CN115494651B - 一种偏振相干合成光路系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏振相干合成光路系统及方法，系统包括激光器阵列和双折射晶体，所述激光器阵列包括2^N行激光器，每行激光器包括2^M个激光器，其中M和N均为非负整数，且M－N=0或者M－N=±1；各行相邻的两个激光器的偏振方向分别按照水平方向和垂直方向交替设置，各行第一个激光器的偏振方向均相同；第S行的第1个激光器对应S‑1或S+1行的第2个激光器；所述双折射晶体的设置数量为n，且n=M+N；本发明不需使用常规偏振相干合成方案所需的偏振合束器、半波片、反射镜等光学元件，所使用的双折射晶体的数量远小于常规偏振相干合成方案中所使用的光学元件的数量，有效的简化了合成光路步骤，减少了光学元件的使用数量。

Description

一种偏振相干合成光路系统和方法

技术领域

本发明涉及高功率激光合成技术领域，具体为一种偏振相干合成光路系统和方法。

背景技术

单路光纤激光由于受到非线性效应和模式不稳定效应等影响，功率进一步提升困难较大。相干合成技术是突破单纤激光功率限制，实现高功率高光束质量激光的主要途径，是目前高功率激光领域的重点课题之一，其中的偏振相干合成技术近年来也获得了快速发展。

现有的偏振相干合成光路系统一般需要用多个偏振合束器、反射镜、半波片，比如现有技术中4路偏振相干合成过程如下：窄线宽种子激光先经过分束器分为4路,随后依次进入相位调制器和光纤延迟线。相位调制器用于接受相位控制信号进而实现各路光束之间的相位锁定,光纤延迟线用于补偿各路光束之间的光程差。各路激光经过光纤延迟线后进入三级全保偏级联光纤放大系统以实现功率提升。放大后的光束经过离焦补偿型准直系统的准直后参与相干偏振合成。通过旋转半波片,光束1、2和光束3、4分别在第一级偏振合束器中进行偏振合成。偏振合成后的光束分别经过旋转半波片,再进入第二级偏振合束器进行进一步合成。现有技术中4路偏振相干合成至少需要3个偏振分束镜，4个反射镜及6个半波片，若是进行8路偏振相干合成，所需偏振分束镜，反射镜及半波片的数量是4路偏振相干合成所用数量的两倍以上。

因此，目前主流的偏振相干合成系统，存在合成元件数量和种类多，光路复杂等缺点，在应用上受到了一定的限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种偏振相干合成光路系统及方法，旨在改善现有偏振相干合成系统存在的合成元件数量和种类多以及光路复杂的问题。

本发明是这样实现的：一种偏振相干合成光路系统，包括：

激光器阵列，所述激光器阵列包括2^N行激光器，每行激光器包括2^M个激光器，其中M和N均为正整数，且M－N=0或者M－N=±1；每行激光器中的各激光器依次等距设置，各行相邻的两个激光器的偏振方向分别按照水平方向和垂直方向交替设置，各行第一个激光器的偏振方向均相同；相邻两行激光器之间的行间距与各行相邻的两个激光器之间的间距相同，且第S行的第1个激光器对应S-1或S+1行的第2个激光器；

双折射晶体，所述双折射晶体的设置数量为n，且n=log₂(2^(M+N))=M+N，所述激光器阵列发出的激光依次照射向各双折射晶体，沿着激光光路的方向，第奇数个双折射晶体的晶轴方向均相同，第偶数个双折射晶体的晶轴方向相对于第奇数个双折射晶体的晶轴方向偏转45度。

可选的，当各双折射晶体的材质相同时，沿着激光光路的方向，第1个双折射晶体到第n个双折射晶体的长度依次为

且

，式中d为各行相邻的两个激光器之间的间距，θ为双折射晶体的双 折射角度。

可选的，当各双折射晶体的材质不同时，沿着激光光路的方向，第n个双折射晶体的长度L_n满足下式：

式中d为各行相邻的两个激光器之间的间距，

为第n个双折射晶体的双折射角 度。

按照本发明的第二方面，提供一种偏振相干合成光路的方法，具体包括以下步骤：

S1、根据激光光路数量进行激光器阵列的布置；

S2、根据所布置的激光器阵列，计算出双折射晶体的所需数量n，并计算出沿着激光光路的方向，各双折射晶体所需的长度，选择长度满足要求的双折射晶体，并按照激光光路的方向依次布置；

S3、当所需双折射晶体的数量n≥2时，沿着激光光路的方向布置各双折射晶体时，第奇数个双折射晶体的晶轴方向均相同，第偶数个双折射晶体的晶轴方向相对于第奇数个双折射晶体的晶轴方向偏转45度；

S4、打开各激光器，使得每行相邻的两个偏振方向相互垂直的激光器发出的激光两两相干偏振合成，同时控制各激光器的相位，使得同一行激光器发出的激光两两相干偏振合成后偏振方向均相同，且使得相邻的两行激光器发出的激光两两相干偏振合成后偏振方向相互垂直。

进一步地，步骤S2中，各双折射晶体所需的长度分为两种，第一种是各双折射晶体的材质相同，此时各双折射晶体的双折射角度相同；

第二种是各双折射晶体的材质不同，此时各双折射晶体的双折射角度不同。

进一步地，当各双折射晶体的材质相同时，沿着激光光路的方向，第1个双折射晶体到第n个双折射晶体的长度依次为：

且

，式中d为各行相邻的两个激光器之间的间距，θ为双折射晶体的双折 射角度。

进一步地，当各双折射晶体的材质不同时，沿着激光光路的方向，第n个双折射晶体的长度L_n满足下式：

式中d为各行相邻的两个激光器之间的间距，

为第n个双折射晶体的双折射角 度。

进一步地，步骤S4中，激光器阵列发出的激光每经过一个双折射晶体进行一级偏振相干合成，保证下一级合成时可以使偏振方向自然满足下一级合成所需的偏振方向。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明不需使用常规偏振相干合成方案所需的偏振合束器、半波片、反射镜等光学元件，所使用的双折射晶体的数量远小于常规偏振相干合成方案中所使用的光学元件的数量，有效的简化了合成光路步骤，减少了光学元件的使用数量，更易于实现更多路保偏激光的偏振相干合成。

2.本发明通过使用特定的阵列排布激光器和双折射晶体，并合理调节双折射晶体的晶轴方向，合理选择双折射晶体的长度，使每一级合成后激光的偏振方向满足下一级合成所需的偏振方向，避免了使用多个反射镜和半波片来调整激光的传输和偏振方向。与现有技术相比，本发明不需使用常规偏振相干合成方案所需的偏振合束器、半波片、反射镜等光学元件，所使用的双折射晶体的数量远小于常规偏振相干合成方案中所使用的光学元件的数量，有效的简化了合成光路步骤，减少了光学元件的使用数量，更易于实现更多路保偏激光的偏振相干合成。

附图说明

图1是本发明的激光器阵列的一种布置结构示意图；

图2是本发明的激光器阵列的另一种布置结构示意图；

图3是本发明的双折射晶体的排布示意图；

图4是2×2激光器阵列偏振相干合成示意图；

图5是2×4激光器阵列偏振相干合成示意图。

具体实施方式

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图和具体实施例，做进一步的说明：

实施例1

本实施例提供一种偏振相干合成光路系统，包括激光器阵列和双折射晶体，其中激光器阵列包括2^(M+N)个激光器，其排布方式如图1或图2所示，图1和图2中，圆圈表示激光器，圆圈中的横线表示激光器的偏振方向，圆圈上设数字表示此圆圈所代表的激光器的序号。布置激光器阵列时，将括2^(M+N)个激光器平均分成2^N行，则每行激光器阵列包括2^M个激光器，其中M和N均为正整数，且M－N=0或者M－N=±1。每行激光器阵列中的各激光器依次等距设置，各行相邻的两个激光器的偏振方向分别按照水平方向和垂直方向交替设置，各行激光器阵列的第一个激光器的偏振方向均相同。相邻两行激光器阵列之间的行间距与各行激光器阵列相邻的两个激光器之间的间距相同。第S行的第1个激光器对应S-1的第2个激光器，如图1所示，第2行的第一个激光器与第1行的第2个激光器相对应，第3行的第一个激光器与第2行的第2个激光器相对应等。或者第S行的第1个激光器对应第S+1行的第2个激光器，如图2所示，第1行的第一个激光器与第2行的第2个激光器相对应，第2行的第一个激光器与第3行的第2个激光器相对应等。

双折射晶体的排布方式如图3所示，双折射晶体的设置数量为n，且n=log₂(2^(M+N))=M+N，激光器阵列发出的激光依次照射向各双折射晶体，激光器阵列发出的激光每经过一个双折射晶体进行一级偏振相干合成，为了保证下一级合成时可以使偏振方向自然满足下一级合成所需的偏振方向，不再增加半波片进行调整，在排布双折射晶体时，沿着激光光路的方向，第奇数个双折射晶体的晶轴方向均相同，第偶数个双折射晶体的晶轴方向相对于第奇数个双折射晶体的晶轴方向偏转45度。

每合完一级，光斑之间的间隔会变大，所需要的双折射晶体的长度也相应增长。沿着激光光路的方向，各双折射晶体所需的长度可以分为两种情况。第一种情况是各双折射晶体的材质相同，此时各双折射晶体的双折射角度相同，则沿着激光光路的方向，第1个双折射晶体到第n个双折射晶体的长度依次为

且

，式中d为各行相邻的两个激光器之间的间距，在图1和图2中，d为序 号为1的圆圈和序号为2的圆圈中心之间的距离，θ为双折射晶体的双折射角度。

第二种情况是各双折射晶体的材质不同，此时各双折射晶体的双折射角度不同，则沿着激光光路的方向，第n个双折射晶体的长度L_n满足下式：

式中d为各行相邻的两个激光器之间的间距，在图1和图2中，d为序号为1的圆圈和 序号为2的圆圈中心之间的距离，

为第n个双折射晶体的双折射角度。其实第一种情况是 第二种情况的一种特殊案例。

本实施例还提供一种偏振相干合成光路的方法，包括以下步骤：

第一步、根据激光光路数量进行激光器阵列的布置，激光器的数量就是与激光光路的数量，布置方式和上述相同，不再重复叙述。

第二步、根据所布置的激光器阵列，计算出双折射晶体的所需数量n，并计算出沿着激光光路的方向，各双折射晶体所需的长度，计算双折射晶体的长度时，要考虑到现有的双折射晶体的双折射角度，准确计算完成后，选择长度满足要求的双折射晶体，并按照激光光路的方向依次布置。当所需双折射晶体的数量n≥2时，沿着激光光路的方向布置各双折射晶体时，第奇数个双折射晶体的晶轴方向均相同，比如均为0°，则第偶数个双折射晶体的晶轴方向相对于第奇数个双折射晶体的晶轴方向均偏转45度，比如均为45°。

第三步、打开各激光器，使得每行相邻的两个偏振方向相互垂直的激光器发出的激光两两相干偏振合成，同时控制各激光器的相位，使得同一行激光器发出的激光两两相干偏振合成后偏振方向均相同，且使得相邻的两行激光器发出的激光两两相干偏振合成后偏振方向相互垂直。如此即可实现多路激光的偏振相干合成。

实施例2

本实施例对2×2激光器阵列偏振相干合成光路进行说明，如图4所示。共使用4个激光器，包含2行2列，进行4路合成，需要用2块双折射晶体。图4中，箭头方向示意激光的传输过程。激光器阵列包含4路保偏激光，其中第1、3路为水平偏振方向，第2、4路为垂直偏振方向，激光器阵列的光打到第一个双折射晶体的入射面上，位置和偏振方向均未发生变化，经过第一个双折射晶体传输，在第一个双折射晶体的出射面上第1路和第2路、第3路和第4路分别两两合成为单路激光，通过控制激光器相位，使得12路合成光的偏振方向为-45度，34路的偏振方向为+45度。激光从第一个双折射晶体出来入射到第二个双折射晶体表面，此时第二个双折射晶体的切割方向或者说晶轴方向与第一个双折射晶体成45度角，如图中虚线所示，经过第二个双折射晶体传输，在第二个双折射晶体的出射面上，第12路与第34路合成为单路激光，通过控制激光器相位，可控制这个合成的单路激光的偏振方向为水平或垂直。如此即可将4路激光合成为单路激光，实现4路保偏激光的偏振相干合成输出。

实施例3

本实施例对2×4激光器阵列偏振相干合成光路进行说明，如图5所示。共使用8个激光器，包含2行4列，进行8路合成，需要用3块双折射晶体。图5中，箭头方向示意激光的传输过程。激光器阵列包含8路保偏激光，其中第1、3、5、7路为水平偏振方向，第2、4、6、8路为垂直偏振方向，激光器阵列的光打到第一个双折射晶体的入射面上，位置和偏振方向均未发生变化，经过第一个双折射晶体传输，在第一个双折射晶体的出射面上第1路和第2路、第3路和第4路、第5路和第6路、第7路和第8路分别两两合成为单路激光，通过控制激光器相位，使得12路和34路合成光的偏振方向为-45度，56路和78路的偏振方向为+45度。激光从第一个双折射晶体出来入射到第二个双折射晶体表面，此时第二个双折射晶体的切割方向或者说晶轴方向与第一个双折射晶体成45度角，如图中虚线所示，经过第二个双折射晶体传输，在第二个双折射晶体的出射面上，第12路与第56路、第34路与第78路分别两两合成为单路激光，通过控制激光器相位，使得1256路激光的偏振方向为水平，3478路激光的偏振方向为垂直方向。激光从第二个双折射晶体出来入射到第三个双折射晶体表面，此时第三个双折射晶体的晶轴方向与第一个双折射晶体的一致，均为0度角，经过第三个双折射晶体传输，在出射面上，第1256路与第3478路两路激光合成为单路激光。如此即可将8路激光合成为单路激光，实现8路保偏激光的偏振相干合成输出。

综上所述，本发明通过使用特定的阵列排布激光器和双折射晶体，并合理调节双折射晶体的晶轴方向，合理选择双折射晶体的长度，使每一级合成后激光的偏振方向满足下一级合成所需的偏振方向，避免了使用多个反射镜和半波片来调整激光的传输和偏振方向。与现有技术相比，本发明不需使用常规偏振相干合成方案所需的偏振合束器、半波片、反射镜等光学元件，所使用的双折射晶体的数量远小于常规偏振相干合成方案中所使用的光学元件的数量，有效的简化了合成光路步骤，减少了光学元件的使用数量，更易于实现更多路保偏激光的偏振相干合成。

此外，常规偏振相干合成方案中，每块偏振分束镜只能实现两路激光合成，而本发明中每块双折射晶体可以同时进行两路甚至更多路激光的合成。

以上仅为本发明的优选实施方式而已，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 (8)

1.一种偏振相干合成光路系统，其特征在于，包括：

激光器阵列，所述激光器阵列包括2^N行激光器，每行激光器包括2^M个激光器，其中M和N均为正整数，且M－N=0或者M－N=±1；每行激光器中的各激光器依次等距设置，各行相邻的两个激光器的偏振方向分别按照水平方向和垂直方向交替设置，各行第一个激光器的偏振方向均相同；相邻两行激光器之间的行间距与各行相邻的两个激光器之间的间距相同，且第S行的第1个激光器对应S-1或S+1行的第2个激光器；

双折射晶体，所述双折射晶体的设置数量为n，且n=log₂(2^(M+N))=M+N，所述激光器阵列发出的激光依次照射向各双折射晶体，沿着激光光路的方向，第奇数个双折射晶体的晶轴方向均相同，第偶数个双折射晶体的晶轴方向相对于第奇数个双折射晶体的晶轴方向偏转45度。

2.根据权利要求1所述的一种偏振相干合成光路系统，其特征在于，当各双折射晶体的材质相同时，沿着激光光路的方向，第1个双折射晶体到第n个双折射晶体的长度依次为：

且

，式中d为各行相邻的两个激光器之间的间距，θ为双折射晶体的双折射角 度。

3.根据权利要求1所述的一种偏振相干合成光路系统，其特征在于，当各双折射晶体的材质不同时，沿着激光光路的方向，第n个双折射晶体的长度L_n满足下式：

式中d为各行相邻的两个激光器之间的间距，

为第n个双折射晶体的双折射角度。

4.一种偏振相干合成光路的方法，使用权利要求1-3中任一项所述的偏振相干合成光路系统实现，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1、根据激光光路数量进行激光器阵列的布置；

S2、根据所布置的激光器阵列，计算出双折射晶体的所需数量n，并计算出沿着激光光路的方向，各双折射晶体所需的长度，选择长度满足要求的双折射晶体，并按照激光光路的方向依次布置；

S3、当所需双折射晶体的数量n≥2时，沿着激光光路的方向布置各双折射晶体时，第奇数个双折射晶体的晶轴方向均相同，第偶数个双折射晶体的晶轴方向相对于第奇数个双折射晶体的晶轴方向偏转45度；

S4、打开各激光器，使得每行相邻的两个偏振方向相互垂直的激光器发出的激光两两相干偏振合成，同时控制各激光器的相位，使得同一行激光器发出的激光两两相干偏振合成后偏振方向均相同，且使得相邻的两行激光器发出的激光两两相干偏振合成后偏振方向相互垂直。

5.根据权利要求4所述的一种偏振相干合成光路的方法，其特征在于，步骤S2中，各双折射晶体所需的长度分为两种，第一种是各双折射晶体的材质相同，此时各双折射晶体的双折射角度相同；

第二种是各双折射晶体的材质不同，此时各双折射晶体的双折射角度不同。

6.根据权利要求5所述的一种偏振相干合成光路的方法，其特征在于，当各双折射晶体的材质相同时，沿着激光光路的方向，第1个双折射晶体到第n个双折射晶体的长度依次为：

且

，式中d为各行相邻的两个激光器之间的间距，θ为双折射晶体的双折射角 度。

7.根据权利要求5所述的一种偏振相干合成光路的方法，其特征在于，当各双折射晶体的材质不同时，沿着激光光路的方向，第n个双折射晶体的长度L_n满足下式：

式中d为各行相邻的两个激光器之间的间距，

为第n个双折射晶体的双折射角度。

8.根据权利要求4所述的一种偏振相干合成光路的方法，其特征在于，步骤S4中，激光器阵列发出的激光每经过一个双折射晶体进行一级偏振相干合成，保证下一级合成时可以使偏振方向自然满足下一级合成所需的偏振方向。

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