CN213814139U - 基于反射式机械调制的光束光轴自稳装置及光学系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于反射式机械调制的光束光轴自稳装置及光学系统，包括偏振分束器、1/4波片、结构反射元件和驱动源；所述1/4波片位于偏振分束器的一出射端，所述结构反射元件位于1/4波片远离偏振分束器的一侧，所述驱动源驱动所述结构反射元件以光轴为轴线均速自转；其中，入射光经所述偏振分束器获得一分束光，所述分束光经所述1/4波片入射至结构反射元件，所述结构反射元件自转以使得反射光的相位随时间变化，所述反射光经1/4波片调制并从偏振分束器透射而出，获得目标光束。其获得的光束的焦斑质心稳定、光束指向性一致，同时该光束具有更高的可聚焦功率和能量集中度。
Description
技术领域
本实用新型涉及光学技术领域，具体涉及一种基于反射式机械调制的光束光轴自稳装置及光学系统。
背景技术
强激光在大气中传输时，会受到大气的各种影响，大气传输效应可分为线性效应和非线性效应。前者包括大气折射、大气吸收与散射和大气湍流等，大气吸收和散射引起激光功率衰减，大气湍流造成激光学束质量下降；后者主要有受激拉曼散射、热晕和击穿等影响。
激光束在大气长距离传输过程中，其强度均匀性和指向性受到影响的主要原因是传输介质的空间折射率不均匀性。起初短距离空间上的折射率不均匀会导致光束的强度分布和指向性发生一定轻微变化，但随着传输距离的不断增大，该变化不断被累积，最终大幅度地改变光束的强度均匀性和指向性。
如何使强激光束克服大气影响以高光束质量远程传输，同时在靶面具有良好的焦斑质心稳定性和高可聚焦功率，目前通用的方法是采用自适应光学技术，根据信标光探测的波前畸变，利用变形镜上施加补偿控制。自适应光学技术有效地克服了大气湍流对强激光束的畸变扰动，并在一定程度上缓解了热晕的影响，在各种高能激光系统中得到了一定程度的验证。但是，自适应光学系统的反应时间约数毫秒甚至十毫秒量级，且自适应光学系统结构复杂、制造维护成本昂贵，应用复杂，难以满足装备的要求。另一方面，各种高能激光系统中的复杂效应引起的小尺度、快速响应的相位畸变会极大地影响强激光束的初始光束质量，例如浸液式激光系统中冷却液湍流引起的mm级空间调制和相位畸变等等，自适应光学技术也难以解决此类问题。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种基于反射式机械调制的光束光轴自稳装置及光学系统，其获得的光束的焦斑质心稳定、光束指向性一致，同时该光束具有更高的可聚焦功率和能量集中度。
为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种基于反射式机械调制的光束光轴自稳装置，包括偏振分束器、1/4波片、结构反射元件和驱动源；所述1/4波片位于偏振分束器的一出射端，所述结构反射元件位于1/4波片远离偏振分束器的一侧，所述驱动源驱动所述结构反射元件以光轴为轴线均速自转；
其中，入射光经所述偏振分束器获得一分束光，所述分束光经所述1/4波片入射至结构反射元件，所述结构反射元件自转以使得反射光的相位随时间变化，所述反射光经1/4波片调制并从偏振分束器透射而出，获得目标光束。
作为优选的，所述结构反射元件为角锥棱镜或二元光学器件。
作为优选的，所述入射光为平面波、高斯光束或涡旋光束。
作为优选的，所述入射光为准直光、会聚光或发散光。
作为优选的，所述驱动源为电机或旋转气缸。
作为优选的，还包括第一扩束准直系统，所述入射光经所述第一扩束准直系统后进入偏振分束器，所述第一扩束准直系统包括第一凸透镜和第二凸透镜，所述第一凸透镜与第二凸透镜的距离等于所述第一凸透镜的焦距与第二凸透镜的焦距之和。
作为优选的，还包括第一扩束准直系统，所述入射光经所述第一扩束准直系统后进入偏振分束器，所述第一扩束准直系统包括第一凹透镜和第三凸透镜，所述第一凹透镜和第三凸透镜的距离之和等于所述第三凸透镜的焦距减去所述第一凹透镜的焦距。
作为优选的，所述偏振分束器的一侧还设置有第二扩束准直系统，经1/4波片调制并从偏振分束器透射而出的光束经第二扩束准直系统准直后射出，获得目标光束。
本实用新型公开了一种光学系统，包括上述的基于反射式机械调制的光束光轴自稳装置。
本实用新型公开了一种基于反射式机械调制实现光束光轴自稳的方法，基于上述的基于反射式机械调制的光束光轴自稳装置实现。
本实用新型的有益效果：
1、本实用新型提供了一种光束旋转的装置，其利用机械调制的方法，即光束的相位随时间高速运动，光在传输过程中经过光束口径内的每个部分，保证光束在传输过程中的相位延迟保持一致。
2、本实用新型获得的光束的焦斑质心稳定、光束指向性一致，同时该光束具有更高的可聚焦功率和能量集中度。
附图说明
图1为本实用新型的基于反射式机械调制的光束光轴自稳装置结构示意图；
图2为本实用新型的第一扩束准直系统的结构示意图一；
图3为本实用新型的第一扩束准直系统的结构示意图二；
图4为本实用新型的第二扩束准直系统的结构示意图一；
图5为本实用新型的第二扩束准直系统的结构示意图二。
图中标号说明：1、第一扩束准直系统；2、偏振分束器；3、1/4波片；4、结构反射元件；5、驱动源；6、第二扩束准直系统；7、第一凸透镜；8、第二凸透镜；9、第一凹透镜；10、第三凸透镜；11、第四凸透镜；12、第五凸透镜；13、第二凹透镜；14、第六凸透镜。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。
参照图1-图3所示，本实用新型的公开了一种基于反射式机械调制的光束光轴自稳装置，包括偏振分束器2、1/4波片3、结构反射元件4和驱动源5。1/4波片3位于偏振分束器2的一出射端，结构反射元件4位于1/4波片3远离偏振分束器2的一侧，驱动源5驱动结构反射元件4以光轴为轴线均速自转。其中，入射光经偏振分束器2获得一分束光，分束光经1/4波片3入射至结构反射元件4，结构反射元件4自转以使得反射光的相位随时间变化，反射光经1/4波片3调制并从偏振分束器2透射而出，获得目标光束。
具体的，结构反射元件4可为角锥棱镜或二元光学器件。
入射光为平面波、高斯光束或涡旋光束。入射光为准直光、会聚光或发散光。
驱动源5为电机或旋转气缸，通过驱动源5即可驱动结构反射元件4转动。例如，可通过电动转轴或气动转轴与结构反射元件4连接以实现结构反射元件4转动。
本实用新型还包括第一扩束准直系统1，入射光经第一扩束准直系统1后进入偏振分束器2，第一扩束准直系统1包括第一凸透镜7和第二凸透镜8，第一凸透镜7与第二凸透镜8的距离等于第一凸透镜7的焦距与第二凸透镜8的焦距之和。即第一扩束准直系统1为“凸-凸”透镜组合。在另一实施例中，第一扩束准直系统1包括第一凹透镜9和第三凸透镜10，第一凹透镜9和第三凸透镜10的距离之和等于第三凸透镜10的焦距减去第一凹透镜9的焦距，即第二扩束准直系统6为“凹-凸”透镜组合。
偏振分束器2的一侧还设置有第二扩束准直系统6，经1/4波片3调制并从偏振分束器2透射而出的光束经第二扩束准直系统6准直后射出，获得目标光束。第二扩束准直系统6也可为“凸-凸”透镜组合或“凹-凸”透镜组合。第二扩束准直系统6包括第四凸透镜11和第五凸透镜12，通过第四凸透镜11和第五凸透镜12的组合实现光束扩束。在另一实施例中，第二扩束准直系统6也可包括第二凹透镜13和第六凸透镜14，通过第二凹透镜13和第六凸透镜14组合，实现光束扩束。
第一扩束准直系统1和第二扩束准直系统6可对光束进行扩束和准直。第一扩束准直系统1的输入光束口径取决于透镜对焦距之比，发散角取决于透镜对之间的距离，发散角取决于透镜对之间的距离。第二扩束准直系统6的输出光束口径取决于透镜对焦距之比，发散角取决于透镜对之间的距离。
本实用新型中，入射的光束经第一扩束准直系统11控制入射光束的光斑尺寸和发散角，进而进入偏振分束器2、1/4波片3，然后入射到旋转的结构反射器件，反射后的光束再次经过1/4波片3，保证1/4波片3的光轴与初始光束的偏振方向夹角为45度，使得反射后的光束可高效透过偏振分束器2，第二扩束准直系统6用于控制输出光束的光斑尺寸和发散角。
以波长为532nm的连续激光器为例，使用的第一凸透镜7的焦距为50mm，第二凸透镜8的焦距为150mm，经第一扩束准直系统1后入射到偏振分束器2上的光斑直径为5mm(本实施案例中仅以圆形光斑为例，但其形状不限于圆形，可以为方形或者其他形状)，经偏振分束器2和1/4波片3的光束入射到角锥棱镜，角锥棱镜在电机驱动下转动，电机的转动速度约2万转/分钟，供电频率为50Hz)的(角锥棱镜的直径为12.7mm)，反射后的光束在次经过1/4波片3和偏振分束器2后，经第二扩束准直系统6(第四凸透镜11的焦距为100mm，第五凸透镜12的焦距为200mm)控制出射光束的光斑尺寸和发散角。
通过上述装置，即可形成焦斑质心稳定、光束指向性一致，同时该光束具有更高的可聚焦功率和能量集中度。
本实用新型公开了一种光学系统，包括上述的基于反射式机械调制的光束光轴自稳装置。
本实用新型还公开了一种基于反射式机械调制实现光束光轴自稳的方法，基于上述的光束光轴自稳装置实现。其通过高速旋转结构反射元件4，使得光束的相位随时间高速运动，光在传输过程中经过光束口径内的每个部分，保证光束在传输过程中的相位延迟保持一致，从而获得焦斑质心稳定、指向性一致的光束，同时该光束具有更高的可聚焦功率和能量集中度。
以上所述实施例仅是为充分说明本实用新型而所举的较佳的实施例，本实用新型的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本实用新型基础上所作的等同替代或变换，均在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的保护范围以权利要求书为准。
Claims (9)
1.一种基于反射式机械调制的光束光轴自稳装置，其特征在于，包括偏振分束器、1/4波片、结构反射元件和驱动源；所述1/4波片位于偏振分束器的一出射端，所述结构反射元件位于1/4波片远离偏振分束器的一侧，所述驱动源驱动所述结构反射元件以光轴为轴线均速自转；
其中，入射光经所述偏振分束器获得一分束光，所述分束光经所述1/4波片入射至结构反射元件，所述结构反射元件自转以使得反射光的相位随时间变化，所述反射光经1/4波片调制并从偏振分束器透射而出，获得目标光束。
2.如权利要求1所述的基于反射式机械调制的光束光轴自稳装置，其特征在于，所述结构反射元件为角锥棱镜或二元光学器件。
3.如权利要求1所述的基于反射式机械调制的光束光轴自稳装置，其特征在于，所述入射光为平面波、高斯光束或涡旋光束。
4.如权利要求1所述的基于反射式机械调制的光束光轴自稳装置，其特征在于，所述入射光为准直光、会聚光或发散光。
5.如权利要求1所述的基于反射式机械调制的光束光轴自稳装置，其特征在于，所述驱动源为电机或旋转气缸。
6.如权利要求1所述的基于反射式机械调制的光束光轴自稳装置，其特征在于，还包括第一扩束准直系统，所述入射光经所述第一扩束准直系统后进入偏振分束器，所述第一扩束准直系统包括第一凸透镜和第二凸透镜。
7.如权利要求1所述的基于反射式机械调制的光束光轴自稳装置，其特征在于，还包括第一扩束准直系统，所述入射光经所述第一扩束准直系统后进入偏振分束器，所述第一扩束准直系统包括第一凹透镜和第三凸透镜。
8.如权利要求1所述的基于反射式机械调制的光束光轴自稳装置，其特征在于，所述偏振分束器的一侧还设置有第二扩束准直系统，经1/4波片调制并从偏振分束器透射而出的光束经第二扩束准直系统准直后射出，获得目标光束。
9.一种光学系统，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的基于反射式机械调制的光束光轴自稳装置。
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