CN116646811A - 一种脉冲激光时序合成装置 - Google Patents

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CN116646811A CN202310509800.5A CN202310509800A CN116646811A CN 116646811 A CN116646811 A CN 116646811A CN 202310509800 A CN202310509800 A CN 202310509800A CN 116646811 A CN116646811 A CN 116646811A
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Abstract

本发明公开了一种脉冲激光时序合成装置，该装置包括光源模块、第一双折射晶体、第二双折射晶体、偏振调制器及时序同步控制器，将光源模块产生的三束脉冲激光准直并按特定距离平行放置，依次经过第一双折射晶体、偏振调制器和第二双折射晶体后合为一束。与现有技术相比，本发明的脉冲激光时序合成装置不涉及机械运动器件，避免了机械抖动带来的激光指向不稳定性问题，可以实现线偏振激光或非线偏振激光的时序合成，对用于合成的激光偏振要求低，拓宽了用于合成的激光的适用范围，所用的双折射晶体尤其适宜高功率高光束质量激光的合成。

Description

一种脉冲激光时序合成装置
技术领域
本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种脉冲激光时序合成装置。
背景技术
高功率高亮度激光器在工业制造、科学研究和国家安全等领域具有重要应用。但随着激光功率的提升，光束质量非线性下降，导致激光亮度无法保证。光束合成技术可以分散热管理，是解决此难题的重要手段。其中，多束脉冲激光时序共轴合成技术具有控制相对容易，合成效率高和合束后光束质量好等优点，是目前提高激光功率、亮度的重要途径。
现有时序合成技术主要包括反射式时序合成、折射位移式时序合成以及偏振式时序合成三类。反射式和折射位移式时序共轴合成技术由于使用机械转动或摆动器件所带来的机械抖动会增大合成光束的指向抖动，稳定性较差；现有的偏振式时序合成方法中对合成子激光的偏振有较高要求，限制了适用合成子激光的可选范围。
因此，亟需一种既能提高合成光束指向稳定性，又能满足多种偏振类型激光的合成脉冲时序合成装置。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于克服现有脉冲激光时序合成技术受机械抖动影响大，对合成子激光偏振要求高的问题，提出一种新的脉冲时序合成装置。
(二)技术方案
为了解决上述至少一个技术问题，本发明提供了一种脉冲激光时序合成装置，结合脉冲激光的特点以及激光在双折射晶体的中的传输规律，设计了能够实现两束线偏振光和一束任意偏振光脉冲时序合成装置，对该装置所包含的双折射晶体等关键组件的结构和性能参数进行了研究和设计。
本发明提供了一种脉冲激光时序合成装置，包括：沿光路方向依次设置的光源模块、第一双折射晶体、偏振调制器、第二双折射晶体，还包括时序同步控制器；
光源模块用于产生三束平行的第一子激光、第二子激光和第三子激光，第一子激光、第二子激光和第三子激光位于同一入射平面内，其中第二子激光位于第一子激光与第三子激光之间，相邻子激光间距为D，第一子激光与第三子激光为线偏振光、且偏振方向正交；时序同步控制器用于控制第一子激光、第二子激光、第三子激光脉冲时间延迟，其中第一子激光与第三子激光脉冲无时间延迟，第二子激光与第一子激光、第三子激光具有特定延时Δt；
第一双折射晶体具有相对设置的第一平面和第二平面，第一子激光、第二子激光、第三子激光垂直所述第一平面入射，第一子激光与第二子激光的偏振分量光进行合束形成第一次级合成光束从所述第二平面出射，第三子激光与第二子激光的另一偏振分量光进行合束形成第二次级合成光束从所述第二平面出射；时序同步控制器控制所述偏振调制器对进入所述偏振调制器的所述第一次级合成光束和所述第二次级合成光束进行调制，形成第三次级合成光束和第四次级合成光束，其中，所述第三次级合成光束和第四次级合成光束均为线偏振光、且偏振方向正交；
第二双折射晶体具有相对设置的第三平面和第四平面，第三次级合成光束和第四次级合成光束垂直第三平面入射，其中一束次级合成光束向另一束次级合成光束偏移合束后输出形成主合成激光束从所述第四平面出射。
可选地，第一双折射晶体为负单轴双折射晶体或正单轴双折射晶体；第一双折射晶体的光轴与第一平面的夹角为β1，第一双折射晶体的光轴平行于第一子激光、第二子激光与第三子激光所确定的平面，第一平面和第二平面的间距为d1，相邻子激光间距为D应满足：
其中，no1为第一双折射晶体内部o光折射率，ne1为第一双折射晶体内部e光折射率。
可选地，第二双折射晶体为负单轴双折射晶体或正单轴双折射晶体；第二双折射晶体的光轴与第三平面的夹角为β2，第二双折射晶体的光轴平行于第一子激光、第二子激光与第三子激光所确定的平面，第三平面与第四平面的间距为d2满足：
其中，no2为第二双折射晶体内部o光折射率，ne2为第二双折射晶体内部e光折射率。
可选地，光源模块包括子激光发射单元和光束间隔及指向控制单元，子激光发射单元包括至少两台子激光器，用于发射激光，光束间隔及指向控制单元用于调整子激光发射单元发射的激光，以形成第一子激光、第二子激光和第三子激光。
可选地，子激光发射单元包括两台子激光器，产生两束激光，光束间隔及指向控制单元包括偏振分光镜以对其中一台激光器产生的激光进行分束，形成所述第一子激光和第三子激光。
可选地，子激光发射单元包括四台子激光器，产生四束线偏振激光，光束间隔及指向控制单元包括偏振合束镜，以对其中两台激光器产生的偏振激光进行合束，形成所述第二子激光。
可选地，第一子激光、第二子激光和第三子激光的脉宽τ和重复频率f均相同，特定时间延迟Δt应满足：τ<Δt<1/f。
可选地，子激光器包括脉冲发射的光纤激光器、固体激光器、半导体激光器和气体激光器中的一种或多种。
可选地，第一双折射晶体和第二双折射晶体为双折射系数大于0.1的单轴晶体；第一双折射晶体和第二双折射晶体包括钒酸钇或冰洲石。
可选地，偏振调制器包括电光调制器、声光调制器、磁光调制器中的至少一种。
(三)有益效果
本发明提供了一种脉冲激光时序合成装置，光源模块产生的第一子激光、第二子激光、第三子激光平行入射到第一双折射晶体，经时序同步控制器和偏振调制器的调制，形成的次级合成光束平行入射至第二双折射晶体后，合束形成主合成激光束。本发明装置中未使用需要机械转动的反射或折射器件，避免了脉冲时序合成过程中由于使用机械运动器件所带来的光束指向抖动问题，提高了激光合成稳定性。本发明的脉冲激光时序合成装置对用于合成的子激光偏振要求低，拓宽了用于合成的子激光的适用范围。本发明的脉冲激光时序合成装置对子激光束的指向控制容易，双折射晶体的加工仅涉及入射平面和出射平面的平行加工，实现较为容易，适宜于高功率高光束质量的脉冲激光时序合成。
在本发明的一优选实施例中，光源模块产生的第一子激光和第三子激光来自一台任意偏振输出的激光器，光源模块产生的第二子激光来自另一台任意偏振输出的子激光器。该方案适用于两台任意偏振输出的激光器的脉冲时序合成，对子激光器输出激光的偏振方向完全没有要求。
在本发明的另一优选实施例中，光源模块产生的第一子激光和第三子激光分别来自两台线偏振输出的子激光器，光源模块产生的第二子激光来自另外两台线偏振输出的激光器。该方案适用于四台线偏振输出的激光器的脉冲时序合成，与现有的偏振时序合成技术相比，在相同的主合成激光束的占空比下，可以合成的子激光路数翻倍，因此有利于多路线偏振子激光的合成。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明提供的脉冲激光时序合成装置示意图。
图2为本发明中第一双折射晶体为正单轴晶体时内部光束传输示意图。
图3为本发明中第二双折射晶体为负单轴晶体时内部光束传输示意图。
图4为本发明中第二双折射晶体为正单轴晶体时内部光束传输示意图。
图5为本发明中第二双折射晶体为负单轴晶体时内部光束传输示意图。
图6为本发明实施例一提供的两台线偏振和一台任意偏振激光的脉冲时序合成装置示意图。
图7为本发明实施例二提供的两台任意偏振激光的脉冲时序合成装置示意图。
图8为本发明实施例三提供的四台线偏振激光的脉冲时序合成装置示意图。
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作出创造性劳动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。
在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
本发明提供一种脉冲激光时序合成装置，如图1所示，包括沿入射光路方向依次设置的光源模块1、第一双折射晶体2、偏振调制器3、第二双折射晶体4，还包括时序同步控制器5。
光源模块1用于产生三束平行的第一子激光、第二子激光和第三子激光，第一子激光、第二子激光和第三子激光位于同一入射平面内，其中第二子激光位于第一子激光与第三子激光之间，相邻子激光间距为D，第一子激光与第三子激光为线偏振光、且偏振方向正交。图1中，以第一子激光和第三子激光的偏振方向平行于入射平面(P偏振光)或者垂直于入射平面(S偏振光)为例。对于第二子激光的偏振方向不做限定，第二子激光可以为线偏振光也可以为非线偏振光，例如可以为线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光、自然光。
时序同步控制器5用于控制第一子激光、第二子激光、第三子激光的脉冲时间延迟，还可以控制三束子激光的脉宽和重复频率，其中第一子激光与第三子激光脉冲无时间延迟，第二子激光与第一子激光、第三子激光具有特定延时Δt。在一些实施例中，第一子激光、第二子激光和第三子激光具有相同的脉宽τ和重复频率f，第二子激光与第一子激光、第三子激光脉冲的时间延时Δt应尽量大于脉冲宽度τ，小于脉冲重复频率的倒数1/f。因为第二子激光与第一子激光、第三子激光脉冲间产生的时间延时Δt的存在，为后续时序合成提供可能。
第一双折射晶体2具有相对设置的第一平面和第二平面，对于第一双折射晶体2的其他表面不做限定，第一双折射晶体2的其他表面可以为平面、曲面或多面结构。在一些实施例中，第一双折射晶体2可以为长方体结构。第一子激光、第二子激光、第三子激光垂直第一平面入射，第一子激光与第二子激光的偏振分量光进行合束形成第一次级合成光束从第二平面出射，第三子激光与第二子激光的另一偏振分量光进行合束形成第二次级合成光束从第二平面出射。第一子激光为S线偏振光，在第一双折射晶体2内以o光传输，其传输方向不发生改变，经过第一双折射晶体2后仍以S偏振光出射。第二子激光可以是线偏振光、圆偏振光和自然光等任意偏振的脉冲激光，经过第一双折射晶体2时，第二子激光的S偏振分量以o光传输，传输方向不发生改变，第二子激光的P偏振分量以e光传输，传输方向发生偏折。第二子激光在第一双折射晶体2内部的传输过程可参考图2和图3，经过第一双折射晶体2后被分为间隔距离为D的第二子激光S偏振分量光和第二子激光P偏振分量光，第二子激光S偏振分量光对应晶体内部传输的o光，相对入射光没有产生位移；第二子激光P偏振光对应晶体内部传输的e光，相对入射光向第一子激光方向平移了距离D，与第一子激光在空间上合成为第一次级合成光束。需要说明的是，当第二子激光是自然光、圆偏振光、椭圆偏振光时，它在第一双折射晶体2内以偏振方向正交的e光分量和o光分量传输；当第二子激光是P偏振光时，它在第一双折射晶体内的o光分量为零；当第二子激光是S偏振光时，它在第一双折射晶体内的e光分量为零。第三子激光为P偏振光，在第一双折射晶体2内以e光传输，其传输方向发生偏折；经过第一双折射晶体2后，第三子激光向第二子激光方向平移了距离D，与第二子激光的S偏振分量光在空间上合成为第二次级合成光束。
时序同步控制器5控制偏振调制器3对进入偏振调制器3的第一次级合成光束和第二次级合成光束进行调制，形成第三次级合成光束和第四次级合成光束，其中，第三次级合成光束和第四次级合成光束均为线偏振光、且偏振方向正交。偏振调制器3为周期性工作的偏振调制器，根据其工作原理可以分为电光调制器、声光调制器和磁光调制器，包括内部调制晶体和外围驱动单元，在时序同步控制器5的控制下，外围驱动单元驱动内部调制晶体使其周期性地开启和停止偏振调制。偏振调制器3具有特定的调制频率、调制脉冲持续时间和开关时间，其调制频率可以为子激光脉冲重复频率的整数倍，其调制脉冲持续时间应长于子激光脉宽，其开关时间应尽量短，以便用于更短脉宽激光的合成。在一些优选实施例中，偏振调制器3的调制频率等于子激光脉冲重复频率。当第二子激光经过偏振调制器3时，偏振调制器3在时序同步控制器5的控制下处于关闭状态，第二子激光的各偏振分量光的偏振方向均不发生改变。当第一子激光和第三子激光经过时，偏振调制器3在时序同步控制器5的控制下处于打开状态，第一子激光和第三子激光的偏振方向被偏转90°。经过偏振调制器3调制后，第一次级合成光束形成所有脉冲偏振方向均一致的第三次级合成光束，第二次级合成光束形成所有脉冲偏振方向均一致的第四次级合成光束。
第二双折射晶体4具有相对设置的第三平面和第四平面，对于第二双折射晶体4的其他表面不做限定，第二双折射晶体4的其他表面可以为平面、曲面或多面结构。在一些实施例中，第二双折射晶体4可以为长方体结构。第三次级合成光束和第四次级合成光束垂直第三平面入射，其中一束次级合成光束向另一束次级合成光束偏移合束后输出形成主合成激光束6从第四平面出射。第二双折射晶体4用于将入射的第三次级合成光束和第四次级合成光束合成为主合成激光束6。第三次级合成光束和第四次级合成光束间隔距离为D，偏振方向正交。主合成激光束6相比于第一子激光、第二子激光和第三子激光的脉冲重复频率增加一倍，占空比增加一倍，平均功率为第一子激光、第二子激光和第三子激光功率的线性叠加。
本发明中光源模块1产生的子激光束平行入射到第一双折射晶体2，经同步控制器5和偏振调制器3的调制，形成的次级合成光束平行入射至第二双折射晶体4后，合束形成主合成激光束6，对子激光束的指向控制容易，双折射晶体的加工仅仅涉及入射平面和出射平面的平行加工，实现较为容易。本发明提供的脉冲激光时序合成装置既可以用于线偏振子激光的合成又可以用于非线偏振子激光的合成，大大拓宽了适用的子激光的范围。本发明装置中未使用需要机械转动的反射或折射器件，避免了脉冲时序合成过程中由于使用机械运动器件所带来的光束指向抖动问题，提高了激光合成稳定性。本发明的脉冲激光时序合成装置尤其适宜于高功率高光束质量的脉冲激光时序合成。
第一双折射晶体2可以为负单轴双折射晶体或正单轴双折射晶体。当第一双折射晶体2为正单轴双折射晶体时，其内部传输光路如图2所示，图中虚线为光轴方向，e光线相对o光线靠近光轴。当第一双折射晶体2为负单轴双折射晶体时，其内部传输光路如图3所示，图中虚线为光轴方向，e光线相对o光线远离光轴。
第一双折射晶体2的光轴与第一平面的夹角为β1，第一双折射晶体2的光轴平行于第一子激光、第二子激光与第三子激光所确定的平面。激光垂直入射至第一双折射晶体2时，第一双折射晶体2内部e光与o光射线夹角α1与β1的关系如下：
其中，n01为第一双折射晶体2内部o光折射率，ne1为第一双折射晶体2内部e光折射率。
第一双折射晶体2的第一平面和第二平面的间距为d1，相邻子激光间距D应满足：
D＝d1·tanα1
因此垂直入射至第一双折射晶体2的相邻子激光间距D为：
在一些优选实施例中，为了便于调整相邻子激光的光路，应使得垂直入射至的第一双折射晶体2的三束子激光的间隔距离D最大，光轴与第一平面的夹角β1满足：
tanβ1＝no1/ne1
此时，第一双折射晶体内部e光与o光射线夹角α1为最大离散角αM1
此时，子激光间距D最大为：
间隔距离D由第一平面和第二平面的间距为d1和所选的双折射晶体的最大离散角αM1共同决定。
第二双折射晶体4为负单轴双折射晶体或正单轴双折射晶体；当第二双折射晶体4为正单轴双折射晶体时，其内部传输光路如图4所示，图中虚线为光轴方向，e光线相对o光线靠近光轴。当第二双折射晶体4为负单轴双折射晶体时，其内部传输光路如图5所示，图中虚线为光轴方向，e光线相对o光线远离光轴。
第二双折射晶体4的光轴与第三平面的夹角为β2，第二双折射晶体的光轴平行于第一子激光、第二子激光与第三子激光所确定的平面。激光垂直入射至第二双折射晶体4时，第二双折射晶体4内部e光与o光射线夹角α2与β2的关系如下：
其中，no2为第二双折射晶体4内部o光折射率，ne2为第二双折射晶体4内部e光折射率。
由于垂直入射至第二双折射晶体4的第三次级合成光束和第四次级合成光束的间隔距离D是确定的，因此第三平面和第四平面的间距为d2相应确定为：
d2＝D/tanα2
第三平面与第四平面的间距为d2，由D、β2、no2、ne2所确定为：
在一些优选实施例中，第二双折射晶体4的光轴与第三平面的夹角β2满足：
tanβ2＝no2/ne2
此时，第二双折射晶体内部e光与o光射线夹角α2为最大离散角αM2
由于垂直入射到第二双折射晶体4的第三次级合成光束和第四次级合成光束的间隔距离与相邻子激光间距D相同，因此第二双折射晶体4的长度d2为
在一些实施例中，光源模块1包括子激光发射单元11和光束间隔及指向控制单元12，子激光发射单元11包括至少两台子激光器，用于发射激光，光束间隔及指向控制单元12用于调整子激光发射单元发射的激光，以形成第一子激光、第二子激光和第三子激光。
在一具体实施例中，如图6所示，子激光发射单元11包括三台子激光器，产生三束激光，光束间隔及指向控制单元12包括45°反射镜以对两台子激光器产生的激光进行指向和间隔调整，形成第一子激光和第三子激光。该实施例中，三台子激光器中的两台子激光器输出线偏振光，另一台子激光输出激光的偏振方向不做要求，可以为任意偏振光。
在另一具体实施例中，如图7所示，子激光发射单元11包括两台子激光器，产生两束激光，光束间隔及指向控制单元12包括偏振分光镜以对其中一台子激光器产生的激光进行分束，形成第一子激光和第三子激光。该实施例对两台子激光器输出激光的偏振方向不作要求，可以为任意偏振光，如自然光、圆偏振光、椭圆偏振光、线偏振光等，尤其适用于两台任意偏振输出的激光器的脉冲时序合成。
在又一具体实施例中，如图8所示，子激光发射单元11包括四台子激光器，产生四束线偏振激光，光束间隔及指向控制单元12包括偏振合束镜，以对其中两台子激光器产生的线偏振激光进行合束，形成第二子激光。该实施例适用于四台线偏振输出的激光器的脉冲时序合成，与现有的偏振时序合成技术相比，在相同的主合成激光束的占空比下，可以合成的子激光路数翻倍，因此有利于多路线偏振子激光的合成。
在一些实施例中，子激光发射单元11包括的子激光器可以为脉冲发射的光纤激光器、固体激光器、半导体激光器和气体激光器中的一种或多种。
在一些实施例中，第一双折射晶体和第二双折射晶体为双折射系数大于0.1的单轴晶体，如钒酸钇(YVO4)、冰洲石等。由于双折射晶体长度有限，双折射系数大于0.1，可以保证晶体内部e光与o光的夹角较大，因此可以实现更大间隔距离D的子激光的脉冲时序合成。
在一些实施例中，偏振调制器3包括电光调制器、声光调制器、磁光调制器中的至少一种，对入射光偏振方向选择性地进行90°偏转调制。
下面通过具体实施例对本发明提供的脉冲激光时序合成装置进行说明。
实施例1
本实施例的具体装置示意参见图6；该图为两台线偏振和一台任意偏振激光的脉冲时序合成装置示意图。
本实施例包括光源模块1、第一双折射晶体2、偏振调制器3、第二双折射晶体4、时序同步控制器5；
如图6所示，光源模块1由子激光发射单元11和光束间隔及指向控制单元12构成。子激光发射单元11包括三台水平放置的脉冲钠信标子激光器111、112和113，的光束间隔及指向控制单元12包括45°反射镜1201、1202、1203和1204；
子激光发射单元11优选但不必要为三台589nm的脉冲钠信标子激光器，其中，子激光器111输出S偏振光，光斑直径为3mm，平均输出功率为50W，重复频率f为500Hz，脉冲宽度τ为100μs；子激光器112输出任意偏振光，光斑直径为3mm，平均输出功率为50W，重复频率f为500Hz，脉冲宽度τ为100μs；子激光器113输出P偏振光，光斑直径为3mm，平均输出功率为50W，重复频率f为500Hz，脉冲宽度τ为100μs；
第一双折射晶体2和第二双折射晶体4均为YVO4(钒酸钇)负单轴晶体。对于589nm波长的激光，YVO4晶体的e光折射率ne为2.2154，YVO4晶体的o光折射率no为1.9929，双折射系数Δn为0.2225。本实施例中，第一双折射晶体2的光轴与第一平面的夹角β1为41.97°，β1满足：tanβ1＝no1/ne1，e光线和o光线的夹角为最大离散角αM1，αM1等于6.05°。第二双折射晶体4的光轴与入射端面的夹角β2为41.97°，满足：tanβ2＝no2/ne2，e光和o光的夹角为最大离散角αM2，αM2等于6.05°。第一双折射晶体2和第二双折射晶体4均切割为长方体形状，沿光传输方向长度d均为10cm，入射端面宽度均为5cm，厚度均为1cm。
本实施例中，所用的偏振调制器3为电光调制器。
在时序合成同步控制系统5的控制下，子激光器111和子激光器113的相对时间延迟为零(延迟远小于脉宽)，子激光器112与子激光器111、113的相对时间延迟Δt为1ms。子激光器112发射的第二子激光垂直于第一双折射晶体2入射。子激光器111发射的激光经45°反射镜1201和1202调整后，形成光束指向和水平高度均与子激光器112发射的第二子激光一致的第一子激光，第一子激光与第二子激光水平间隔距离D为10.6mm。子激光器113发射的激光经过45°反射镜1203和1204调整后形成指向和水平高度均与子激光112发射的第二子激光一致的第三子激光，第三子激光与第二子激光水平间隔距离D为10.6mm。
经过第一双折射晶体2后，第一子激光与第二子激光S偏振分量光相对入射光均不产生位移；第二子激光被分为P偏振和S偏振的两束分量光；第二子激光P偏振分量光相对入射光向第一子激光方向平移了距离D，与第一子激光在空间上合束形成第一次级合成光束；第三子激光相对入射光向第二子激光方向平移了距离D，与第二子激光的S偏振分量光在空间上合束形成第二次级合成光束。
在时序合成同步控制系统5的控制下，偏振调制器3将第一子激光和第三子激光的偏振方向旋转90°，第二子激光的各偏振分量光的偏振方向不变。经过偏振调制器3出射面后，第一次级合成光束和第二次级合成光束形成第三次级合成光束和第四次级合成光束，其中，第三次级合成光束和第四次级合成光束均为线偏振光、且偏振方向正交。
偏振方向正交的第三次级合成光束和第四次级合成光束垂直入射到第二双折射晶体4后，其中一束次级合成光束向另一束次级合成光束偏移合束后输出形成主合成激光束6。合成得到的主光束6为平均功率150W、重复频率1kHz的合束脉冲钠信标激光。
本实施例提供了两束线偏振和一束任意偏振的脉冲子激光时序合成装置，将双折射晶体的分束和合束技术与现有偏振时序合成技术结合，实现了两束低平均功率的线偏振激光和一束低平均功率的任意偏振激光的合成。该发明一次合成了三束激光，且对其中一束激光的偏振方向不作要求，可以用于更多的光束合成的场景中。
实施例2
本实施例的具体装置示意参见图7；该图为两台任意偏振激光的脉冲时序合成装置示意图；本实施例提供的装置的结构与实施例1提供的装置的结构基本相同，不同之处在于：
1、光源模块1中子激光发射单元11和光束间隔及指向控制单元12的构成不同，子激光发射单元11由子激光器114和115组成，光束间隔及指向控制单元12由与45°反射镜1205、1206、1208和偏振分束镜1207组成。
2、子激光器114和115的偏振方向可以为任意偏振，不做要求。
3、本实施例中，子激光器114发射的第二子激光垂直于第一双折射晶体2入射。子激光器115发射的激光经45°反射镜1205和1206调整后入射到偏振分束镜1207上，经偏振分束镜1207分束后，P偏振分量光形成第三子激光，S偏振分量光径反射镜1208调整间隔和指向后形成第三子激光。
4、子激光发射单元11优选但不必要为两台589nm的脉冲钠信标子激光器，其中，子激光器114输出为任意偏振光，光斑直径为3mm，平均输出功率为50W，重复频率f为500Hz，脉冲宽度τ为100μs；子激光器115输出为任意偏振光，光斑直径为3mm，平均输出功率为50W，重复频率f为500Hz，脉冲宽度τ为100μs；
5、在时序合成同步控制系统5的控制下，子激光器114和子激光器115的相对时间延迟Δt为1ms。
6、本实施例中，合成得到的主光束6为平均功率100W、重复频率1kHz的合成脉冲钠信标激光。
本实施例提供了两束任意偏振的脉冲子激光时序合成装置，对用于合成的子激光器所发射激光的偏振方向不做要求，大大拓宽了适用子激光的范围。
实施例3
本实施例的具体装置示意参见图8；该图为四台线偏振激光的脉冲时序合成装置示意图；本实施例提供的装置的结构与实施例1提供的装置的结构基本相同，不同之处在于：
1、光源模块1中子激光发射单元11和光束间隔及指向控制单元12的构成不同，子激光发射单元11由子激光器116、117、118和119组成，光束间隔及指向控制单元12由与水平方向呈45°放置的反射镜1209、1210、1211、1212、1213、1215、1216和偏振合束镜1214组成。
2、子激光器116、117、118和119发射的激光均为线偏振光。
3、本实施例中，子激光器116发射的激光经45°反射镜1201和1202调整后，形成第一子激光；子激光器117发射的激光与子激光器118发射的激光经过45°反射镜1211、1212和1213调整间隔和指向后入射到偏振合束镜1214上，经偏振合束镜1214合束后形成第二子激光；子激光器119发射的激光经45°反射镜1215和1216调整后形成第三子激光。相邻子激光的间隔距离D为10.6mm。
4、子激光发射单元11优选但不必要为四台589nm的脉冲钠信标子激光器，其中，子激光器116输出为S偏振光，光斑直径为3mm，平均输出功率为50W，重复频率f为500Hz，脉冲宽度τ为100μs；子激光器117输出为P偏振光，光斑直径为3mm，平均输出功率为50W，重复频率f为500Hz，脉冲宽度τ为100μs；118输出为S偏振光，光斑直径为3mm，平均输出功率为50W，重复频率f为500Hz，脉冲宽度τ为100μs；119输出为P偏振光，光斑直径为3mm，平均输出功率为50W，重复频率f为500Hz，脉冲宽度τ为100μs；
5、在时序合成同步控制系统5的控制下，子激光器116和子激光器119的相对时间延迟为零(延迟远小于脉宽)，子激光器117和子激光器118的相对时间延迟延迟为零(延迟远小于脉宽)，子激光器116、119与子激光器117、118的相对时间延迟Δt为1ms。
6、本实施例中，合成得到的主光束6为平均功率200W、重复频率1kHz的合成脉冲钠信标激光。
本实施例提供了四束线偏振的脉冲激光时序合成装置，光源模块产生的第一子激光和第二子激光分别来自两台线偏振子激光器，光源模块产生的第二子激光则来自另外两台线偏振激光器的偏振合束。本方案实现了四束线偏振子激光的合成，与现有的偏振时序合成技术相比，在相同的占空比下，合成子激光的路数翻倍，因此有利于更多束线偏振子激光的合成。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种脉冲激光时序合成装置，其特征在于，包括：
沿光路方向依次设置的光源模块、第一双折射晶体、偏振调制器、第二双折射晶体，还包括时序同步控制器；
所述的光源模块用于产生三束平行的第一子激光、第二子激光和第三子激光，所述第一子激光、第二子激光和第三子激光位于同一入射平面内，其中所述第二子激光位于所述第一子激光与所述第三子激光之间，相邻子激光间距为D，所述第一子激光与所述第三子激光为线偏振光、且偏振方向正交；所述时序同步控制器用于控制所述第一子激光、第二子激光、第三子激光脉冲时间延迟，其中所述第一子激光与第三子激光脉冲无时间延迟，所述第二子激光与第一子激光、第三子激光具有特定延时Δt；
所述第一双折射晶体具有相对设置的第一平面和第二平面，所述第一子激光、第二子激光、第三子激光垂直所述第一平面入射，所述第一子激光与所述第二子激光的偏振分量光进行合束形成第一次级合成光束从所述第二平面出射，第三子激光与第二子激光的另一偏振分量光进行合束形成第二次级合成光束从所述第二平面出射；所述时序同步控制器控制所述偏振调制器对进入所述偏振调制器的所述第一次级合成光束和所述第二次级合成光束进行调制，形成第三次级合成光束和第四次级合成光束，其中，所述第三次级合成光束和第四次级合成光束均为线偏振光、且偏振方向正交；
所述第二双折射晶体具有相对设置的第三平面和第四平面，所述第三次级合成光束和所述第四次级合成光束垂直所述第三平面入射，其中一束次级合成光束向另一束次级合成光束偏移合束后输出形成主合成激光束从所述第四平面出射。
2.根据权利要求1所述的脉冲激光时序合成装置，其特征在于，所述的第一双折射晶体为负单轴双折射晶体或正单轴双折射晶体；
所述第一双折射晶体的光轴与所述第一平面的夹角为β1，所述第一双折射晶体的光轴平行于所述第一子激光、第二子激光与第三子激光所确定的平面，所述第一平面和所述第二平面的间距为d1，相邻子激光间距为D应满足：
其中，no1为第一双折射晶体内部o光折射率，ne1为第一双折射晶体内部e光折射率。
3.根据权利要求2所述的脉冲激光时序合成装置，其特征在于，所述的第二双折射晶体为负单轴双折射晶体或正单轴双折射晶体；
所述第二双折射晶体的光轴与所述第三平面的夹角为β2，所述第二双折射晶体的光轴平行于所述第一子激光、第二子激光与第三子激光所确定的平面，所述第三平面与第四平面的间距为d2满足：
其中，no2为第二双折射晶体内部o光折射率，ne2为第二双折射晶体内部e光折射率。
4.根据权利要求1所述的脉冲激光时序合成装置，其特征在于，光源模块包括子激光发射单元和光束间隔及指向控制单元，所述子激光发射单元包括至少两台子激光器，用于发射激光，所述光束间隔及指向控制单元用于调整所述子激光发射单元发射的激光，以形成所述第一子激光、第二子激光和第三子激光。
5.根据权利要求4所述的脉冲激光时序合成装置，其特征在于，子激光发射单元包括两台子激光器，产生两束激光，所述光束间隔及指向控制单元包括偏振分光镜以对其中一台激光器产生的激光进行分束，形成所述第一子激光和第三子激光。
6.根据权利要求4所述的脉冲激光时序合成装置，其特征在于，子激光发射单元包括四台子激光器，产生四束线偏振激光，所述光束间隔及指向控制单元包括偏振合束镜，以对其中两台激光器产生的偏振激光进行合束，形成所述第二子激光。
7.根据权利要求1所述的脉冲激光时序合成装置，其特征在于，所述第一子激光、第二子激光和第三子激光的脉宽τ和重复频率f均相同，所述特定时间延迟Δt应满足：τ<Δt<1/f。
8.根据权利要求4所述的脉冲激光时序合成装置，其特征在于，所述子激光器包括脉冲发射的光纤激光器、固体激光器、半导体激光器和气体激光器中的一种或多种。
9.根据权利要求1所述的脉冲激光时序合成装置，其特征在于，所述第一双折射晶体和第二双折射晶体为双折射系数大于0.1的单轴晶体；
所述第一双折射晶体和第二双折射晶体包括钒酸钇或冰洲石。
10.根据权利1所述的脉冲激光时序合成装置，其特征在于，所述偏振调制器包括电光调制器、声光调制器、磁光调制器中的至少一种。
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