CN115663587B - 一种基于自由曲面的二维阵列光谱合成方法及系统 - Google Patents

一种基于自由曲面的二维阵列光谱合成方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于自由曲面的二维阵列光谱合成方法及系统，方法包括S100：选择一组以一定阵列排布的激光阵列光源，发射激光子束入射至第一自由曲面反射镜；S200：所述第一自由曲面反射镜对光束出射角度进行控制后，反射光束至第二自由曲面反射镜；S300：入射至所述第二自由曲面反射镜的光束完成二维阵列向一维阵列的变换，然后将所述一维阵列光束按照各自波长对应的衍射角传递至衍射元件的同一位置；S400：衍射元件对传递至同一位置的光束进行衍射，实现激光光束的合成。本发明的方法，利用两个或三个自由曲面光学元件实现二维阵列光源的光束合成，有效降低系统的复杂度，是实现光束合成系统高功率、轻小型化的有效途径。

Description

一种基于自由曲面的二维阵列光谱合成方法及系统
技术领域
本发明属于激光光束合成技术领域，更具体地，涉及一种基于自由曲面的二维阵列光谱合成方法及系统。
背景技术
光谱合成技术主要是利用色散光学元件的色散能力，通过色散的逆过程将多个具有不同中心波长、以不同角度入射的激光以共孔径出射的方式实现光束合成。现有光谱合成均采用一维阵列光束，配合色散元件完成多个光束的合成。随着光束数量的增加，一维阵列排布激光子束将直接加大系统体积，合成用光学元件加工难度大幅提升，使得合成系统集成难度加大、经济性下降。
为进一步提升功率，缩小光学元件尺寸，提高元件利用率，将合成激光排列成二维阵列是一种实现紧凑型激光合成系统的有效方法。当采用衍射光栅进行光谱合成时，需将各波长以一维排布方式按相应衍射角度入射至衍射光栅的同一位置，以完成光谱合成。然而，传统的非球面光学元件难以实现对光束的定向控制，完成二维阵列光束至一维阵列光束的变换。
自由曲面是指非对称、不规则、不适合用统一的方程式来描述的曲面，具备诸多优点，如：（1）高自由度：自由曲面打破了旋转对称以及平移对称的几何约束，为光学设计带来更多的设计自由度；（2）创造前所未有的结构形式：自由曲面对输出光线精细调控的特性，系统精确控制光线走向以到达预定区域；（3）提高系统性能：结构的定制化、光学设计参数的提升，可有效提高系统性能；（4）小型化和轻量化：减少系统中元件的数量，降低系统的体积与重量。自由曲面具有极好的局部操作性，且未基于传统的物像关系，根据入射和出射要求即可完成面形的计算设计，因此，任意输入的光场经两个及以上自由曲面后，可实现任意的光场输出。根据上述分析，自由曲面为二维阵列光束合成提供了可能。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种基于自由曲面的二维阵列光谱合成方法，该方法利用两个或三个自由曲面光学元件实现二维阵列光源的光束合成，有效降低系统的复杂度，是实现光束合成系统高功率、轻小型化的有效途径。
为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种基于自由曲面的二维阵列光谱合成方法，包括：
S100：选择一组以一定阵列排布的激光阵列光源，发射激光子束入射至第一自由曲面反射镜；
S200：所述第一自由曲面反射镜对光束出射角度进行控制后，反射光束至第二自由曲面反射镜；
S300：入射至所述第二自由曲面反射镜的光束完成二维阵列向一维阵列的变换，然后将所述一维阵列光束按照各自波长对应的衍射角传递至衍射元件的同一位置；
S400：衍射元件对传递至同一位置的光束进行衍射，实现激光光束的合成。
进一步地，激光光束在第一自由曲面反射镜和第二自由曲面反射镜进行入射和反射时，需要确定其面形参数,包括：
S201：根据二维阵列光束的位置排布参数，各光束中心坐标为[xSi，ySi，zSi]，各子光束平行入射至第一自由曲面反射镜上，则可确定各子光束在第一自由曲面反射镜上x与y方向的中心坐标[xFIi，yFIi]。
进一步地，所述确定其面形参数,包括：
S202：确定光栅的位置及参数，设光栅的刻线间距为d，激光在光栅上的合束位置坐标为[xG，yG，zG]，光栅法线与x轴的夹角为θ，合成后激光在光栅上的出射角度为α，光纤光源发射出的激光中心波长为λi(i=1,2,…,n)，反射角和衍射角的关系计算方程为：
式中，m为衍射级次，α为反射角，β为衍射角，d为光栅的刻线间距，λi为激光中心波长，获得各中心波长对应的衍射角β，根据波长变换即可确定各光束入射光栅的角度φi。
进一步地，所述确定其面形参数,包括：
S203：根据各光束入射光栅的角度φi，确定各光束在第二自由曲面反射镜上x和y方向的坐标[xFOi，yFOi]。
进一步地，所述确定其面形参数,包括：
S204：根据各点坐标计算局部面形法线向量，再根据法线向量计算公式和等光程条件可分别计算获得各自由曲面上光束z方向的中心坐标zFIi和zFOi，法线向量的计算公式为：
其中，Oi是出射向量，Ii是入射向量。
进一步地，所述确定其面形参数,包括：
S205：依次计算自由曲面反射镜上全部三维坐标数据，通过面形拟合方法，确定第一自由曲面反射镜和第二自由曲面反射镜的面形。
按照本发明的第二方面，提供一种基于自由曲面的二维阵列光谱合成系统，包括：
激光阵列光源、第一自由曲面反射镜、第二自由曲面反射镜以及衍射元件；其中，
所述激光阵列光源发射激光子束入射至第一自由曲面反射镜；
所述第一自由曲面反射镜对光束出射角度进行控制后，反射光束至第二自由曲面反射镜；
入射至所述第二自由曲面反射镜的光束完成二维阵列向一维阵列的变换，然后将所述一维阵列光束按照各自波长对应的衍射角传递至衍射元件的同一位置；
所述衍射元件对传递至同一位置的光束进行衍射，实现激光光束的合成。
进一步地，还包括：第三自由曲面反镜；
所述第二自由曲面反射镜对光束的反射光角度进行调整，入射至第三自由曲面反射镜进行二维阵列变换成一维阵列排布。
进一步地，激光光束在第一自由曲面反射镜、第二自由曲面反射镜以及第三自由曲面反射镜进行入射和折射时，需要确定其面形参数。
进一步地，所述衍射元件为光栅，可将入射至本器件同一位置的入射光束衍射成一束光，实现激光光束的合成。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1.本发明的方法，利用两个或三个自由曲面光学元件实现二维阵列光源的光束合成，有效降低系统的复杂度，是实现光束合成系统高功率、轻小型化的有效途径。
2.本发明的方法，利用多个自由曲面光学元件实现二维阵列激光光束合成，技术方案结构简单，应用灵活。
3.本发明的方法，可有效减小合成系统的复杂程度与体积，有利于光束合成系统的轻小型化。
附图说明
图1为本发明实施例一种基于自由曲面的二维阵列光谱合成方法流程示意图；
图2为本发明实施例一种基于自由曲面的二维阵列光谱合成方法的设计结构示意图；
图3为本发明实施例一种基于自由曲面的二维阵列光谱合成方法的二维阵列光源3×3排列方式示意图；
图4为本发明实施例另一种基于自由曲面的二维阵列光谱合成方法的设计结构示意图；
图5为本发明实施例一种基于自由曲面的二维阵列光谱合成方法的二维阵列光源5×2排列方式示意图。
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-二维阵列光源、2-第一自由曲面反射镜、3-第二自由曲面反射镜, 4-衍射元件,5-第三自由曲面反射镜。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
如图1所示，本发明实施例提供一种基于自由曲面的二维阵列光谱合成方法，具体步骤如下：
S100：选择一组以一定阵列排布的激光阵列光源，发射激光子束入射至第一自由曲面反射镜；
S200：第一自由曲面反射镜对光束出射角度进行控制后，反射光束至第二自由曲面反射镜；
S300：入射至第二自由曲面反射镜的光束完成二维阵列向一维阵列的变换，然后将一维阵列光束按照各自波长对应的衍射角传递至衍射元件的同一位置；
S400：衍射元件对传递至同一位置的光束进行衍射，实现激光光束的合成。
本发明的方法，利用两个或三个自由曲面光学元件实现二维阵列光源的光束合成，有效降低系统的复杂度，是实现光束合成系统高功率、轻小型化的有效途径。
实施例2
如图2所示，本发明实施例一种基于自由曲面的二维阵列光谱合成方法的系统，包括激光阵列光源1、第一自由曲面反射镜2、第二自由曲面反射镜3，衍射元件4。
更具体地说，激光阵列光源是按照3×3的阵列方式进行排布，如图3所示，起到发射9束以3×3阵列排布的激光子束的作用。第一自由曲面反射镜2起到控制入射到本器件的光束反射以后的反射角度的作用，入射至第二自由曲面反射镜3，进行二维阵列变换成一维阵列排布，第二自由曲面反射镜3调整反射角度，使得光束按照各自波长对应的衍射角入射至衍射元件同一位置。衍射元件4为光栅，可以将入射至本器件同一位置的入射光束，衍射成一束光，实现激光光束的合成。
进一步的，激光光束在第一自由曲面反射镜2和第二自由曲面反射镜3进行入射和反射时，需要确定其面形参数，确定方法如下：
步骤1，根据二维阵列光束的位置排布参数，各光束中心坐标为[xSi，ySi，zSi]，由于各子光束平行入射至第一自由曲面反射镜上，则可确定各子光束在第一自由曲面反射镜上x与y方向的中心坐标[xFIi，yFIi]；
步骤2，确定光栅的位置及参数，设光栅的刻线间距为d，激光在光栅上的合束位置坐标为[xG，yG，zG]，光栅法线与x轴的夹角为θ，合成后激光在光栅上的出射角度为α，光纤光源发射出的激光中心波长为λi(i=1,2,…,n)，反射角和衍射角的关系计算方程为
式中m为衍射级次，α为反射角，β为衍射角，d为光栅的刻线间距，λi为激光中心波长，求出各中心波长对应的衍射角β，根据波长变换即可确定各光束入射光栅的角度φi；
步骤3，根据各光束入射光栅的角度φi，可确定各光束在第二自由曲面反射镜3上x和y方向的坐标[xFOi，yFOi]；
步骤4，根据各点坐标计算局部面形法线向量，再根据法线向量计算公式和等光程条件可分别计算获得各自由曲面上光束z方向的中心坐标zFIi和zFOi，法线向量的计算公式为：
其中，Oi是出射向量，Ii是入射向量。
步骤5，根据上述步骤依次计算自由曲面反射镜上全部三维坐标数据；
自由曲面反射镜的三维坐标数据，通过面形拟合方法，确定第一自由曲面反射镜（2）和第二自由曲面反射镜（3）的面形，亦可将三维坐标数据导入三维建模软件中构建实体模型。
本发明的方法，可有效减小合成系统的复杂程度与体积，有利于光束合成系统的轻小型化。
实施例3
本发明实施例提供一种基于自由曲面的二维阵列光谱合成方法的系统，包括激光阵列光源1、第一自由曲面反射镜2、第二自由曲面反射镜3、衍射元件4、第三自由曲面反镜5。
更具体地说，激光阵列光源是按照5×2的阵列方式进行排布，如图3所示，起到发射10束以5×2阵列排布的激光子束的作用。
更具体地说，第一自由曲面反射镜2起到控制入射到本器件的光束反射以后的反射角度的作用，使得入射至下一自由曲面反射镜的光束位置在Y方向上移动至少一个光束口径大小。第二自由曲面反射镜3对光束的反射光角度进行调整，入射至第三自由曲面反射镜3，进行二维阵列变换成一维阵列排布，第二自由曲面反射镜3调整反射角度，使得光束按照各自波长对应的衍射角入射至衍射元件同一位置。
更具体地说，衍射元件4为光栅，可以将入射至本器件同一位置的入射光束，衍射成一束光，实现激光光束的合成。
进一步的，激光光束在第一自由曲面反射镜2、第二自由曲面反射镜3以及第三自由曲面反射镜5进行入射和折射时，需要确定其面形参数，确定方法如下：
步骤1，根据二维阵列光束的位置排布参数，各光束中心坐标为[xSi，ySi，zSi]，由于各子光束平行入射至第一自由曲面反射镜上，则可确定各子光束在第一自由曲面反射镜上x与y方向的中心坐标[xF1i，yF1i]；
步骤2，确定光栅的位置及参数，设光栅的刻线间距为d，激光在光栅上的合束位置坐标为[xG，yG，zG]，光栅法线与x轴的夹角为θ，合成后激光在光栅上的出射角度为α，光纤光源发射出的激光中心波长为λi(i=1,2,…,n)，反射角和衍射角的关系计算方程为：
式中m为衍射级次，α为反射角，β为衍射角，d为光栅的刻线间距，λi为激光中心波长，求出各中心波长对应的衍射角β，根据波长变换即可确定各光束入射光栅的角度φi；
步骤3，根据各光束入射光栅的角度φi，可确定各光束在第三自由曲面反射镜5上x和y方向的坐标[xF3i，yF3i]；
步骤4，根据任一列光束在第二自由曲面反射镜3垂直方向上的移动距离，确定各光束x和y方向的位置坐标[xF2i，yF2i]；
步骤5，根据各点坐标计算局部面形法线向量，再根据法线向量计算公式和等光程条件可分别计算获得各自由曲面上光束z方向的中心坐标zFIi和zFOi，法线向量的计算公式为：
步骤6，根据上述步骤依次计算自由曲面反射镜上全部三维坐标数据；
自由曲面反射镜的三维坐标数据通过面形拟合方法，确定各自由曲面反射镜的面形，亦可将三维坐标数据导入三维建模软件中构建实体模型。本发明的方法，利用多个自由曲面光学元件实现二维阵列激光光束合成，技术方案结构简单，应用灵活。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，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 (6)

1.一种基于自由曲面的二维阵列光谱合成方法，其特征在于，包括：
S100：选择一组以一定阵列排布的激光阵列光源，发射激光子束入射至第一自由曲面反射镜；
S200：所述第一自由曲面反射镜对光束出射角度进行控制后，反射光束至第二自由曲面反射镜；
激光光束在第一自由曲面反射镜和第二自由曲面反射镜进行入射和反射时，需要确定其面形参数,包括：
S201：根据二维阵列光束的位置排布参数，各光束中心坐标为[xSi，ySi，zSi]，各子光束平行入射至第一自由曲面反射镜上，则可确定各子光束在第一自由曲面反射镜上x与y方向的中心坐标[xFIi，yFIi]
S202：确定光栅的位置及参数，设光栅的刻线间距为d，激光在光栅上的合束位置坐标为[xG，yG，zG]，光栅法线与x轴的夹角为θ，合成后激光在光栅上的出射角度为α，光纤光源发射出的激光中心波长为λi(i=1,2,…,n)，反射角和衍射角的关系计算方程为：
式中，m为衍射级次，α为反射角，β为衍射角，d为光栅的刻线间距，λi为激光中心波长，获得各中心波长对应的衍射角β，根据波长变换即可确定各光束入射光栅的角度φi；
S203：根据各光束入射光栅的角度φi，确定各光束在第二自由曲面反射镜上x和y方向的坐标[xFOi，yFOi]；
S204：根据各点坐标计算局部面形法线向量，再根据法线向量计算公式和等光程条件可分别计算获得各自由曲面上光束z方向的中心坐标zFIi和zFOi，法线向量的计算公式为：
其中，Oi是出射向量，Ii是入射向量；
S300：入射至所述第二自由曲面反射镜的光束完成二维阵列向一维阵列的变换，然后将所述一维阵列光束按照各自波长对应的衍射角传递至衍射元件的同一位置；
S400：衍射元件对传递至同一位置的光束进行衍射，实现激光光束的合成。
2.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面的二维阵列光谱合成方法，其特征在于，所述确定其面形参数,包括：
S205：依次计算自由曲面反射镜上全部三维坐标数据，通过面形拟合方法，确定第一自由曲面反射镜和第二自由曲面反射镜的面形。
3.一种基于自由曲面的二维阵列光谱合成系统，其特征在于，包括：
激光阵列光源、第一自由曲面反射镜、第二自由曲面反射镜以及衍射元件；其中，
所述激光阵列光源发射激光子束入射至第一自由曲面反射镜；
所述第一自由曲面反射镜对光束出射角度进行控制后，反射光束至第二自由曲面反射镜；
激光光束在第一自由曲面反射镜和第二自由曲面反射镜进行入射和反射时，需要确定其面形参数,包括：
根据二维阵列光束的位置排布参数，各光束中心坐标为[xSi，ySi，zSi]，各子光束平行入射至第一自由曲面反射镜上，则可确定各子光束在第一自由曲面反射镜上x与y方向的中心坐标[xFIi，yFIi]
确定光栅的位置及参数，设光栅的刻线间距为d，激光在光栅上的合束位置坐标为[xG，yG，zG]，光栅法线与x轴的夹角为θ，合成后激光在光栅上的出射角度为α，光纤光源发射出的激光中心波长为λi(i=1,2,…,n)，反射角和衍射角的关系计算方程为：
式中，m为衍射级次，α为反射角，β为衍射角，d为光栅的刻线间距，λi为激光中心波长，获得各中心波长对应的衍射角β，根据波长变换即可确定各光束入射光栅的角度φi；
根据各光束入射光栅的角度φi，确定各光束在第二自由曲面反射镜上x和y方向的坐标[xFOi，yFOi]；
根据各点坐标计算局部面形法线向量，再根据法线向量计算公式和等光程条件可分别计算获得各自由曲面上光束z方向的中心坐标zFIi和zFOi，法线向量的计算公式为：
其中，Oi是出射向量，Ii是入射向量；
入射至所述第二自由曲面反射镜的光束完成二维阵列向一维阵列的变换，然后将所述一维阵列光束按照各自波长对应的衍射角传递至衍射元件的同一位置；
所述衍射元件对传递至同一位置的光束进行衍射，实现激光光束的合成。
4.根据权利要求3所述的一种基于自由曲面的二维阵列光谱合成系统，其特征在于，还包括：第三自由曲面反镜；
所述第二自由曲面反射镜对光束的反射光角度进行调整，入射至第三自由曲面反射镜进行二维阵列变换成一维阵列排布。
5.根据权利要求4所述的一种基于自由曲面的二维阵列光谱合成系统，其特征在于，激光光束在第一自由曲面反射镜、第二自由曲面反射镜以及第三自由曲面反射镜进行入射和折射时，需要确定其面形参数。
6.根据权利要求3-5中任一项所述的一种基于自由曲面的二维阵列光谱合成系统，其特征在于，所述衍射元件为光栅，可将入射至本器件同一位置的入射光束衍射成一束光，实现激光光束的合成。
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