CN105762632B - 大功率激光高亮度光谱合成系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率激光高亮度光谱合成系统，包括：N块平面反射镜、一个会聚透镜和一个光电位置探测器；平面反射镜包括基底，基底的两面分别为反射面和透射面；波长为λ₁的光束λ₁一直顺次反射到平面反射镜M_N的反射面上，经过平面反射镜M_N反射后输出；波长为λ_i的光束一直顺次反射到平面反射镜M_N的反射面上，经过平面反射器M_N反射后输出；穿过平面反射镜M_N的N束弱激光经过会聚透镜后，聚焦在光电位置探测器上，形成N个光点；调节N路入射激光的光轴，使光电位置探测器上的N个光点重合在一起，以实现光谱合成。本发明能够适用于高亮度的多光束、可实现更大功率的输出。

Description

大功率激光高亮度光谱合成系统

技术领域

本发明主要涉及到激光技术领域，特指一种适用于大功率激光的高亮度光谱合成系统。

背景技术

随着激光技术应用领域的不断扩大，对激光输出功率和光束质量的要求越来越高。在诸多领域，单路激光的功率、亮度已不能满足应用需求。对多束激光进行合成是提升激光亮度、功率的重要途径。

作为光束合成的一种重要方式，光谱合成能够将若干束中心波长不同、线宽较窄的激光束，通过光谱合成元件(通常为光栅等色散元件)合成为一束激光。光谱合成对各路光束的相干性、功率一致性、功率稳定性均没有要求，不需要复杂的相位控制措施，而且能够实现合成光束的共孔径输出，远场能量集中度好，是一种很有发展前途的光束合成方式。

近年来，光谱合成技术发展很快，基于光栅的光纤激光光谱合成输出功率已经达到了万瓦量级。然而，采用光栅等色散元件进行光谱合成进一步提升输出功率却遇到了障碍，目前尚无成熟的十万瓦级的光谱合成方案，其因为主要有以下几个方面：

(1)光栅难以耐受十万瓦级的高功率激光辐照。

(2)为了保证光栅的衍射效率，对各路子光束的线宽、偏振态、光束质量要求较高，这限制了各路子光束的功率水平。

(3)光栅是整个光谱合成中承受光功率最高，压力最大的部分，光栅的热变形会导致光轴的变化，在现有的光谱合成方案中，较难实现对合束光栅的高效热管理和对各路光轴的校正控制。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种能够适用于高亮度的多光束、可实现更大功率输出的大功率激光高亮度光谱合成系统。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种大功率激光高亮度光谱合成系统，包括：N块平面反射镜、一个会聚透镜和一个光电位置探测器；所述平面反射镜包括基底，所述基底的两面分别为反射面和透射面；所述平面反射镜为M_i，i＝1,2,……N，波长为λ₁的光束入射到平面反射镜M₁的反射面上，经过平面反射镜M₁反射后，入射到平面反射镜M₂的反射面上，经过M₂反射后，入射到平面反射镜M₃的反射面上，以此类推所述波长为λ₁的光束λ₁一直顺次反射到平面反射镜M_N的反射面上，经过平面反射镜M_N反射后输出；波长为λ_i的光束入射到平面反射镜M_i-1的透射面上，i＝2,……N，穿过平面反射镜M_i-1后，入射到平面反射镜M_i的反射面上，经过平面反射镜M_i反射后，入射到平面反射镜M_i+1的反射面上，以此类推所述波长为λ_i的光束一直顺次反射到平面反射镜M_N的反射面上，经过平面反射器M_N反射后输出；穿过平面反射镜M_N的N束弱激光经过所述会聚透镜后，聚焦在所述光电位置探测器上，形成N个光点；调节N路入射激光的光轴，使所述光电位置探测器上的N个光点重合在一起，以实现光谱合成；

所述平面反射镜M_i(i＝1,2,……N-1)反射面，对光束λ₁、λ₂、……、λ_i的光谱反射率>99.99％，对光束λ_i+1的光谱透射率>99.9％；

所述平面反射镜M_i(i＝1,2,……N-1)透射面，对光束λ_i+1的光谱透射率>99.9％；

所述平面反射镜M_N反射面，对光束λ₁、λ₂、……、λ_N的光谱反射率为99.9％；

所述平面反射镜M_N透射面，对光束λ₁、λ₂、……、λ_N的光谱透射>99.9％；

所述光束入射平面反射镜的角度小于20°。

作为本发明的进一步改进：所述基底的反射面上镀制有高反膜，所述基底的透射面上镀制有增透膜。

作为本发明的进一步改进：所述平面反射镜M_i的反射面对光束λ₁、λ₂、……、λ_i高反，对光束λ_i+1高透，i＝1,2,……N-1；所述平面反射镜M_i的透射面对光束λ_i+1高透，i＝1,2,……N-1；所述平面反射镜M_N的反射面对光束λ₁、λ₂、……、λ_N高反；所述平面反射镜M_N的透射面对光束λ₁、λ₂、……、λ_N高透。

作为本发明的进一步改进：所述平面反射镜采用吸收率小的材料作为基底。

作为本发明的进一步改进：所述会聚透镜的通光口径大于光束的口径，共轴性<3arcmin。

作为本发明的进一步改进：所述光电位置探测器采用PSD，为直线位移式，探测面积大于光束截面积。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的大功率激光高亮度光谱合成系统，不使用光栅等色散元件、可承受十万瓦量级功率、易于光轴调整，可以将N束波长不同的激光(波长分别为λ₁、λ₂、……、λ_N，其中，λ₁<λ₂<……λ_N-1<λ_N)合成为一束激光。

2、本发明的大功率激光高亮度光谱合成系统，采用强光反射式设计，大部分激光能量在两组平面反射镜之间反射，穿过平面反射镜的只有单路光束，平面反射镜承受的功率压力较小。

3、本发明的大功率激光高亮度光谱合成系统，平面反射镜采用吸收率很小的材料制作，对穿过平面反射镜的光能量吸收很小。

4、本发明的大功率激光高亮度光谱合成系统，没有使用光栅等色散元件，避免了由光栅限定的各路光束线宽、偏振态、光束质量等方面的要求，可实现更大的功率输出。

5、本发明的大功率激光高亮度光谱合成系统，各平面反射镜的光谱反射率根据各路光束的光谱进行定制，各路光束的波长选择更具有灵活性。

6、本发明的大功率激光高亮度光谱合成系统，采用光轴一体化控制，只用一个光电位置探测器(PSD)就能够简便、有效的把各路光束的光轴控制在同一方向上。

附图说明

图1是本发明在一个应用实例中的结构原理示意图。

图2是平面反射镜M_i(i＝1,2,……N-1)反射面的光谱反射率示意图。

图3是平面反射镜M_i(i＝1,2,……N-1)透射面的光谱透射率示意图。

图4是平面反射镜M_N反射面的光谱反射率示意图。

图5是反平面射镜M_N透射面的光谱透射率示意图。

图6是本发明在另一个应用实例中的结构原理示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的大功率激光高亮度光谱合成系统，包括：N块平面反射镜、一个会聚透镜和一个光电位置探测器；平面反射镜包括基底，在基底的正反两面抛光后分别镀制高反膜和增透膜，形成反射面和透射面。其中，如图2所示为平面反射镜M_i(i＝1,2,……N-1)反射面的光谱反射率，以保证对光束λ₁、λ₂、……、λ_i高反(>99.99％)，对光束λ_i+1高透(>99.9％)。如图3所示为平面反射镜M_i(i＝1,2,……N-1)透射面的光谱透射率，以保证对光束λ_i+1高透(>99.9％)即可。如图4所示为平面反射镜M_N反射面的光谱反射率，以保证对光束λ₁、λ₂、……、λ_N高反(～99.9％)，如图5所示为平面反射镜M_N透射面的光谱透射率，以保证对光束λ₁、λ₂、……、λ_N高透(>99.9％)。

在图1所示的光路布局中，波长为λ₁的光束以小角度(如：小于20°的角度)入射到平面反射镜M₁的反射面上，经过M₁反射后，以小角度入射到平面反射镜M₂的反射面上，经过M₂反射后，以小角度入射到平面反射镜M₃的反射面上，……，像这样，光束λ₁一直顺次反射到平面反射镜M_N的反射面上，经过M_N反射后输出。波长为λ_i(i＝2,……N)的光束入射到反射镜M_i-1的透射面上，穿过反射镜M_i-1后，以小角度入射到平面反射镜M_i的反射面上，经过M_i反射后，以小角度入射到平面反射镜M_i+1的反射面上，……，像这样，光束λ_i一直顺次反射到平面反射镜M_N的反射面上，经过M_N反射后输出。

在图1中的实例中给出了8路(N＝8，为偶数)激光光谱合成的空间排布样式，8块平面反射镜按照图1中的方式排布成开放式强光舱的结构。在另外一个实例中，如图6所示，为9路(N＝9，为奇数)激光光谱合成的空间排布样式，原理跟上述基本一致。

N路光束的绝大部分能量(～99.9％)经过平面反射镜M_N反射后输出，仍会有少量的(～0.1％)激光能量穿过M_N。穿过平面反射镜M_N的N束弱激光经过会聚透镜后，聚焦在光电位置探测器上，形成N个光点。

通过分别精细的调节N路入射激光的光轴，使光电位置探测器上的N个光点重合在一起。这样就完成了N路入射光束光轴的调整，经过平面反射镜M_N反射后，N路光束的光轴一致，实现了光谱合成。

在具体应用实例中，N块平面反射镜(M₁、M₂、……、M_N)均采用吸收率极小的材料作为基底，吸收率可以为<0.1％，例如，无水石英。

在具体应用实例中，会聚透镜采用消色差、低像差的会聚透镜，通光口径大于光束的口径，共轴性<3arcmin。

在具体应用实例中，光电位置探测器采用PSD，为直线位移式，位置分辨率<1um@100uW，探测面积大于光束截面积。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种大功率激光高亮度光谱合成系统，其特征在于，包括：N块平面反射镜、一个会聚透镜和一个光电位置探测器；所述平面反射镜包括基底，所述基底的两面分别为反射面和透射面；所述平面反射镜为M_i，i＝1,2,……N，波长为λ₁的光束入射到平面反射镜M₁的反射面上，经过平面反射镜M₁反射后，入射到平面反射镜M₂的反射面上，经过M₂反射后，入射到平面反射镜M₃的反射面上，以此类推所述波长为λ₁的光束λ₁一直顺次反射到平面反射镜M_N的反射面上，经过平面反射镜M_N反射后输出；波长为λ_i的光束入射到平面反射镜M_i-1的透射面上，i＝2,……N，穿过平面反射镜M_i-1后，入射到平面反射镜M_i的反射面上，经过平面反射镜M_i反射后，入射到平面反射镜M_i+1的反射面上，以此类推所述波长为λ_i的光束一直顺次反射到平面反射镜M_N的反射面上，经过平面反射镜M_N反射后输出；穿过平面反射镜M_N的N束弱激光经过所述会聚透镜后，聚焦在所述光电位置探测器上，形成N个光点；调节N路入射激光的光轴，使所述光电位置探测器上的N个光点重合在一起，以实现光谱合成；

所述平面反射镜M_i(i＝1,2,……N-1)反射面，对光束λ₁、λ₂、……、λ_i的光谱反射率>99.99％，对光束λ_i+1的光谱透射率>99.9％；

所述平面反射镜M_i(i＝1,2,……N-1)透射面，对光束λ_i+1的光谱透射率>99.9％；

所述平面反射镜M_N反射面，对光束λ₁、λ₂、……、λ_N的光谱反射率为99.9％；

所述平面反射镜M_N透射面，对光束λ₁、λ₂、……、λ_N的光谱透射率>99.9％；

所述光束入射平面反射镜的角度小于20°；

所述平面反射镜M_i(i＝1,2,……N-1)基底的反射面上镀制有边通型膜系结构的高反膜，所述平面反射镜M_i(i＝1,2,……N-1)基底的透射面上镀制有增透膜。

2.根据权利要求1所述的大功率激光高亮度光谱合成系统，其特征在于，所述平面反射镜M_i的反射面对光束λ₁、λ₂、……、λ_i高反，对光束λ_i+1高透，i＝1,2,……N-1；所述平面反射镜M_i的透射面对光束λ_i+1高透，i＝1,2,……N-1；所述平面反射镜M_N的反射面对光束λ₁、λ₂、……、λ_N高反；所述平面反射镜M_N的透射面对光束λ₁、λ₂、……、λ_N高透。

3.根据权利要求1或2所述的大功率激光高亮度光谱合成系统，其特征在于，所述平面反射镜采用吸收率小的材料作为基底。

4.根据权利要求1或2或3所述的大功率激光高亮度光谱合成系统，其特征在于，所述会聚透镜的通光口径大于光束的口径，共轴性<3arcmin。

5.根据权利要求1或2或3所述的大功率激光高亮度光谱合成系统，其特征在于，所述光电位置探测器采用PSD，为直线位移式，探测面积大于光束截面积。