CN114217447A - 一种激光束整形变换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光束整形变换装置，包括：第一电调镜、第二电调镜、圆锥镜组光束变换器、分光取样镜和反射镜，输入激光光束依次经第一电调镜和第二电调镜的反射进入圆锥镜组光束变换器，所述圆锥镜组光束变换器射出的光束经分光取样镜和反射镜后获得输出光束；其中，所述圆锥镜组光束变换器包括凹锥镜、凸锥镜和镜筒，所述凹锥镜和凸锥镜分别设置于镜筒两端；所述凹锥镜为轴对称圆形截面透镜，光线入射面为凹圆锥面，另一面为平面；所述凸锥镜为轴对称圆形截面透镜，光线入射面为凸圆锥面，另一面为平面；且凹锥镜侧为激光光线输入端，凸锥镜侧为光线输出端。实现了从高斯束到环形束的激光束整形变换，能量转换效率高，光束质量好。

Description

一种激光束整形变换装置
技术领域
本发明属于激光发射传输应用中的光束整形技术领域，尤其涉及一种把高斯光束整形变换为环形束的激光束整形变换装置。
背景技术
在激光空间通信、激光雷达、激光定向能系统等激光发射接收应用中，需要使用有次镜中心遮拦的卡塞格林望远镜发射激光束,发射光束需要空心的环形束。高功率光纤激光器输出的激光束通常为高斯光束，光强分布为中心部分强边沿部分弱；直接耦合到卡塞格林望远镜发射，光束中心部分被次镜遮拦和后向反射，损失激光发射效率，降低目标处功率密度，反射光给内部激光器或探测器造成干扰或损害。为了解决这个问题，需要把高斯光束整形变换为环形束。如图1所示。
目前为了解决这个问题，目前采用的技术路线主要有两种：1)激光器谐振腔设计为非稳腔，直接输出环形束；2)对于激光器输出的实心光束，在光斑中心安装一个小尺寸的反射镜，把中心部分的光束挡住或反射到吸收池中，只让边沿部分的激光环形部分进入卡塞格林望远镜。
但是，上述两种技术路线都有缺陷。高功率光纤激光器不适合于采用非稳腔方案；把实心光束中心部分挡住或反射到吸收池的办法，造成光束能量损耗，降低发射效率。
发明内容
本发明的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了一种激光束整形变换装置，采用凹圆锥镜和凸圆锥镜组合实现光束变换，把实心束变换为环形光束。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
一种激光束整形变换装置，所述激光束整形变换装置包括：第一电调镜、第二电调镜、圆锥镜组光束变换器、分光取样镜和反射镜，第一电调镜、第二电调镜设置于圆锥镜组光束变换器的光线输入端，分光取样镜和反射镜设置于圆锥镜组光束变换器的光线输出端；输入激光光束依次经第一电调镜和第二电调镜的反射进入圆锥镜组光束变换器，所述圆锥镜组光束变换器射出的光束经分光取样镜和反射镜后获得输出光束；其中，所述圆锥镜组光束变换器包括凹锥镜、凸锥镜和镜筒，所述凹锥镜和凸锥镜分别设置于镜筒两端；所述凹锥镜为轴对称圆形截面透镜，光线入射面为凹圆锥面，另一面为平面；所述凸锥镜为轴对称圆形截面透镜，光线入射面为凸圆锥面，另一面为平面；且凹锥镜侧为激光光线输入端，凸锥镜侧为光线输出端。
根据一个优选的实施方式，所述第一电调镜被配置为能够实现二维偏转，以完成入射光束与圆锥镜组光束变换器的同心性调节。
根据一个优选的实施方式，所述第二电调镜被配置为能够实现二维偏转，以完成入射光束与圆锥镜组光束变换器的光轴一致性调节。
根据一个优选的实施方式，所述激光束整形变换装置还包括光束探测器和信号处理与控制器，所述光束探测器设置于所述分光取样镜的后端，采集分光取样镜透射出的光束信号；所述光束探测器被配置为实现探测光束的近场和远场光强分布，所述信号处理与控制器被配置为基于处理光束探测器中的图像信号，完成入射光束与圆锥镜组光束变换器之间的偏心误差和离轴误差计算。
根据一个优选的实施方式，所述信号处理与控制器还分别与第一电调镜和第二电调镜电性相连，基于计算获得的入射光束与圆锥镜组光束变换器之间的偏心误差和离轴误差完成第一电调镜和第二电调镜的偏转角度调整。
根据一个优选的实施方式，所述光束探测器包括物镜、目镜、分光镜、聚焦透镜、近场相机和远场相机；将分光取样镜透射的光束依次经物镜、目镜进入分光镜，分光镜分出的两光束分别射入近场相机以及经聚焦透镜进入远场相机；其中近场相机被配置为实现整形后环形束的光强分布探测，远场相机被配置为实现光束焦斑光强分布探测。
根据一个优选的实施方式，所述物镜和目镜构成缩束望远镜，实现缩小采样光束的直径直至与近场相机的感光面尺寸匹配。
根据一个优选的实施方式，所述分光取样镜的光强透射率为0.1％-1％。
根据一个优选的实施方式，所述凹锥镜为熔石英玻璃或其他光学材料制成。
根据一个优选的实施方式，所述凸锥镜为熔石英玻璃或其他光学材料制成。
前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。
本发明的有益效果：本发明激光束整形变换装置采用圆锥镜组光束变换器3实现从高斯束到环形束的光束整形变换，通过光束探测器6实时检测光束与圆锥镜组之间的偏心和离轴误差，通过两个电调镜的闭环控制，消除激光热效应、环境振动和结构变形等导致的偏心、离轴误差，确保输出光束的光束质量。从而实现了从高斯束到环形束的激光束整形变换，能量转换效率高，光束质量好。
附图说明
图1是传统有次镜中心遮拦的卡塞格林望远镜激光发射接收原理示意图；
图2是本发明激光束整形变换装置的原理结构示意图；
图3是本发明激光束整形变换装置的圆锥镜组光束变换器结构示意图；
图4是本发明激光束整形变换装置的光束探测器结构示意图；
其中，1-第一电调镜，2-第二电调镜，3-圆锥镜组光束变换器，4-分光取样镜，5-反射镜，6-光束探测器，7-信号处理与控制器，8-凹锥镜，9-凸锥镜，10-镜筒，11-物镜，12-目镜，13-分光镜，14-聚焦透镜，15-近场相机，16-远场相机。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明要指出的是，本发明中，如未特别写出具体涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等，则本发明涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等均为本领域技术人员在现有技术的基础上，可以不经过创造性劳动可以得知的。
实施例1：
参考图1所示，本发明公开了一种激光束整形变换装置，所述激光束整形变换装置包括：第一电调镜1、第二电调镜2、圆锥镜组光束变换器3、分光取样镜4、反射镜5，光束探测器6和信号处理与控制器7。
其中，第一电调镜1、第二电调镜2设置于圆锥镜组光束变换器3的光线输入端，分光取样镜4和反射镜5设置于圆锥镜组光束变换器3的光线输出端。
输入激光光束依次经第一电调镜1和第二电调镜2的反射进入圆锥镜组光束变换器3，所述圆锥镜组光束变换器3射出的光束经分光取样镜4和反射镜5后获得输出光束。
所述光束探测器6设置于所述分光取样镜4的后端，采集分光取样镜4透射出的光束信号；所述光束探测器6被配置为实现探测光束的近场和远场光强分布，所述信号处理与控制器7被配置为基于处理光束探测器6中的图像信号，完成入射光束与圆锥镜组光束变换器3之间的偏心误差和离轴误差计算。
所述信号处理与控制器7还分别与第一电调镜1和第二电调镜2电性相连，基于计算获得的入射光束与圆锥镜组光束变换器3之间的偏心误差和离轴误差完成第一电调镜1和第二电调镜2的偏转角度调整。
本发明激光束整形变换装置，把高斯束整形变换成环形束，通过对入射光束与圆锥镜组偏心、离轴误差的实时检测和控制，确保输出光束的光束质量和变换效率。除高斯束外，也可用于把其他实心光束变换为环形束。
具体地，光束探测器6探测光束的近场和远场光强分布。通过信号处理与控制器7获得光束与圆锥镜组的同心性误差、光束与圆锥镜组光轴平行度误差。经过第一电调镜1、第二电调镜2，控制入射光束与圆锥镜组的同心性、光轴平行性，经过圆锥镜组后变换为环形束。
优选地，所述第一电调镜1被配置为能够实现二维偏转，以完成入射光束与圆锥镜组光束变换器3的同心性调节。
具体地，第一电调镜1具有电控二维角度θx、θy偏转功能，用于控制光束方向在圆锥镜组光束变换器3入口的光束位置，保证入射光束与圆锥镜组的同心性，控制偏心误差。
优选地，所述第二电调镜2被配置为能够实现二维偏转，以完成入射光束与圆锥镜组光束变换器3的光轴一致性调节。
具体地，第二电调镜2与第一电调镜1相同，具有电控二维角度θx、θy偏转功能，用于控制光束方向与圆锥镜组光束变换器3的光轴平行，保证入射光束与圆锥镜组的光轴一致性，控制离轴误差。
优选地，所述圆锥镜组光束变换器3包括凹锥镜8、凸锥镜9和镜筒10，所述凹锥镜8和凸锥镜9分别设置于镜筒10两端。
凹锥镜8为轴对称圆形截面透镜，光线入射面为凹圆锥面，另一面为平面。用于把入射光束发散扩展成空心束。入射光束经凹锥镜8后变换为圆锥状发散光束。
凸锥镜9为轴对称圆形截面透镜，光线入射面为凸圆锥面，另一面为平面；且凹锥镜8侧为激光光线输入端，凸锥镜9侧为光线输出端。用于补偿凹锥镜8输出的发散波面，把入射的发散光束准直成平行光束，得到准直的环形光束。
镜筒10用于把凹锥镜8和凸锥镜9组装在一起，保持两镜间隔和同心。
进一步地，所述凹锥镜8为熔石英玻璃或其他光学材料制成。所述凸锥镜9为熔石英玻璃或其他光学材料制成。
优选地，分光取样镜4对整形变换后的光束进行分光取样，光强透射率0.1％～1％。透射的取样光进入光束探测器用于测量入射光束与圆锥镜组光束变换器3的偏心误差和离轴误差。
优选地，反射镜5镀有对激光束高反射率膜层,用于转折激光束传输方向，输出整形后的环形光束。
优选地，所述光束探测器6包括物镜11、目镜12、分光镜13、聚焦透镜、近场相机15和远场相机16。
将分光取样镜4透射的光束依次经物镜11、目镜12进入分光镜13，分光镜分出的两光束分别射入近场相机15以及经聚焦透镜14进入远场相机16。
物镜11和目镜12构成缩束望远镜，实现缩小采样光束的直径直至与近场相机15的感光面尺寸匹配。分光镜用于把光束分为两路，分别传输到近场相机15和远场相机16。聚焦透镜14用于把缩束后的光束聚焦到远场相机16感光面上。
近场相机15被配置为实现整形后环形束的光强分布探测，远场相机16被配置为实现光束焦斑光强分布探测。
近场相机15用于探测整形后环形束的光强分布，通过信号处理与控制器7计算环形束的同心度误差，控制第一电调镜1的二维转角，保证光束与圆锥镜的同心性。远场相机16用于探测光束焦斑光强分布，通过信号处理与控制器7计算光束质量、光轴位置，控制第二电调镜2的转角，保证光束与圆锥镜组的光轴平行性。
本发明激光束整形变换装置采用圆锥镜组光束变换器3实现从高斯束到环形束的光束整形变换，通过光束探测器6实时检测光束与圆锥镜组之间的偏心和离轴误差，通过两个电调镜的闭环控制，消除激光热效应、环境振动和结构变形等导致的偏心、离轴误差，确保输出光束的光束质量。从而实现了从高斯束到环形束的激光束整形变换，能量转换效率高，光束质量好。
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 (10)

1.一种激光束整形变换装置，其特征在于，所述激光束整形变换装置包括：第一电调镜(1)、第二电调镜(2)、圆锥镜组光束变换器(3)、分光取样镜(4)和反射镜(5)，
第一电调镜(1)、第二电调镜(2)设置于圆锥镜组光束变换器(3)的光线输入端，分光取样镜(4)和反射镜(5)设置于圆锥镜组光束变换器(3)的光线输出端；
输入激光光束依次经第一电调镜(1)和第二电调镜(2)的反射进入圆锥镜组光束变换器(3)，所述圆锥镜组光束变换器(3)射出的光束经分光取样镜(4)和反射镜(5)后获得输出光束；
其中，所述圆锥镜组光束变换器(3)包括凹锥镜(8)、凸锥镜(9)和镜筒(10)，所述凹锥镜(8)和凸锥镜(9)分别设置于镜筒(10)两端；
所述凹锥镜(8)为轴对称圆形截面透镜，光线入射面为凹圆锥面，另一面为平面；所述凸锥镜(9)为轴对称圆形截面透镜，光线入射面为凸圆锥面，另一面为平面；
且凹锥镜(8)侧为激光光线输入端，凸锥镜(9)侧为光线输出端。
2.如权利要求1所述的激光束整形变换装置，其特征在于，所述第一电调镜(1)被配置为能够实现二维偏转，以完成入射光束与圆锥镜组光束变换器(3)的同心性调节。
3.如权利要求2所述的激光束整形变换装置，其特征在于，所述第二电调镜(2)被配置为能够实现二维偏转，以完成入射光束与圆锥镜组光束变换器(3)的光轴一致性调节。
4.如权利要求1所述的激光束整形变换装置，其特征在于，所述激光束整形变换装置还包括光束探测器(6)和信号处理与控制器(7)，
所述光束探测器(6)设置于所述分光取样镜(4)的后端，采集分光取样镜(4)透射出的光束信号；
所述光束探测器(6)被配置为实现探测光束的近场和远场光强分布，所述信号处理与控制器(7)被配置为基于处理光束探测器(6)中的图像信号，完成入射光束与圆锥镜组光束变换器(3)之间的偏心误差和离轴误差计算。
5.如权利要求4所述的激光束整形变换装置，其特征在于，所述信号处理与控制器(7)还分别与第一电调镜(1)和第二电调镜(2)相连，基于计算获得的入射光束与圆锥镜组光束变换器(3)之间的偏心误差和离轴误差完成第一电调镜(1)和第二电调镜(2)的偏转角度调整。
6.如权利要求4所述的激光束整形变换装置，其特征在于，所述光束探测器(6)包括物镜(11)、目镜(12)、分光镜(13)、聚焦透镜(14)、近场相机(15)和远场相机(16)；
将分光取样镜(4)透射的光束依次经物镜(11)、目镜(12)进入分光镜(13)，分光镜(13)分出的两光束分别射入近场相机(15)以及经聚焦透镜(14)进入远场相机(16)；
其中近场相机(15)被配置为实现整形后环形束的光强分布探测，远场相机(16)被配置为实现光束焦斑光强分布探测。
7.如权利要求6所述的激光束整形变换装置，其特征在于，所述物镜(11)和目镜(12)构成缩束望远镜，实现缩小采样光束的直径直至与近场相机(15)的感光面尺寸匹配。
8.如权利要求4所述的激光束整形变换装置，其特征在于，所述分光取样镜(4)的光强透射率为0.1％-1％。
9.如权利要求1所述的激光束整形变换装置，其特征在于，所述凹锥镜(8)为熔石英玻璃或其他光学材料制成。
10.如权利要求1所述的激光束整形变换装置，其特征在于，所述凸锥镜(9)为熔石英玻璃或其他光学材料制成。
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