CN114384705A - 一种超大面积同轴激光相干阵光源自扩束聚焦系统及制备方法 - Google Patents
一种超大面积同轴激光相干阵光源自扩束聚焦系统及制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种超大面积同轴激光相干阵光源自扩束聚焦系统及制备方法，包括多层折叠架、固接于多层折叠架的内侧面的反光薄膜、支撑杆和相干阵激光芯片，支撑杆其穿过反光薄膜并与多层折叠架的中心固定连接，且支撑杆与多层折叠架之间还设有牵引件，调节牵引件的位置，使得反光薄膜形成反射凹面；相干阵激光芯片发射的激光，通过反射凹面的焦点，照射到反射凹面上，经过反射凹面反射后形成反射激光，反射激光在反射凹面下方聚焦，聚焦的光斑半径大于激光发射面半径，实现光源的自扩束聚焦。本发明打破了火箭空间对太空反射镜尺寸的限制，制备碳纤维材料的反射镜，可以实现多层折叠，从而扩大了反射镜的尺寸，得到巨型太空反射镜。
Description
技术领域
本发明涉及太空反射镜技术领域，具体涉及一种超大面积同轴激光相干阵光源自扩束聚焦系统及制备方法。
背景技术
随着技术的不断进步和需求的不断提升，要求望远镜的分辨率越来越高，现代大口径光学系统均采用反射式结构，其中反射镜口径决定了系统的分辨能力，这就要求望远镜的口径越来越大，相应的反射镜的口径也越来越大。同时，大口径反射镜也是系统中制造难度最大的核心关键，当口径超过一定量级时，会对光学材料和光学加工均带来巨大的挑战。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种超大面积同轴激光相干阵光源自扩束聚焦系统及制备方法。
本发明公开了一种超大面积同轴激光相干阵光源自扩束聚焦系统，包括：
一柔性材料制成的多层折叠架；
一柔性材料制成的反光薄膜，其固接于所述多层折叠架的内侧面；
一刚性材料制成的支撑杆，其穿过所述反光薄膜并与所述多层折叠架的中心固定连接，且所述支撑杆与所述多层折叠架之间还设有牵引件，调节所述牵引件的位置，使得所述反光薄膜形成反射凹面；
相干阵激光芯片，
其中，所述相干阵激光芯片发射的激光，通过所述反射凹面的焦点，照射到所述反射凹面上。
优选的是，所述相干阵激光芯片设于所述反射凹面的焦点处。
优选的是，还包括设于所述反射凹面的焦点处的平面反射镜，所述相干阵激光芯片设于所述平面反射镜正上方。
优选的是，所述相干阵激光芯片位于所述多层折叠架外侧面，则所述多层折叠架和所述反光薄膜上均开设有供所述相干阵激光芯发射激光通过的通孔。
优选的是，所述反射凹面直径≥100m。
优选的是，所述相干阵激光芯片为一维阵列型激光芯片或二维阵列型激光芯片，且均带有微透镜阵列。
优选的是，所述反光薄膜材质为碳纤维材质，且所述反光薄膜内侧面上镀有高反射率的反射膜。
优选的是，所述牵引件为牵引绳，在所述多层折叠架的关节上均设有所述牵引绳，通过调节所述牵引绳的长度，使得所述多层折叠架向所述支撑杆方向收拢或展开。
优选的是，所述牵引件包括设于所述支撑杆上的滑块以及多个连接杆，所述连接一端连接所述多层折叠架的关节，另一端与所述滑块连接；通过调节所述滑块在所述支撑杆上的位置，控制所述多层折叠架收拢或展开。
本发明还公开了一种超大面积同轴激光相干阵光源自扩束聚焦系统的制备方法，包括：
采用3D打印技术制作多层折叠架和反光薄膜；
在所述多层折叠架和所述反光薄膜上安装支撑杆和牵引件；
制备相干阵激光芯片。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明能解决火箭空间对太空反射镜尺寸的限制，采用碳纤维材料制备反射面，可以实现多层折叠，从而扩大了反射面的尺寸，得到超大面积太空反射面；同时，本发明采用激光相干阵光源，相比于传统光源具有更高的光功率，更稳定的光波模式。
附图说明
图1为本发明一种超大面积同轴激光相干阵光源自扩束聚焦系统的结构示意图；
图2为本发明一种实施例公开的超大面积同轴激光相干阵光源自扩束聚焦系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
本发明提供一种超大面积同轴激光相干阵光源自扩束聚焦系统及制备方法。
如图1所示，本发明提供一种超大面积同轴激光相干阵光源自扩束聚焦系统包括：
一柔性材料制成的多层折叠架1；
一柔性材料制成的反光薄膜2，其固接于多层折叠架1的内侧面；
一刚性材料制成的支撑杆3，其穿过反光薄膜2并与多层折叠架1的中心固定连接，且支撑杆3与多层折叠架1之间还设有牵引件，调节牵引件的位置，使得反光薄膜2形成反射凹面；
相干阵激光芯片4，
其中，相干阵激光芯片4发射的激光，通过反射凹面的焦点，照射到反射凹面上，经反射凹面反射后在反射凹面下方聚焦形成圆形光斑，光斑半径大于激光发射面半径。
进一步地，相干阵激光芯片4设于反射凹面的焦点处。
在本实施例中，多层折叠架1和反光薄膜2构成超大面积多层折叠式反射镜，相干阵激光芯片4发射的激光相干阵列通过同轴多层折叠式反射镜构成自扩束聚焦系统，超大面积多层折叠式反射镜展开时，相干阵激光芯片4发射的相干阵激光入射反射镜凹面上，经反射镜凹面反射后形成反射激光，反射激光在反射镜凹面下方聚焦，聚焦的光斑半径大于激光发射面半径。
参照图2，还包括设于反射凹面的焦点处的平面反射镜5，相干阵激光芯片4设于平面反射镜5正上方。
进一步地，相干阵激光芯片4位于多层折叠架1外侧面，则多层折叠架1和反光薄膜2上均开设有供相干阵激光芯发射激光通过的通孔。
在本实施例中，相干阵激光芯片4为一维阵列型激光芯片或二维阵列型激光芯片，且均带有微透镜阵列。反射凹面直径≥100m。
进一步地，反光薄膜2材质为碳纤维材质，且反光薄膜2内侧面上镀有高反射率的反射膜。
在本实施例中，牵引件为牵引绳，在多层折叠架1的关节上均设有牵引绳，由外部动力机器调节牵引绳的长度，使得多层折叠架1向支撑杆3方向收拢或展开。
在本实施例中，牵引件包括设于支撑杆3上的滑块以及多个连接杆，连接一端连接多层折叠架1的关节，另一端与滑块连接；通过调节滑块在支撑杆3上的位置，控制多层折叠架1收拢或展开。当然本申请的多层折叠架直径大于100m，故连接杆可以由多个短杆组成。
本发明还公开了一种超大面积同轴激光相干阵光源自扩束聚焦系统的制备方法，包括：
采用3D打印技术制作多层折叠架1和反光薄膜2；
具体包括：
S1、采用3D打印技术，打印与待制备的反射镜面板结构相同的反射镜面板凹模具；
S2、在反射镜面板凹模具的凹表面上涂脱模剂，得到第一脱模层，在第一脱模层，上铺放多层碳纤维浸布，铺放完成后，加热固化，并静置释放应力，得到第一碳纤维铺层，脱模后，研磨、抛光，得到反射镜面板凸模具；
S3、采用3D打印技术打印反射镜基板模具，反射镜基板模具的内腔的结构与待制备的反射镜基板的结构相同，然后在反射镜基板模具的内壁上涂脱模剂，得到第二脱模层。然后在第二脱模层上铺多层碳纤维预浸布，至多层碳纤维预浸布的总厚度等于待制备的碳纤维凹面反射镜的厚度，将铺好的碳纤维预浸布固化成型，脱模，得到与凸面碳纤维反射镜模具镜面结构配合的凹面碳纤维反射镜镜坯；
S4、对凹面碳纤维反射镜镜坯表面镀膜，得到碳纤维反射镜；
在碳纤维反射镜上安装支撑杆3和牵引件；
制备相干阵激光芯片4；
具体包括：
S1、VCSEL外延片清洗干燥
将待清洗的VCSEL按照RCA标准清洗，清洗完毕后将芯片用高纯度氮气保护吹干，确保干净以后将待加工外延片加热烘干，待用；
S2、制作台面
首先，湿法腐蚀或者干法刻蚀等方法，在在待加工外延片制作出台面结构。若采用刻蚀方法，刻蚀Cl2/BCl3气体流量比为1：3，刻蚀功率500W，刻蚀芯片露出氧化层。其次，湿法腐蚀掉芯片上多余的SiO2，并按照RCA标准清洗芯片。最后，清洗完毕后将待加工外延片用高纯度氮气吹干，确保干净以后，将片子加热烘干，待用；
S3、制作氧化孔
利用湿法选择性氧化技术，将在待加工外延片台面中的氧化光学限制层5，从外侧氧化进去，形成一个氧化孔径。其目的是在有源层上方形成可以限制载流子以及光场限制孔。湿法选择性氧化过程：氧化炉升温至430℃，水温设定90℃，通微量氮气，流量为1L/min，稳定20min，排除氧化炉内多余空气。30min以后，开始通氮气，流量为9L/min，稳定30min。稳定30min以后，将外延片放入氧化炉进行氧化，氧化时间根据需要氧化的氧化孔径而定。氧化结束以后，等待炉温降到80摄氏度以后，取出芯片，待用；
S4、制作金属N电极
在待加工外延片涂上SU-8负性光刻胶，通过光刻显影，制作N电极图形，清洗掉剩余光刻胶，然后通过磁控溅射技术溅射等金属工艺，生长N电极金属材料。将生长完N电极金属的外延片放在丙酮溶液中水浴加热10min，然后进行金属剥离工艺，剥离非N电极的金属，制作金属N电极。
S5、制作金属P电极
在待加工外延片涂上L300负性光刻胶，应用双面套刻工艺光刻显影制作金属P电极的图形，清洗掉剩余光刻胶，然后通过磁控溅射等金属工艺，生长P电极金属材料。将生长完P电极金属的外延片放在丙酮溶液中浸泡4-5h，然后进行金属剥离工艺，剥离非P电极的金属，制作金属P电极。
S6、解理封装
制作好的芯片用解理划片机解理，采用热压焊等方式完成与外界供电系统电极的焊接，并完成芯片封装。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种超大面积同轴激光相干阵光源自扩束聚焦系统，包括：
一柔性材料制成的多层折叠架；
一柔性材料制成的反光薄膜，其固接于所述多层折叠架的内侧面；
一刚性材料制成的支撑杆，其穿过所述反光薄膜并与所述多层折叠架的中心固定连接，且所述支撑杆与所述多层折叠架之间还设有牵引件，调节所述牵引件的位置，使得所述反光薄膜形成反射凹面；
相干阵激光芯片，
其中，所述相干阵激光芯片发射的激光，通过所述反射凹面的焦点，照射到所述反射凹面上。
2.如权利要求1所述的超大面积同轴激光相干阵光源自扩束聚焦系统，其特征在于，所述相干阵激光芯片设于所述反射凹面的焦点处。
3.如权利要求1所述的超大面积同轴激光相干阵光源自扩束聚焦系统，其特征在于，还包括设于所述反射凹面的焦点处的平面反射镜，所述相干阵激光芯片设于所述平面反射镜正上方。
4.如权利要求3所述的超大面积同轴激光相干阵光源自扩束聚焦系统，其特征在于，所述相干阵激光芯片位于所述多层折叠架外侧面，则所述多层折叠架和所述反光薄膜上均开设有供所述相干阵激光芯发射激光通过的通孔。
5.如权利要求1所述的超大面积同轴激光相干阵光源自扩束聚焦系统，其特征在于，所述反射凹面直径≥100m。
6.如权利要求1所述的超大面积同轴激光相干阵光源自扩束聚焦系统，其特征在于，所述相干阵激光芯片为一维阵列型激光芯片或二维阵列型激光芯片，且均带有微透镜阵列。
7.如权利要求1所述的超大面积同轴激光相干阵光源自扩束聚焦系统，其特征在于，所述反光薄膜材质为碳纤维材质，且所述反光薄膜内侧面上镀有高反射率的反射膜。
8.如权利要求1所述的超大面积同轴激光相干阵光源自扩束聚焦系统，其特征在于，所述牵引件为牵引绳，在所述多层折叠架的关节上均设有所述牵引绳，通过调节所述牵引绳的长度，使得所述多层折叠架向所述支撑杆方向收拢或展开。
9.如权利要求1所述的超大面积同轴激光相干阵光源自扩束聚焦系统，其特征在于，所述牵引件包括设于所述支撑杆上的滑块以及多个连接杆，所述连接一端连接所述多层折叠架的关节，另一端与所述滑块连接；通过调节所述滑块在所述支撑杆上的位置，控制所述多层折叠架收拢或展开。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的超大面积同轴激光相干阵光源自扩束聚焦系统的制备方法，其特征在于，包括：
采用3D打印技术制作多层折叠架和反光薄膜；
在所述多层折叠架和所述反光薄膜上安装支撑杆和牵引件；
制备相干阵激光芯片。
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