基于逆达曼光栅的合束孔径填充装置

摘要

一种基于逆达曼光栅的相干激光阵列合束孔径填充装置，由同光轴的激光发射阵列、傅里叶变换透镜和逆达曼光栅构成。本发明将相位一致的特定数目的相干激光合并填充成单一光束，大幅度提高激光系统的亮度。本发明具有结构简单、效率高、成本低和稳定可靠等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高亮度激光系统，特别是一种基于逆达曼光栅的相 干激光阵列合束孔径填充装置。

背景技术

随着科技发展和国民经济增长，在工业制造和国防领域，对激光系 统的功率和亮度提出越来越高的要求。除了努力提高单个激光器的输出 功率和亮度以外，使用相干合束技术可以将多个激光发射单元的相位锁 定一致，在目标面上形成干涉加强，极大地提高中心峰值处的光强。但 是普通的相干合成技术输出光斑伴随有旁瓣，浪费了一部分功率。

为了解决这个问题，在先技术[1]（参见相干阵列激光逆达曼光栅合 束孔径填充装置，发明专利，授权公告号：CN 101592783 B）中利用逆 达曼光栅在傅里叶透镜的频谱面上对相干激光发射阵列的光场进行相位 补偿，实现多束相干激光的合束，消除旁瓣，提高合束光束的亮度。但 该方案中谱分布相位板的加工难度很高，加工精度误差经常影响合束的 效率。

发明内容

本发明的目的在于克服上述先技术存在的问题，提供一种基于逆达 曼光栅的相干激光阵列合束孔径填充装置，该装置利用逆达曼光栅在透 镜的频谱面上的位移来替代谱分布相位板的作用，实现合束。具有结构 简单，效率高，成本低，稳定可靠等优点。

本发明技术解决原理：首先将已经相位锁定到一致的三个或九个激 光发射单元排列成1×3或者3×3的等间距阵列，激光出射方向均与系 统的光轴保持平行。这些相干激光经过透镜聚焦到后焦面上，由逆达曼 光栅对光场进行相位补偿，实现相干激光阵列的合束，同时实现孔径填 充，大大提高远场光束亮度，总的输出光束口径还可以变化控制。

本发明技术解决方案如下：

一种基于逆达曼光栅的相干激光阵列合束孔径填充装置，其特点在 于：该装置依次由同光轴的相干激光阵列、傅里叶变换透镜、逆达曼光 栅构成，所述的逆达曼光栅周期性光栅刻写面与光轴垂直，且放置于所 述的傅里叶变换透镜的后焦面上，所述的相干激光阵列由三个发射单元 或九个发射单元组成，每个发射单元均确保输出的光斑准直输出且互相 平行，由三个发射单元组成，则等间距地排成直线阵列；当由九个发射 单元组成，则等间距地排成一个3×3的矩形阵列，在所有发射单元中， 最低的单个发射单元激光输出功率不低于最高的单个发射单元激光输 出功率的95%，单个发射单元的最小输出光斑直径不小于单个发射单元 的最大输出光斑直径的95%；所述的相干激光阵列在所述的傅里叶变换 透镜的后焦面上的总光斑全部照射在所述的逆达曼光栅的周期性光栅 刻写面上。

本发明的技术效果：

与先技术相比，本发明无需谱分布相位板就可以实现基于逆达曼光 栅的相干激光阵列合束孔径填充，结构更加简单，系统更加稳定，受器 件加工误差的影响更小，可以实现的合束效率更高，可以实现单一光束 的高亮度激光输出。

附图说明

图1为本发明基于逆达曼光栅的合束孔径填充装置实施例1的光路 图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本 发明的保护范围。

先请参阅图1，图1为基于逆达曼光栅的合束孔径填充装置的实施 例1的结构示意图。由图可见，本发明基于逆达曼光栅的相干激光阵列 合束孔径填充装置，依次由同光轴的相干激光阵列1、傅里叶变换透镜 2、逆达曼光栅3构成，所述的逆达曼光栅3周期性光栅刻写面与光轴 垂直，且放置于所述的傅里叶变换透镜2的后焦面上，所述的相干激光 阵列1由九个发射单元组成，每个发射单元均确保输出的光斑准直输出 且互相平行，九个发射单元等间距地排成一个3×3的矩形阵列，在所 有发射单元中，最低的单个发射单元激光输出功率不低于最高的单个发 射单元激光输出功率的95%，单个发射单元的最小输出光斑直径不小于 单个发射单元的最大输出光斑直径的95%；所述的相干激光阵列1在所 述的傅里叶变换透镜2的后焦面上的总光斑需要全部照射在所述的逆 达曼光栅3的周期性光栅刻写面上。

根据傅里叶变换理论，在傅里叶透镜2的后焦面上，光斑会呈现一 种具有逆达曼光栅相位起伏分布的光场分布。而逆达曼光栅3在后焦面 上提供了一个共轭的相位，则透过逆达曼光栅3之后的光场分布相位起 伏被消除，可以在远场得到单一主瓣的高亮度激光输出。具体的数学推 导可参考在先技术[1]。由于相干激光阵列1是1×3或3×3的排布方 式，相位锁定一致以后，互相之间的相位分布呈等差数列。恰好，1×3 或3×3的达曼光栅分束以后不同衍射级次的相位分布也呈等差数列， 两个等差数列之间可能存在的差异可以通过平移逆达曼光栅来弥补，替 代了谱分布相位板的作用。所以，对于特定数目发射单元组成的相干激 光阵列，使用逆达曼光栅进行孔径填充不需要谱分布相位板。与在先技 术相比，结构更简单，系统更稳定，合束效率更高。

下面是本发明实施例2的构成和相关参数：

使用三个光纤放大链路作为激光发射单元，每一个链路输出功率为 10W，激光波长为1064nm，输出光斑为高斯光斑，束腰直径为12mm。 三个光斑平行准直地排布成一个1×3的阵列，互相之间间隔20mm。 通过一个焦距为500mm，通光孔径直径为80mm的傅里叶变换透镜聚 焦到后焦面上。三个发射单元输出激光的相位通过被动相干合成的方法 进行实时锁定，保持在傅里叶变换透镜的后焦面上相位相同。一个衍射 级次为1×3的逆达曼光栅3摆放在傅里叶变换透镜2的后焦面，周期 性光栅刻写面与光轴垂直，尺寸为10×10mm，比聚焦后的光斑直径 108μm大。逆达曼光栅3的周期为26.707μm，相位突变点在0.735处。 经过逆达曼光栅3以后，输出光束集中在零级，实现合束，合束效率为 60%，即合束后光束的功率有18W，接近1×3逆达曼光栅的理论最佳 效率66%。

该实施例表明，本发明具有结构简单，系统稳定，合束效率高等优 点，无需谱分布相位板就能实现相干激光阵列的孔径填充，是一种前途 光明的获得高亮度激光系统的技术。