CN213814159U - 基于透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透射式机械调制的光束光轴自稳装置及光学系统，包括1/4波片、透射元件和驱动源，所述驱动源驱动所述透射元件以光轴为轴线均速自转；入射光经1/4波片调制后射入透射元件，所述驱动源带动所述透射元件自转以带动光束旋转，获得光束指向性一致的出射光。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，具体涉及一种基于透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透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透射式机械调制的光束光轴自稳装置，包括1/4波片、透射元件和驱动源，所述驱动源驱动所述透射元件以光轴为轴线均速自转；入射光经1/4波片调制后射入透射元件，所述驱动源带动所述透射元件自转以带动光束旋转，获得光束指向性一致的出射光。
作为优选的，所述透射元件为道威棱镜，所述道威棱镜的底角为45°。
作为优选的，所述透射元件包括两个成对设置的光楔，两个所述光楔的形状和大小相同，两个所述光楔中心对称设置且相对固定，经1/4波片调制后的光束垂直于光楔入射。
作为优选的，所述透射元件包括两个成对设置的透射式体布拉格光栅，两个所述体布拉格光栅的周期和尺寸相等，两个所述体布拉格光栅中心对称放置且相对固定，经1/4波片调制后的光束垂直于体布拉格光栅入射。
作为优选的，所述透射元件包括两个成对设置的闪耀光栅，两个所述闪耀光栅的周期、槽形角和尺寸相等，两个所述闪耀光栅中心对称设置且相对固定，经1/4波片调制后的光束垂直于闪耀光栅入射。
作为优选的，所述透射元件为圆柱镜，所述圆柱镜的两个端面相对于所述圆柱镜对称设置，所述圆柱镜的端面与所述圆柱镜的侧面的夹角为30°-60°，经1/4波片调制后的光束从所述圆柱镜的一端面入射，并从所述圆柱镜的另一端面出射。
作为优选的，所述驱动源为空心轴电机。
作为优选的，还包括对光束进行扩束准直的第一扩束准直系统，入射光经所述第一扩束准直系统后进入1/4波片。
作为优选的，还包括对光束进行扩束准直的第二扩束准直系统，从所述透射元件射出的光线经所述第二扩束准直系统射出。
本实用新型公开了一种光学系统，包括上述的基于透射式机械调制的光束光轴自稳装置。
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。
3、本实用新型中的装置，结构紧凑，成本低，效果高。
附图说明
图1为本实用新型的基于透射式机械调制的光束光轴自稳装置的结构示意图一，其中，透射元件为道威棱镜；
图2为本实用新型的基于透射式机械调制的光束光轴自稳装置的结构示意图二，其中，透射元件为两个成对设置的光楔；
图3为本实用新型的基于透射式机械调制的光束光轴自稳装置的结构示意图三，其中，透射元件为两个成对设置的透射式体布拉格光栅；
图4为本实用新型的基于透射式机械调制的光束光轴自稳装置的结构示意图四，其中，透射元件为两个成对设置的闪耀光栅；
图5为本实用新型的基于透射式机械调制的光束光轴自稳装置的结构示意图五，其中，透射元件为圆柱镜；
图6为圆柱镜的结构示意图；
图7为“凸-凸”透镜组合的扩束准直系统；
图8为“凹-凸”透镜组合的扩束准直系统。
图中标号说明：1、激光器；2、第一扩束准直系统；3、1/4波片；4、道威棱镜；5、第二扩束准直系统；6、光楔；7、透射式体布拉格光栅；8、闪耀光栅；9、圆柱镜。
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5所示，本实用新型的公开了一种基于透射式机械调制的光束光轴自稳装置，包括1/4波片3、透射元件和驱动源，驱动源驱动透射元件以光轴为轴线均速自转；入射光经1/4波片3调制后射入透射元件，驱动源带动透射元件自转以带动光束旋转，获得光束指向性一致的出射光。本实用新型的工作原理是：本实用新型利用机械调制的方法，即光束的相位随时间高速运动，使得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。该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。
激光器11发出激光束，当激光束在长距离在不均匀介质中传输后，可通过本实用新型中的自稳装置实现光束自稳，获得质心稳定，光束指向性一致的光束。
如图1所示，透射元件可为道威棱镜4，道威棱镜4的底角为45°。当透射元件为道威棱镜4时，可以补偿光束转动过程中像的倾斜。
如图2所示，透射元件可包括两个成对设置的光楔6，两个光楔6的形状和大小相同，两个光楔6中心对称设置且相对固定，经1/4波片3调制后的光束垂直于光楔6入射。光楔6组合在一起使用，二者产生不同的偏向角，可补偿小角度的的偏差。
如图3所示，透射元件可包括两个成对设置的透射式体布拉格光栅7，两个体布拉格光栅的周期和尺寸相等，两个体布拉格光栅中心对称放置且相对固定，经1/4波片3调制后的光束垂直于体布拉格光栅入射。透射式体布拉格光栅7可以作为滤除从激光器1出射光束的中高频成份，起到改善发射光束的光束质量。
如图4所示，透射元件可包括两个成对设置的闪耀光栅8，两个闪耀光栅8的周期、槽形角和尺寸相等，两个闪耀光栅8中心对称设置且相对固定，经1/4波片3调制后的光束垂直于闪耀光栅8入射。闪耀光栅8可使特定波段的某一级光谱透射，从而对光束进行滤波。
如图5所示，透射元件可为圆柱镜9，圆柱镜9的两个端面相对于圆柱镜9对称设置，圆柱镜9的端面与圆柱镜9的侧面的夹角为30°-60°，经1/4波片3调制后的光束从圆柱镜9的一端面入射，并从圆柱镜9的另一端面出射。圆柱镜9体积小，结构紧凑，方便安装。
本实用新型中，驱动源可为空心轴电机。空心轴电机便于安装透射元件，以此实现透射元件绕光轴转动。
参照图7和图8所示，本实用新型还包括对光束进行扩束准直的第一扩束准直系统2，入射光经第一扩束准直系统2后进入1/4波片3。第一扩束准直系统2包括第一凸透镜和第二凸透镜，第一凸透镜与第二凸透镜的距离等于第一凸透镜的焦距与第二凸透镜的焦距之和。即第一扩束准直系统2为“凸-凸”透镜组合。在另一实施例中，第一扩束准直系统2包括第一凹透镜和第三凸透镜，第一凹透镜和第三凸透镜的距离之和等于第三凸透镜的焦距减去第一凹透镜的焦距，即第二扩束准直系统5为“凹-凸”透镜组合。
本实用新型还包括对光束进行扩束准直的第二扩束准直系统5，从透射元件射出的光线经第二扩束准直系统5射出。第二扩束准直系统5也可为“凸-凸”透镜组合或“凹-凸”透镜组合。第二扩束准直系统5包括第四凸透镜和第五凸透镜，通过第四凸透镜和第五凸透镜的组合实现光束扩束。在另一实施例中，第二扩束准直系统5也可包括第二凹透镜和第六凸透镜，通过第二凹透镜和第六凸透镜组合，实现光束扩束。第二扩束准直系统5的扩束和准直原理与第一扩束准直系统2相同。
以波长为532nm的连续激光器为例，激光经第一扩束准直系统2后入射到1/4波片3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)，以图1所示的装置为例。经1/4波片3的光束入射到道威棱镜4上，平台的转动速度约2万转/分钟，电机供电频率为50Hz，从道威棱镜4出射的光束经第二扩束准直系统5控制出射光束的光斑尺寸和发散角。
本实用新型公开了一种基于透射式机械调制的光束光轴自稳方法，包括以下步骤：
步骤一、通过1/4波片3对入射光进行相位调制，获得调制后的光束；
步骤二、通过绕光轴自转的透射元件对调制后的光束进行处理，获得光束指向性一致的出射光。
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 (10)
1.一种基于透射式机械调制的光束光轴自稳装置，其特征在于，包括1/4波片、透射元件和驱动源，所述驱动源驱动所述透射元件以光轴为轴线均速自转；入射光经1/4波片调制后射入透射元件，所述驱动源带动所述透射元件自转以带动光束旋转，获得光束指向性一致的出射光。
2.如权利要求1所述的基于透射式机械调制的光束光轴自稳装置，其特征在于，所述透射元件为道威棱镜，所述道威棱镜的底角为45°。
3.如权利要求1所述的基于透射式机械调制的光束光轴自稳装置，其特征在于，所述透射元件包括两个成对设置的光楔，两个所述光楔的形状和大小相同，两个所述光楔中心对称设置且相对固定，经1/4波片调制后的光束垂直于光楔入射。
4.如权利要求1所述的基于透射式机械调制的光束光轴自稳装置，其特征在于，所述透射元件包括两个成对设置的透射式体布拉格光栅，两个所述体布拉格光栅的周期和尺寸相等，两个所述体布拉格光栅中心对称放置且相对固定，经1/4波片调制后的光束垂直于体布拉格光栅入射。
5.如权利要求1所述的基于透射式机械调制的光束光轴自稳装置，其特征在于，所述透射元件包括两个成对设置的闪耀光栅，两个所述闪耀光栅的周期、槽形角和尺寸相等，两个所述闪耀光栅中心对称设置且相对固定，经1/4波片调制后的光束垂直于闪耀光栅入射。
6.如权利要求1所述的基于透射式机械调制的光束光轴自稳装置，其特征在于，所述透射元件为圆柱镜，所述圆柱镜的两个端面相对于所述圆柱镜对称设置，所述圆柱镜的端面与所述圆柱镜的侧面的夹角为30°-60°，经1/4波片调制后的光束从所述圆柱镜的一端面入射，并从所述圆柱镜的另一端面出射。
7.如权利要求1所述的基于透射式机械调制的光束光轴自稳装置，其特征在于，所述驱动源为空心轴电机。
8.如权利要求1所述的基于透射式机械调制的光束光轴自稳装置，其特征在于，还包括对光束进行扩束准直的第一扩束准直系统，入射光经所述第一扩束准直系统后进入1/4波片。
9.如权利要求1所述的基于透射式机械调制的光束光轴自稳装置，其特征在于，还包括对光束进行扩束准直的第二扩束准直系统，从所述透射元件射出的光线经所述第二扩束准直系统射出。
10.一种光学系统，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的基于透射式机械调制的光束光轴自稳装置。
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| GR01 | Patent grant |