利要求1所述的一种棱镜反射式激光光束均分系统，其特征在于，所述的目标为通讯调制解调接收器、照明目标地点、干扰对抗源或者探测点。

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