一种用于光束合成系统的参考光产生装置及方法

摘要

本发明属于激光技术领域，并具体公开了一种用于光束合成系统的参考光产生装置及方法。所述装置包括参考光激光器、多组主激光子束激光器、转换光学元件、色散元件以及光调节元件。所述方法包括：将参考光与多组主激光子束激光器出射的主激光子束沿同一方向平行输出，对参考光和多组主激光子束进行准直后分离，根据多组主激光子束经所述色散元件后的出射角及参考光的波长调整参考光的散射角度，使得经光调节元件后的参考光以指定角度再次入射至色散元件上的入射区，并经所述色散元件后实现与多组主激光子束共口径输出。本发明能将产生的参考光能贯穿光束合成系统整体光路，与主激光相同路径，可较准确的表征光束合成系统主激光状态。

说明书

技术领域

本发明属于激光技术领域，更具体地，具体涉及一种用于光束合成系统的参考光产生装置及方法，可应用于激光光束合成系统光束集成调试、稳定控制及波前校正等方向。

背景技术

近年来，随着激光技术与材料技术的快速发展，在工业制造与国防安全等领域，对激光系统的功率和亮度提出越来越高的要求，单路激光的功率亮度已经不能满足相关应用需求。光谱合成技术利用合成元件，将多路不同波长的激光合成为一束输出，成为提升激光系统激光亮度、功率的重要途径。

在激光光束合成系统工程应用当中，合成主激光通常为红外波段，具有高功率与波段不可见的特性，为方便调试、探测与控制，需要一束与主激光共口径的低功率可见参考光来表征主激光状态。例如在激光光束合成系统集成调试中，由于主激光的不可见性，在集成调试过程中不能直接观察主激光指向、位置以及光斑情况，无法直观直接的判断系统调试过程中实时调整的正确与否，无形中增加了集成调试的难度，降低了集成调试的效率。如果有一束与主激光共口径的可表征主激光状态的低功率可见参考光来指导激光光束合成系统集成调试，使得能够实时观察知悉参考光指向、位置以及光斑情况，以此指导系统调整使得光斑达到目标位置与状态，从而大大降低系统集成调试的难度，增加集成调试效率；在激光光束合成系统工作中，由于环境震动、机械结构形变、温度改变导致主激光的位置、指向发生改变，影响主激光性能。为保证输出激光束的稳定性，需要对主激光进行采样探测，获得主激光的位置与指向变化情况，进而控制主动光学元件进行矫正，实现输出激光束保持稳定。但由于主激光的高功率特性，对主激光进行采样检测十分复杂，一般需要多次衰减，增加了系统的复杂度。如果有一束与主激光共口径的低功率参考光表征主激光状态，通过探测参考光的位置与指向变化情况来代替主激光，可以大幅减小探测难度，降低系统复杂性；在激光光束合成系统工作中，光学元件在光机热耦合扰动下会产生面形畸变致使主激光的光束质量劣化，为保证高光束质量输出，通常需要对激光波前进行探测，获得波前畸变情况，进而控制变形镜进行补偿。由于主激光是由多路不同波长激光的合成，其相位无法探测，无法获得波前畸变情况。如果有一束与主激光共口径的低功率参考光表征主激光状态，通过探测参考光的波前畸变来代替主激光，便可解决合成激光相位无法探测的问题，从而实现面形畸变的检测与补偿。

在激光光束合成技术中，主激光与参考光波段一般有所区别，由于合成元件的色散效应，两者经过合成元件后因为衍射角差别而分离，无法直接得到一束与主激光共口径输出的参考光。目前光束合成系统中的参考光无法贯穿整个光路，只能分段表征，具有一定的局限性。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于光束合成系统的参考光产生装置及方法，其能将产生的参考光能贯穿光束合成系统整体光路，与主激光相同路径，可较准确的表征光束合成系统主激光状态，为激光光束合成系统提供一束可以表征主激光状态的参考光。本发明在激光光束合成系统光束集成调试、稳定控制及波前校正等方面具有很好的应用价值。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种用于光束合成系统的参考光产生装置，包括参考光激光器、多组主激光子束激光器、转换光学元件、色散元件以及光调节元件，其中，

所述参考光激光器与多组主激光子束激光器排列布置，使得所述参考光激光器出射的参考光与多组主激光子束激光器出射的主激光子束沿同一方向平行输出；

所述转换光学元件用于对输出的参考光和多组主激光子束进行准直后，以指定角度照射在色散元件上的入射区；

所述色散元件用于将多组主激光子束进行合束，同时由于主激光与参考光波长不同，经所述色散元件后，主激光与参考光光路分离，参考光经所述色散元件的作用后入射至光调节元件上；

所述光调节元件用于根据多组主激光子束经所述色散元件后的出射角及参考光的波长调整参考光的出射角度，使得经光调节元件后的参考光以指定角度再次入射至色散元件上的入射区，并经所述色散元件后实现与多组主激光子束共口径输出。

作为进一步优选的，所述参考光激光器为光纤激光器或半导体激光器，且该参考光激光器用于输出的参考光为可见光波段或者红外波段。

作为进一步优选的，所述参考光与主激光子束的波长不同。

作为进一步优选的，所述主激光子束激光器的个数不少于2。

作为进一步优选的，所述转换光学元件包括准直部件和光路转换部件。

作为进一步优选的，所述色散元件为透射式色散元件或者反射式色散元件。

作为进一步优选的，所述光调节元件为棱镜或者反射镜组。

作为进一步优选的，所述光调节元件根据衍射方程调整及参考光的波长调整参考光的出射角度，该衍射方程为：

其中，α为参考光的入射角，β为参考光的出射角，

按照本发明的另一个方面，还提供了一种用于光束合成系统的参考光产生方法，包括以下步骤：

S1将参考光与多组主激光子束激光器出射的主激光子束沿同一方向平行输出；

S2对输出的参考光和多组主激光子束进行准直后，以指定角度照射在色散元件上的入射区；

S3所述色散元件将多组主激光子束进行合束，同时由于主激光与参考光波长不同，经所述色散元件后，主激光与参考光光路分离，参考光经所述色散元件的作用后入射至光调节元件上；

S4所述光调节元件用于根据多组主激光子束经所述色散元件后的出射角及参考光的波长调整参考光的出射角度，使得经光调节元件后的参考光以指定角度再次入射至色散元件上的入射区，并经所述色散元件后实现与多组主激光子束共口径输出。

作为进一步优选的，步骤S1中，所述参考光与主激光子束的波长不同；

步骤S4中，所述光调节元件根据衍射方程调整及参考光的波长调整参考光的散射角度，该衍射方程为：

其中，α为参考光的入射角，β为参考光的出射角，

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1．本发明将不同波长的参考光与主激光子束经过色散元件作用后，主激光合束，主激光与参考光由于波长不同而分离，然后利用光调节元件调整参考光角度，使其以特定的角度返回入射至色散元件的相同作用区域，实现主激光与参考光共口径输出。本发明可为激光光束合成系统提供一束表征主激光状态的参考光，具备结构简单，应用灵活的优点，在激光光束合成系统光束集成调试、稳定控制及波前校正等方面具有很好的应用价值。

2．本发明产生的参考光能贯穿光束合成系统整体光路，与主激光相同路径，可较准确的表征光束合成系统主激光状态。同时，产生的参考光与主激光共口径输出，经过了主激光所经过的光学元件，可有效表征主激光状态，有利于减少激光光束合成系统光束集成调试、稳定控制及波前校正等方面的工作复杂度，提高工作效率。

3．本发明将参考光和主激光进行平行阵列排布，并对平行出射的参考光和主激光进行准直后衍射分离，然后根据衍射方程调整参考光的光路，使得参考光与多组主激光子束再次合并，共口径输出，在主体光路中，参考光能贯穿光束合成系统整体光路，与主激光相同路径，可较准确的表征光束合成系统主激光状态。整体装置及方法简单，容易调试，且鲁棒性好。

附图说明

图1是本发明优选实施例涉及的一种用于光束合成系统的参考光产生装置的结构示意图；

图2是本发明实施例1中涉及的一种用于光束合成系统的参考光产生装置的光路示意图；

图3是图2中涉及的光束阵列的示意图；

图4是本发明实施例2中涉及的一种用于光束合成系统的参考光产生装置的光路示意图；

图5是图4中涉及的光束阵列的示意图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-光束阵列，2-转换光学元件，3-色散元件，4-光调节元件，101-参考光激光器，102、103、104-主激光子束激光器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提出了一种用于光束合成系统的参考光产生方法，用于将产生的参考光贯穿光束合成系统整体光路，与主激光相同路径，可较准确的表征光束合成系统主激光状态，为激光光束合成系统提供一束可以表征主激光状态的参考光。如图1所示，本发明实施例提供的一种用于光束合成系统的参考光产生装置，包括光束阵列1、参考光激光器101、主激光子束激光器102、103、104，转换光学元件2、色散元件3、光调节元件4。其中，主激光子束激光器设置有多个，形成呈阵列排布的多组主激光子束激光器。所述参考光激光器101与多组主激光子束激光器排列布置，使得所述参考光激光器101出射的参考光与多组主激光子束激光器出射的主激光子束沿同一方向平行输出，所述转换光学元件2用于对输出的参考光和多组主激光子束进行准直后，以指定角度照射在色散元件3上的入射区；所述色散元件（3）用于将多组主激光子束进行合束，同时由于主激光与参考光波长不同，经所述色散元件后，主激光与参考光光路分离，参考光经所述色散元件的作用后入射至光调节元件上，其中，参考光经所述色散元件3的作用后入射至光调节元件4上；所述光调节元件4用于根据多组主激光子束经所述色散元件3后的出射角及参考光的波长调整参考光的散射角度，使得经光调节元件4后的参考光以指定角度再次入射至色散元件3上的入射区，并经所述色散元件3后实现与多组主激光子束共口径输出。

更具体的，本发明中，将参考光激光器101与主激光子束激光器102、103、104输出的激光进行整形排列，保证参考光与主激光子束输出光沿同一方向平行输出，形成光束阵列1。参考光激光器101与主激光子束激光器102、103、104输出的光束经过转换光学装置2分别以一定的角度准直的照射在色散元件3上，基于光学色散原理，主激光子束激光器102、103、104的光束合成一束光输出。参考光激光器101出射波段与主激光子束激光器102、103、104不一致，其经过转换光学装置2照射在色散元件3上，经色散元件3作用，参考光与主激光分离，参考光入射至参考光调节装置4，经参考光调节装置4调整角度后再次入射至色散元件3上相同作用区域，经色散元件3再次作用实现与主激光共口径输出。

在本发明中，参考光激光器101可以但不限于光纤激光器、半导体激光器，参考光激光器101出射的参考光的波段可以但不限于可见光波段、红外波段，具备良好的波长稳定性与光束质量。

主激光子束激光器102、103、104可以但不限于光纤激光器、半导体激光器，波段可以但不限于可见光波段、红外波段，主激光子束激光器的路数可以为多路，但不限于3束。

参考光激光器101与主激光子束激光器102、103、104出射的激光波段不一致，可以相差较大。

转换光学元件2可以但不限于透射镜、反射镜、或多组镜片的组合，但其功能为实现参考光激光器101、主激光子束激光器102、103、104输出光束准直并以一定的角度入射至色散元件3。在本发明的一个实施例中，转换光学元件2包括准直部件和光路转换部件。其中，准直部件包括第一镜片和第二镜片，所述第一镜片与所述第二镜片相对设置，第一镜片位于激光源与第二镜片之间，第一镜片的热膨胀系数小于第二镜片的热膨胀系数，激光源发射的激光依次经第一镜片和第二镜片折射后形成准直光线。更具体的额，在本实施例中，第一镜片具有相背设置的第一曲面和第二曲面，第二镜片具有相背设置的第三曲面和第四曲面，第二曲面与第三曲面相对，激光源发射的激光依次经第一曲面、第二曲面、第三曲面及第四曲面的折射后形成准直光线，第一镜片的第一曲面和第二曲面为球面，第二镜片的第三曲面和第四曲面为非球面。或者第一镜片具有相背设置的第一曲面和第二曲面，第二镜片具有相背设置的第三曲面和第四曲面，第二曲面与第三曲面相对，激光源发射的激光依次经第一曲面、第二曲面、第三 曲面及第四曲面的折射后形成准直光线，第一镜片的第一曲面和第二曲面为非球面，第二镜片的第三曲面和第四曲面为非球面。在本发明的另一个实施例中，准直部件包括从左至右依次设置的第一透镜与第二透镜和第三透镜。第一透镜与第二透镜呈弯月形，第三透镜为平凸透镜。第一透镜与第二透镜弯月形凹面为光的入射面，弯月形凸面为光的出射面，第三透镜平凸透镜的平面为光的入射面，平凸透镜的凸面为光的出射面。当然，转换光学元件2不限于上述实施例，其他能实现参考光激光器、主激光子束激光器输出光束准直并以一定的角度入射至色散元件3的元件均适用于本发明。

在本发明中，色散元件3为透射式色散元件或者反射式色散元件。更具体的，在本发明的一个实施例中，色散元件3包括一衍射光栅，该衍射光栅由多个各自具有一被两条直线和一条曲线中的任何一个围绕的横截面形状的衍射光栅构件构成；该衍射光栅还包括多个光屏蔽构件，每一个均在该些衍射光栅构件中相应的一个上在所述衍射光栅构件沿该横截面形状的该直线和该曲线中的任何一个的一侧面上形成。其中，光屏蔽元件减小了相对于入射光的零级透射光。光屏蔽构件是通过在该衍射光栅构件上在该衍射光栅构件沿该横截面形状的该直线和该曲线中的任何一个的一侧面上从一倾斜方向蒸镀金属而形成的。在本发明的另一实施例中，色散元件3为三棱镜，该三棱镜采用透明树脂制备而成。在本发明的另一个实施例中，色散元件3为衍射光栅，该衍射光栅包括一树脂层以及位于该树脂层内的多个金属表面，该些金属表面是周期性设置的，每个金属表面具有一与该薄膜表面成一给定的闪耀角的倾角。当然，色散元件3不限于上述实施例，其他能实现激光衍射的色散元件均适用于本发明。

在本发明中，光调节元件4根据衍射方程调整及参考光的波长调整参考光的散射角度，该衍射方程为：

其中，α为参考光的入射角，β为参考光的出射角，

具体的，光调节元件4可以但不限于棱镜、反射镜组，其功能是对经色散元件3作用输出的参考光的角度进行调整，使其以与特定的角度返回至色散元件3同一作用区域。更具体的，光调节元件4包括出射角测量部件以及角度调节部件，其中，角度调节部件为棱镜或者反射镜组，且该棱镜或者反射镜组采用驱动器进行驱动。出射角测量部件用于根据衍射方程获取主激光子束和参考光的经所述色散元件后的出射角，然后根据两者出射角的差值计算参考光返回至色散元件的入射角，使得经光调节元件后的参考光以指定角度再次入射至色散元件上的入射区，并经所述色散元件后实现与多组主激光子束共口径输出。

在本发明的一个优选实施例中，角度调节部件为两个相对应设置的反射镜组，即相对设置的第一反射镜和第二反射镜，出射角测量部件根据衍射方程以及衍射常数获取主激光子束经所述色散元件后的出射角a

按照本发明的另一个方面，还提供了一种用于光束合成系统的参考光产生方法，包括以下步骤：

（1）将参考光与多组主激光子束激光器出射的主激光子束沿同一方向平行输出。即构建光束阵列1，将参考光激光器101与主激光子束激光器102、103、104输出的激光进行整形排列，保证参考光与主激光子束输出光沿同一方向平行输出。

（2）对输出的参考光和多组主激光子束进行准直后，以指定角度照射在色散元件上的入射区。参考光激光器101与主激光子束激光器102、103、104输出的光束经过转换光学装置2分别以一定的角度准直的照射在色散元件3上，基于光学色散原理，主激光子束激光器102、103、104的光束合成一束光输出。

（3）所述色散元件3用于将多组主激光子束进行合束，同时由于主激光与参考光波长不同，经所述色散元件3后，主激光与参考光光路分离，参考光经所述散元件3的作用后入射至光调节元件4上。参考光激光器101出射波段与主激光子束激光器102、103、104不一致，其经过转换光学装置2照射在色散元件3上，经色散元件3作用，参考光与主激光分离，参考光入射至参考光调节装置4。

（4）所述光调节元件用于根据多组主激光子束经所述色散元件后的出射角及参考光的波长调整参考光的出射角度，使得经光调节元件后的参考光以指定角度再次入射至色散元件上的入射区，并经所述色散元件后实现与多组主激光子束共口径输出。根据多组主激光子束经所述色散元件后的出射角、参考光的波长以及衍射方程调整参考光的出射角度，经参考光调节装置4调整角度后再次入射至色散元件3上相同作用区域，经色散元件3再次作用实现与主激光共口径输出。

上述衍射方程为：

其中，α为参考光的入射角，β为参考光的出射角，

本发明装置及方法将不同波长的参考光与主激光子束经过色散元件作用分离后，利用光调节元件调整参考光角度，使其以特定的角度返回入射至色散元件的相同作用区域，实现主激光与参考光共口径输出。本发明可为激光光束合成系统提供一束表征主激光状态的参考光，具备结构简单，应用灵活的优点，在激光光束合成系统光束集成调试、稳定控制及波前校正等方面具有很好的应用价值。

实施例1

请参阅图2与图3，图2为实现光束合成主激光与参考光共口径输出的方法的一个实施例，图3为实施例1的参考光激光器与主激光子束激光器的排布图。

在该实施例中，参考光激光器101与主激光子束激光器102、103构成光束阵列1，其中参考光激光器101位于光束阵列1中心，出射波长为808nm；主激光子束激光器102位于参考光激光器101左边15.24mm处，出射波长为1045nm，主激光子束激光器103位于参考光激光器101右边15.24mm处，出射波长分别为1065nm。

参考光与主激光子束平行入射至转换光学元件2，转换光学元件2为一透射镜，透射镜焦距为800mm。参考光与主激光子束经过转换光学元件2以一定的角度准直入射至色散元件3上，色散元件刻线为1000line/mm。经色散元件3作用后，主激光子束合成为一束光输出，参考光与主激光分离入射至光调节元件4中。

光调节元件4由反射镜401与反射镜402组成，其中反射镜401绕自身Y轴旋转35.14°，反射镜402绕自身Y轴旋转35.14°。参考光经过反射镜401与反射镜402后返回至色散元件3，再次被色散元件3作用，实现与主激光相同口径输出。

实施例2

请参阅图4与图5，图4为实现光束合成主激光与参考光共口径输出的方法的另一个实施例，图5为实施例2的参考光激光器与主激光子束激光器的排布图。

在该实施例中，参考光激光器101与主激光子束激光器102、103、104构成光束阵列1，其中参考光激光器101位于光束阵列1中心，出射波长为632nm；主激光子束激光器102位于参考光激光器101左边20mm处，出射波长为1037nm；主激光子束激光器103位于参考光激光器101右边10mm处，出射波长分别为1063nm；主激光子束激光器104位于参考光激光器101右边20mm处，出射波长分别为1072nm。

参考光与主激光子束平行入射至转换光学元件2，转换光学元件2为一反射镜，反射镜焦距为1000mm，参考光与主激光子束经过转换光学元件2以一定的角度准直入射至色散元件3上，色散元件刻线为1000line/mm。经色散元件3作用后，主激光子束合成为一束光输出，参考光与主激光分离入射至光调节元件4中。

光调节元件4由反射镜401与反射镜402组成，其中反射镜401绕自身X轴旋转44°，反射镜402绕自身X轴旋转44°。参考光经过反射镜401与反射镜402后返回至色散元件3，再次被色散元件3作用，实现与主激光相同口径输出。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。