CN115032847A - 一种和频光输出装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种和频光输出装置，属于激光和频技术领域，包括第一基频光传输光路组件、第二基频光传输光路组件、电调分色镜、光束探测器以及控制器，第一基频光以及第二基频光经电调分色镜合束后传输至和频晶体进行和频转换，光束探测器分别采集经所述和频晶体和频转换后光束的近场图像和远场图像，控制器根据近场图像和远场图像计算基频光的近场重合误差、远场重合误差以及准直误差，并进行调控，本发明通过光束探测器在线实时测量两束基频光的近场图像和远场图像，得到基频光的近场光斑和远场光斑，计算得到两束基频光准直误差和重合误差，便于实时控制两束基频光准直性、近场和远场重合性，确保长期稳定的和频转换。

Description

一种和频光输出装置

技术领域

本发明属于激光和频技术领域，具体地说涉及一种和频光输出装置。

背景技术

在钠导星激光器系统中，1064nm与1319nm两束基频激光和频产生589nm激光是重要的钠导星光源产生方式之一，广泛应用于天文观测和激光雷达等领域。申请号CN201810060442.3公开了一种固体和频钠导星光谱连续激光输出装置及输出方法，具体公开了采用固体1064nm基频激光器和固体1319nm基频激光器非线性和频产生589nm和频激光。为了实现最高的和频转换效率，在两束基频光注入和频晶体时，需保证两光束的高度准直和重合性。光束的准直是指光束波面为平面波，未处于聚焦状态或发散状态。两束光的重合性主要以远场和近场光斑一致性来确保。但是，现有技术并未公开如何将两束基频光准直并保证远场和近场光斑重合。此外，激光器为单发次工作模式，由于热效应、环境影响等因素导致激光器相邻发次的状态不同，即使准直性及重合性调节完毕后也可能出现再次失调现象，导致和频效率下降。

发明内容

针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种和频光输出装置。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种和频光输出装置，其将第一基频光、第二基频光经和频晶体和频转换后输出和频光，还包括：

第一基频光传输光路组件，用于调节所述第一基频光的远场光斑尺寸；

第二基频光传输光路组件，用于调节所述第二基频光的远场光斑尺寸以及调节第二基频光的偏转角度；

电调分色镜，经第一基频光传输光路组件传输的第一基频光以及经第二基频光传输光路组件传输的第二基频光经所述电调分色镜合束后传输至和频晶体进行和频转换；

光束探测器，其分别采集经所述和频晶体和频转换后光束的近场图像和远场图像；

控制器，其根据近场图像和远场图像计算基频光的近场重合误差、远场重合误差以及准直误差，并调控第一基频光传输光路组件、第二基频光传输光路组件以及电调分色镜。

通过采用上述的技术方案，通过光束探测器实时测量第二基频光与第一基频光的近场图像和远场图像，得到基频光的近场光斑和远场光斑，计算得到两束基频光准直误差和重合误差，便于实时调节两束基频光准直性、近场和远场重合性，确保长期稳定的和频转换。

进一步，所述第一基频光传输光路组件包括第一电调准直器，所述第一电调准直器包括凹透镜、凸透镜和第一电动位移台，所述凹透镜以及所述凸透镜均位于第一电动位移台上方。

进一步，所述第一电动位移台与所述控制器电连接，实现电控移动。

进一步，所述第二基频光传输光路组件依次包括第二电调准直器以及电调反射镜，所述第二电调准直器与所述第一电调准直器的结构相同，所述电调反射镜倾斜设置。

通过采用上述的技术方案，通过第一电调准直器调整第一基频光的远场光斑尺寸至最小值，实现第一基频光的准直性，通过第二电调准直器调整第二基频光的远场光斑尺寸至最小值，实现第二基频光的准直性。

进一步，所述电调分色镜与所述电调反射镜对应设置，且所述电调分色镜镀有第一基频光增透膜以及第二基频光增反膜。

进一步，所述电调分色镜与所述电调反射镜均分别与所述控制器电连接，实现电控二维角度偏转。

通过采用上述的技术方案，电调反射镜能够控制第二基频光在电调分色镜上的光束位置，实现两束基频光的近场光斑重合，电调分色镜能够控制第一基频光以及第二基频光的光轴平行，实现两束基频光的远场光斑重合。

进一步，所述光束探测器依次包括物镜、电调滤光器、分光镜、近场相机和远场相机，所述电调滤光器与所述控制器电连接，实现电控切换滤光波长，经过所述电调滤光器的光束传输至所述分光镜并分为两路，一路光束进入所述近场相机，另一路光束进入所述远场相机。

进一步，所述电调滤光器包括第一滤光器以及第二滤光器，第二滤光器以及第一滤光器均位于第二电动位移台上，所述第二电动位移台与所述控制器电连接。

通过采用上述的技术方案，第二电动位移台可把第二滤光器或第一滤光器切换推入光路中，实现分时探测第二基频光、第一基频光的近场图像和远场图像。

进一步，所述第二电动位移台上还设有第三滤光器。

通过采用上述的技术方案，将第三滤光器切换推入光路中，可实时监测和频光的近场光斑分布和远场光斑分布。

进一步，经所述分光镜分束后的光束经目镜传输至所述近场相机，且所述目镜和所述物镜组合构成缩束镜头结构。

进一步，经所述分光镜分束后的光束经负透镜传输至所述远场相机，且所述负透镜与所述物镜组合构成长焦镜头结构。

进一步，还包括分光取样镜，所述分光取样镜位于所述和频晶体与所述光束探测器之间的光路上，且所述分光取样镜的光强透射率为0.1%～1%。

第二方面，本发明还提供一种和频光输出装置的重合性控制方法，包括以下步骤：

第一基频光和第二基频光经和频晶体后输出和频光、未转换的第一基频光以及未转换的第二基频光；

实时获取未转换的第一基频光以及未转换的第二基频光的近场图像和远场图像，计算得到两束基频光光斑的近场重合误差以及远场重合误差，调节所述电调分色镜、所述第二基频光传输光路组件实现两束基频光的近场光斑重合以及远场光斑重合。

第三方面，本发明还提供一种和频光输出装置的准直性控制方法，包括以下步骤：

第一基频光和第二基频光经和频晶体后输出和频光、未转换的第一基频光以及未转换的第二基频光；

实时获取未转换的第一基频光以及未转换的第二基频光的近场图像和远场图像，计算得到两束基频光光斑的远场准直误差，调节所述第一基频光传输光路组件、所述第二基频光传输光路组件实现两束基频光的远场光斑尺寸至最小值。

进一步，所述两束基频光光斑的近场重合误差以及远场重合误差可通过计算光斑质心差、光斑形心位置差或采用相关法计算位置差获得，所述两束基频光光斑的远场准直误差（采用实时的光斑尺寸与最小的光斑尺寸的偏差来判定是否达到理想准直）可通过计算光斑尺寸大小获得，如二阶矩半径法。

本发明的有益效果是：

1、通过光束探测器在线实时测量第二基频光与第一基频光的近场图像和远场图像，得到基频光的近场光斑和远场光斑，计算得到两束基频光准直误差和重合误差，便于实时控制两束基频光准直性、近场和远场重合性，确保长期稳定的和频转换。

2、通过第一电调准直器、第二电调准直器调整基频光的远场光斑尺寸至最小值，控制两束基频光的准直性。

3、通过电调反射镜能够控制两束基频光的近场光斑重合，通过电调分色镜能够控制第一基频光以及第二基频光的光轴平行，实现两束基频光的远场光斑重合。

4、通过在线实时控制准直性与重合性，消除激光热效应、环境振动和结构变形等因素导致的远场和近场重合误差，提高和频转换效率。

5、第二电动位移台可把第二滤光器、第一滤光器或第三滤光器切换推入光路中，既能实现分时探测第二基频光、第一基频光的近场图像和远场图像，又能实时监测和频光的近场光斑分布和远场光斑分布。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是第一电调准直器的结构示意图；

图3是光束探测器的结构示意图。

附图中：1-第一电调准直器、2-电调反射镜、3-电调分色镜、4-和频晶体、5-分光取样镜、6-光束探测器、7-控制器、8-第二电调准直器、9-第一基频光源、10-第二基频光源；

11-凹透镜、12-凸透镜、13-第一电动位移台；

61-物镜、62-电调滤光器、63-分光镜、64-目镜、65-负透镜、66-第一衰减片、67-近场相机、68-远场相机、69-第二衰减片；

621-第二滤光器、622-第一滤光器、623-第三滤光器、624-第二电动位移台。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，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其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。

实施例一：

如图1至图3所示，一种和频光输出装置，第一基频光源9输出第一基频光，第二基频光源10输出第二基频光，第一基频光、第二基频光经和频晶体和频转换后输出和频光，所述第一基频光为1064nm基频光，所述第二基频光为1319nm基频光，所述和频光为589nm和频光，还包括：

第一基频光传输光路组件，用于调节所述第一基频光的远场光斑尺寸；

第二基频光传输光路组件，用于调节所述第二基频光的远场光斑尺寸以及调节第二基频光的偏转角度；

电调分色镜3，经第一基频光传输光路组件传输的第一基频光以及经第二基频光传输光路组件传输的第二基频光经所述电调分色镜3合束后传输至和频晶体4进行和频转换，输出和频光、未转换的第一基频光以及未转换的第二基频光；

光束探测器6，其分别采集经所述和频晶体4和频转换后光束的近场图像和远场图像；

控制器7，其根据近场图像和远场图像计算基频光的近场重合误差、远场重合误差以及准直误差，并调控第一基频光传输光路组件、第二基频光传输光路组件以及电调分色镜3。

通过采用上述的技术方案，通过光束探测器6实时测量第二基频光与第一基频光的近场图像和远场图像，得到基频光的近场光斑和远场光斑，计算得到两束基频光准直误差和重合误差，便于实时调节两束基频光准直性、近场和远场重合性，确保长期稳定的和频转换。

进一步优选的，所述第一基频光传输光路组件包括第一电调准直器1，所述第一电调准直器1包括凹透镜11、凸透镜12和第一电动位移台13，所述凹透镜11以及所述凸透镜12均位于第一电动位移台13上方。

进一步优选的，所述凹透镜11以及所述凸透镜12为石英玻璃制成的透镜并镀有增透膜，共同构成扩束准直器，使光束波面为平面波（准直状态），且光束直径、功率密度与和频晶体4参数匹配。第一电动位移台13为成熟的产品，具有电控调节一维前后距离功能，用于控制凹透镜11与凸透镜12的间距使光束准直。

进一步优选的，所述第一电动位移台13与所述控制器7电连接，实现电控移动。

进一步优选的，所述第二基频光传输光路组件依次包括第二电调准直器8以及电调反射镜2，所述第二电调准直器8与所述第一电调准直器1的结构相同，所述电调反射镜2倾斜设置，以改变第二基频光的传输方向。

通过采用上述的技术方案，通过第一电调准直器1调整第一基频光的远场光斑尺寸至最小值，实现第一基频光的准直性，通过第二电调准直器8调整第二基频光的远场光斑尺寸至最小值，实现第二基频光的准直性。

进一步优选的，所述电调分色镜3与所述电调反射镜2对应设置，且所述电调分色镜3镀有第一基频光增透膜以及第二基频光增反膜。

进一步优选的，所述电调分色镜3与所述电调反射镜2均分别与所述控制器7电连接，实现电控二维角度偏转。

通过采用上述的技术方案，电调反射镜2能够控制第二基频光在电调分色镜3上的光束位置，实现两束基频光的近场光斑重合，电调分色镜3能够控制第一基频光以及第二基频光的光轴平行，实现两束基频光的远场光斑重合。

进一步优选的，所述和频晶体4是非线性光学晶体，用于将合束后的基频光和频，输出和频光。

进一步优选的，还包括分光取样镜5，所述分光取样镜5位于所述和频晶体4与所述光束探测器6之间的光路上。所述分光取样镜5是由石英玻璃基板上镀制分光膜制成，对和频后为转换的基频光以及和频光进行分光取样，光强透射率为0.1%～1%，透射的取样光进入光束探测器6用于测量两束基频光的近场和远场重合性误差，以及远场光斑大小获得准直性误差。

进一步优选的，所述光束探测器6包括依次物镜61、电调滤光器62、分光镜63、近场相机67和远场相机68，所述电调滤光器62与所述控制器7电连接，实现电控切换滤光波长，经过所述电调滤光器62的光束传输至所述分光镜63并分为两路，一路光束通过目镜64、第一衰减片66进入所述近场相机67，另一路光束通过负透镜65、第二衰减片69进入所述远场相机68。

所述物镜61是单片或多片透镜构成的聚焦透镜，消除了球差等像差，用于对取样光进行聚焦。

进一步优选的，所述电调滤光器62包括第二滤光器621以及第一滤光器622，第二滤光器621以及第一滤光器622均位于第二电动位移台624上，所述第二电动位移台624与所述控制器7电连接，所述第一滤光器622为1064nm滤光器，所述第二滤光器621为1319nm滤光器。

通过采用上述的技术方案，第二电动位移台624可把第二滤光器621或第一滤光器622切换推入光路中，实现分时探测第二基频光、第一基频光的近场图像和远场图像。

进一步优选的，所述第二电动位移台624上还设有第三滤光器623，所述第三滤光器623为589nm滤光器。

通过采用上述的技术方案，将第三滤光器623切换推入光路中，可实时监测和频光的近场光斑分布和远场光斑分布。

进一步优选的，第二滤光器621、第一滤光器622以及第三滤光器623是光学玻璃基底上镀制干涉滤光膜，分别只透射一种波长的激光，截止另外两种波长激光，用于光谱滤波。同时，第二滤光器621、第一滤光器622以及第三滤光器623具有不同的厚度，以补偿物镜61对三种波长的色差，使得三种波长激光到达近场相机67和远场相机68感光面的光程相等。

进一步优选的，所述分光镜63是胶合分光棱镜，对第二基频光、第一基频光以及和频光部分反射部分透射，用于把光束分为两路，分别传输到近场相机67和远场相机68。

进一步优选的，所述目镜64是光学玻璃制成的透镜，目镜64和物镜61构成缩束镜头结构，用于缩小取样光的光斑直径，使之与近场相机67的感光面尺寸匹配。

进一步优选的，所述负透镜65是光学玻璃制成的透镜，负透镜65与物镜61组合构成长焦镜头结构，获得较长的有效焦距以实现高精度测量，把缩束后的光束聚焦到远场相机68感光面上。

进一步优选的，所述第一衰减片66、第二衰减片69是中性密度衰减片，用于衰减部分光，避免光束传输到近场相机67、远场相机68上过强导致饱和，或者对靶面造成损害。

实施例二：

如图1至图3所示，一种和频光输出装置的重合性控制方法，包括以下步骤：

第一基频光和第二基频光经和频晶体4后输出和频光、未转换的第一基频光以及未转换的第二基频光；

通过第二电动位移台624可把第二滤光器621或第一滤光器622切换推入光路中，实时获取未转换的第一基频光以及未转换的第二基频光的近场图像和远场图像，通过控制器7计算得到两束基频光光斑的近场重合误差以及远场重合误差，调节所述电调分色镜3、所述第二基频光传输光路组件中的电调反射镜2实现两束基频光的近场光斑重合以及远场光斑重合。

所述两束基频光光斑的近场重合误差以及远场重合误差可通过①计算两光斑一阶矩质心

，求得质心差

，

，作为两束基频光光斑的近场重合误差，参见文献“高学燕，苏毅，谢川林等，畸变光束的焦斑质心位置，强激光与粒子束，Vol. 18, No. 5，2006”；②计算光斑形心，获得光斑形心位置差；③采用相关法计算位置差等。

控制器7控制电调反射镜2、电调分色镜3的二维转角，保证两束基频光的近场以及远场重合性（使误差量

减小到满足应用需求，可以采用的控制方法有多种，如常用的PID控制算法、模糊控制方法等）。

一种和频光输出装置的准直性控制方法，包括以下步骤：

第一基频光和第二基频光经和频晶体后输出和频光、未转换的第一基频光以及未转换的第二基频光；

实时获取未转换的第一基频光以及未转换的第二基频光的近场图像和远场图像，通过控制器7计算得到两束基频光光斑的远场准直误差，调节第一电调准直器1、第二电调准直器8实现两束基频光的远场光斑尺寸至最小值。

也就是说，从远场相机68探测到的实时的光斑尺寸可获得光束的准直性信息，当光束精确准直时，光斑尺寸最小（近衍射极限），否则光斑尺寸较大。

所述两束基频光光斑的远场准直误差可通过计算光斑尺寸大小获得，如二阶矩半径法，参见文献“高学燕，苏毅，叶一东等，焦斑二阶矩半径与光束近场分布的关系，Vol.23, No. 6，2011”，计算二阶矩半径Rx、Ry。通过控制器7控制第一电调准直器1、第二电调准直器8调节光斑到最小值，可以采用的控制方法有多种，如常用的PID控制算法、模糊控制方法等，闭环控制使得Rx、Ry减小到满足应用要求，实现光束的准直。

以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (10)

1.一种和频光输出装置，其将第一基频光、第二基频光经和频晶体和频转换后输出和频光，其特征在于，还包括：

第一基频光传输光路组件，用于调节所述第一基频光的远场光斑尺寸；

第二基频光传输光路组件，用于调节所述第二基频光的远场光斑尺寸以及调节第二基频光的偏转角度；

电调分色镜，经第一基频光传输光路组件传输的第一基频光以及经第二基频光传输光路组件传输的第二基频光经所述电调分色镜合束后传输至和频晶体进行和频转换；

光束探测器，其分别采集经所述和频晶体和频转换后光束的近场图像和远场图像；

控制器，其根据近场图像和远场图像计算基频光的近场重合误差、远场重合误差以及准直误差，并调控第一基频光传输光路组件、第二基频光传输光路组件以及电调分色镜。

2.根据权利要求1所述的一种和频光输出装置，其特征在于，所述第一基频光传输光路组件包括第一电调准直器，所述第一电调准直器包括凹透镜、凸透镜和第一电动位移台，所述凹透镜以及所述凸透镜均位于第一电动位移台上方。

3.根据权利要求2所述的一种和频光输出装置，其特征在于，所述第二基频光传输光路组件依次包括第二电调准直器以及电调反射镜，所述第二电调准直器与所述第一电调准直器的结构相同，所述电调反射镜倾斜设置。

4.根据权利要求3所述的一种和频光输出装置，其特征在于，所述电调分色镜与所述电调反射镜对应设置，所述电调分色镜以及所述电调反射镜分别与所述控制器电连接，以实现二维角度偏转，所述第二电调准直器以及所述第一电调准直器分别与所述控制器电连接，以实现一维平移。

5.根据权利要求1所述的一种和频光输出装置，其特征在于，所述光束探测器依次包括物镜、电调滤光器、分光镜、近场相机和远场相机，所述电调滤光器与所述控制器电连接，经过所述电调滤光器的光束传输至所述分光镜并分为两路，一路光束进入所述近场相机，另一路光束进入所述远场相机。

6.根据权利要求5所述的一种和频光输出装置，其特征在于，所述电调滤光器包括第一滤光器以及第二滤光器，第二滤光器以及第一滤光器均位于第二电动位移台上，所述第二电动位移台与所述控制器电连接，以实现一维平移。

7.根据权利要求6所述的一种和频光输出装置，其特征在于，所述第二电动位移台上还设有第三滤光器。

8.根据权利要求5所述的一种和频光输出装置，其特征在于，经所述分光镜分束后的光束经目镜传输至所述近场相机，且所述目镜和所述物镜组合构成缩束镜头结构。

9.根据权利要求5所述的一种和频光输出装置，其特征在于，经所述分光镜分束后的光束经负透镜传输至所述远场相机，且所述负透镜与所述物镜组合构成长焦镜头结构。

10.根据权利要求1-9任一所述的一种和频光输出装置，其特征在于，还包括分光取样镜，所述分光取样镜位于所述和频晶体与所述光束探测器之间的光路上，且所述分光取样镜的光强透射率为0.1%～1%。

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