CN206148792U - 光纤激光光谱合成装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光纤激光光谱合成装置及方法，属于激光光学技术领域。光纤激光光谱合成装置包括光纤激光器和准直透镜，光纤激光器上设有位移控制台；还包括沿光路设置的超棱镜薄膜、分光镜和位移反馈系统，分光镜上设有位置调整系统；光纤激光器、位移控制台、位置调整系统及位移反馈系统由主控系统控制。本实用新型用单组器件实现多入射光束合成，避免级联，合束装校难度小，系统稳定性高；超棱镜薄膜元件对激光能量吸收较低，有利于提升激光负载能力；超棱镜薄膜器件相对于光栅类器件对偏振特性依赖较小，有利于对器件进行偏振无关的优化，提升对非偏振光纤激光的合束效率。

Description

光纤激光光谱合成装置

所属技术领域

本实用新型涉及强激光技术，尤其是光纤激光光谱合成，属于激光光学技术领域。

背景技术

目前，高性能光纤激光器相对传统激光器具有效率高，光束质量好，功率输出稳定等特点，是高功率激光系统的良好选择。但是对于单根光纤激光器而言，其输出功率会受到非线性效应，热损伤等因素的限制，很难实现高功率激光输出。利用光谱合成组束技术，能够有效提升单位面积内的功率密度，是提升光纤激光装置输出功率的有效技术途径。

实现高效率光谱合成的技术路径是利用色散器件的色散特性实现对一定入射条件下不同波长子光束的共孔径合成，其中色散器件是保证高效率合成的关键器件。目前进行光谱合成常用的色散器件类型主要为平面光栅和体布拉格光栅，由于光纤激光器的所发出的光为非偏振光，即包含s光成分又包含p光成分，要实现高效率的光谱合成需要实现对这两种偏振成分都实现较高的衍射效率，这样就对器件的设计和制备提出了很高的要求，在最终工程实现上具有很大的难度；基于体布拉格光栅的光谱合成方案一般都采用级联结构，这样系统的稳定性会受很大的影响，而且在连续激光作用下，器件的热效应会导致器件性能的急剧退化；如果所利用光栅器件为透射式的器件，在进行光谱合成时会产生非常强的热吸收，降低器件连续激光负载能力，进而会影响光谱合成的稳定性，以上均为现有光谱合成色散器件的不足之处。

实用新型内容

为了克服现有光谱合成技术的上述不足，本实用新型提供一种基于超棱镜薄膜的光纤激光光谱合成装置及方法。

由于在超棱镜器件中的强色散效应，在不同波长入射的情况下会会产生一定程度的空间位移分辨，利用不同波长在超棱镜器件中产生空间位移可以进行光谱合束。本实用新型提出了一种应用于光谱合成的超棱镜薄膜器件，并针对光谱合成的需求提出了对超棱镜薄膜进行优化的方法及对应的光谱合成装置。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

光纤激光光谱合成装置，包括光纤激光器和准直透镜，光纤激光器上设有位移控制台；还包括沿光路设置的超棱镜薄膜、分光镜和位移反馈系统，分光镜上设有位置调整系统；光纤激光器、位移控制台、位置调整系统及位移反馈系统由主控系统控制；超棱镜薄膜底部设有散热衬底。

本实用新型的基本原理是：在光子晶体结构中，对于禁带附近波长的电磁波，其群速度在一定入射角时对波长的变化非常敏感，这时器件表现出了很强的色散特性，被称为超棱镜效应。通过超棱镜效应，在薄膜结构中引入一些特殊的结构可以实现不同波长入射光的出射点空间分辨，薄膜中调制多波长空间分辨的机制为调制入射深度和能量储存机制，利用这两种机制可以对薄膜中的超棱镜效应进行优化。基于超棱镜薄膜的光谱合成装置，在进行合束时利用精密位移平台控制入射角度相同的不同波长的多路入射光在超棱镜薄膜上的入射位置，利用反馈系统进行调节，在一定条件下即可实现使不同波长入射的激光在同一点同角度的出射，完成多路激光共孔径合成。

附图说明

图1是本实用新型光纤激光光谱合成装置总体结构示意图；

图2是本实用新型中超棱镜薄膜空间位移测试示意图；

图3是超棱镜薄膜在1060-1064nm波段内的空间位移曲线图。

图中零部件及编号：

1-光纤激光器，1-1—位移控制台，

2—准直透镜，3—超棱镜薄膜，4—散热衬底，

5—分光镜，5-1—位置调整系统，

6—位移反馈系统，7—主控系统，8—单色仪，9—图像传感器。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型进一步说明。

如图1所示，光纤激光光谱合成装置，包括光纤激光器1和准直透镜2，光纤激光器1上设有位移控制台1-1；还包括沿光路设置的超棱镜薄膜3、分光镜5和位移反馈系统6，分光镜5上设有位置调整系统5-1；光纤激光器1、位置调整系统5-1及位移反馈系统6由主控系统7控制；超棱镜薄膜3底部设有散热衬底4。

位移控制台1-1调整精度为1微米，可对光纤激光器的位置进行二维调整。

超棱镜薄膜3为反射式薄膜，可利用超棱镜效应实现对不同波长入射光的空间分辨。

主控系统7为计算机，通过位移反馈系统6所提供的信息对位移控制台1-1进行调整。

位置调整系统5-1在进行完光纤激光器1位置调整后可将分光镜5撤离光路。位移反馈系统6实时监测待合束激光经过超棱镜薄膜3后的位移信息。

光纤激光光谱合成方法，包括以下步骤：

A.超棱镜薄膜设计：

待合束三路激光波长分别为λ₁＝1064nm，λ₂＝1063.3nm，λ₃＝1060nm，入射至薄膜表面时光束半径为500μm。根据合束需求，设定超棱镜薄膜优化目标函数MF，其计算式为：

式中三路波长所产生的空间位移优化目标设置为0μm，600μm，1200μm，反射率优化目标均设置为90％，以谐振腔结构或啁啾镜结构为起始膜系对薄膜结构进行优化；在本次优化中N＝3，p＝2,F₁＝0.5,F₂＝0.5,当优化至MF≤0.05时认为优化完成；基于优化结构，利用溅射或者电子束蒸镀的方法，对超棱镜薄膜进行制备。

B.超棱镜薄膜特性测试：

利用光电探测器件对超棱镜薄膜的空间分辨能力进行初步表征，作为进行光谱合成的依据。

利用图2所示的光路，对特定入射角度下所需合成激光在制备所得超棱镜薄膜的同一入射点入射时所产生的空间位移进行测试，得到波长与空间位移的对应关系。测试方法为光纤激光器1出光经单色仪8，准直透镜2，后到达超棱镜薄膜3，反射光进入图像传感器9中，利用主控系统(计算机)7对不同波长的激光经过超棱镜薄膜3后的位移变化进行分析，得出在超棱镜薄膜表面的光波长λ与空间位移S的对应关系。本例中测试结果如图3所示，波长为1060nm、1063.3nm和1064nm的光在45°角入射时所产生的空间位移S分别为0μm、520μm、1100μm。

C.入射激光光谱合成：

参见图1，其中待合束激光路数n＝3，其经过光纤激光器1输出的波长分别为λ₁＝1064nm,λ₂＝1063.3nm，λ₃＝1060nm，入射至超棱镜薄膜3上，光斑直径为500μm。利用位移控制台1-1调节光纤激光器1的位置，使待合束光束在超棱镜薄膜3中入射位置的间距分别为S₁＝520μm，S₂＝1100μm。根据超棱镜薄膜初步表征经过控制位移平台对光纤激光器位置进行粗调，利用位移反馈系统6对光纤激光器1位置进行微调，在满足入射点位置匹配的情况下，出射点会实现重合，出射方向一致，调整完成后将分光镜5撤出光路，实现共孔径合成。

在上述实例中，入射光角度，入射光波长及合束路数以及优化参数可以根据需求进行调整，并选择符合合束需求的超棱镜薄膜。

Claims (4)

1.一种光纤激光光谱合成装置，包括光纤激光器(1)和准直透镜(2)，光纤激光器(1)上设有位移控制台(1-1)；其特征在于，还包括沿光路设置的超棱镜薄膜(3)、分光镜(5)和位移反馈系统(6)，分光镜(5)上设有位置调整系统(5-1)；光纤激光器(1)、位置调整系统(5-1)及位移反馈系统(6)由主控系统(7)控制；超棱镜薄膜(3)底部设有散热衬底(4)。

2.根据权利要求1所述的光纤激光光谱合成装置，其特征在于，所述的位移控制台(1-1)的调整精度为1微米。

3.根据权利要求1所述的光纤激光光谱合成装置，其特征在于，所述的超棱镜薄膜(3)为反射式薄膜。

4.根据权利要求1所述的光纤激光光谱合成装置，其特征在于，所述的主控系统(7)为计算机。