一种高功率激光长距离传输装置及其长距离传输方法

摘要

本发明公开了一种高功率激光长距离传输装置，包括由偶数个两两对应设置的腔镜构成的往返传输腔镜组，每一腔镜通过一个可二维调节的腔镜夹持装置设置在底座上。通过调整腔镜夹持装置的角度，实现了高功率激光在往返传输腔镜组内的往返传输。其中，腔镜镀制有高功率介质膜，反射率大于99％，可实现高功率激光的高效长距离传输。装置整体结构紧凑、传输效率高、调节灵活、便捷，传输距离可调可控。

说明书

技术领域

本发明涉及激光传输技术领域，特别是涉及一种高功率激光长距离传输装置及其长距离传输方法。

背景技术

随着激光技术的发展,许多激光应用领域要求激光束能在空气中长距离传输。一般要求激光束在空气中的传输距离为数十米到数千米，并且要求在一定传输距离内保持特定形状、尺寸。光束在大型激光系统传输过程中经过众多的光学元件以及光学元件夹持装置。高功率激光辐照下，光学元件吸收激光能量产生热应力和热畸变，加之环境振动，空气扰动、湍流和热晕等这些因素严重影响了激光束的传输特性，引起激光束的漂移和扩展。

由于进行高功率激光试验时明显的危险性和对试验场地要求高等特点，高功率激光传输试验研究往往在室内进行模拟。但是由于试验场所限制，要实现对高功率激光几百米的传输，并对不同传输距离处的光束导出进行测量和分析，获得其传输特性参数，因此进行激光长距离传输方式和传输导光装置的设计，利用此装置进行激光长距离传输特性的研究，具有一定的实际意义。

对于激光功长距离传输的方式和装置存在很多方法，使用反射镜对光束进行多次反射传输[辜建辉等，高功率激光长距离传输与导光，华中理工大学学报，1995年，Vol.23,No.3]，但传输距离只有51米，场地利用率较低；还有学者通过自行搭建由两片腔镜组成的传输装置进行激光长距离传输的模拟[光学薄膜元件热变形的检测光路，发明专利号：1565660授权号：ZL 201210466875.1]可以观测不同传输距离的光斑形态，但传输距离仍然有限，不具备光束导出的功能，只能目测，无法获得光束的传输特性参数数据。

目前，现有技术的激光长距离传输的方式和导光装置还存在传输方式和功能单一、传输距离受限、试验场地利用率低、灵活性低、等一系列问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中传输距离受限、试验场地利用率低的技术缺陷，而提供一种高功率激光长距离传输装置。

本发明的另一个目的，是提供上述高功率激光长距离传输装置的长距离传输方法。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种高功率激光长距离传输装置，包括由偶数个两两对应设置的腔镜构成的往返传输腔镜组，每一腔镜通过一个可二维调节的腔镜夹持装置设置在底座上；

所述腔镜夹持装置包括固定支架和用于夹持腔镜的腔镜夹持组件；

所述腔镜夹持组件包括用于放置腔镜的腔镜放置框和将所述腔镜定位在所述腔镜放置框上的定位组件；

所述腔镜放置框通过二维调节组件可调固定在所述固定支架上；

所述二维调节组件包括上调节螺钮组件、下调节螺钮组件和万向轴承组件，所述腔镜放置框的底部一角通过所述万向轴承组件转动连接于所述固定支架的下部，所述腔镜放置框的顶部一角通过所述上调节螺钮组件转动连接于所述固定支架的上部，所述上调节螺钮组件位于所述万向轴承组件的正上方，以调节所述腔镜放置框的俯仰角度；

所述腔镜放置框的底部另一角通过所述下调节螺钮组件转动连接于所述固定支架的下部，所述下调节螺钮组件与所述万向轴承组件位于同一水平高度，以调节所述腔镜放置框的水平旋转角度。

在上述技术方案中，所述腔镜镀制有高功率介质膜，反射率大于99％。

在上述技术方案中，所述固定支架包括呈一体结构的U形底座和L形固定板，所述上调节螺钮组件安装在所述L形固定板的顶部，所述万向轴承组件安装在所述L形固定板的弯折角位置，所述下调节螺钮组件安装在所述L形固定板的底部远离所述万向轴承组件的一端。

在上述技术方案中，所述U形底座的水平板上设置有两个长条形的固定孔。

在上述技术方案中，所述腔镜放置框包括用于承接所述腔镜的底面的底托、用于承接所述腔镜的后侧面的背板和顶板。

在上述技术方案中，所述定位组件包括横向限位件和纵向限位件；

所述横向限位件为安装在所述顶板前方的压片；

所述纵向限位件包括用于压紧所述腔镜的镜片夹条、将所述镜片夹条安装在所述顶板下方的导向钉和螺纹连接于所述顶板上的锁紧钮，所述锁紧钮螺旋向下时给所述镜片夹条施加向下的压力，压紧所述腔镜。

在上述技术方案中，所述上调节螺钮组件包括嵌装在所述L形固定板上的第一螺纹套筒、与所述第一螺纹套筒螺纹配合的第一螺杆、固定在所述第一螺杆尾端的第一旋钮和嵌装在所述背板上的第一V顶块，所述第一螺杆的尖端为半球形，半球形尖端位于所述第一V顶块的V形槽内；

所述下调节螺钮组件包括嵌装在所述L形固定板上的第二螺纹套筒、与所述第二螺纹套筒螺纹配合的第二螺杆、固定在所述第二螺杆尾端的第二旋钮和嵌装在所述背板上的第二V顶块，所述第二螺杆的尖端为半球形，半球形尖端位于所述第二V顶块的V形槽内；

所述L形固定板与所述背板之间通过活动连接件连接。

在上述技术方案中，所述第一螺纹套筒和所述第二螺纹套筒材质为磷青铜；

所述第一螺杆和所述第二螺杆材质为含镍合金钢；

所述第一V顶块和所述第二V顶块材质为SKD11超硬钢。

在上述技术方案中，所述万向轴承组件包括中间连轴、万向轴承和用于安装所述万向轴承的轴承座，所述轴承座固定在所述L形固定板上，所述万向轴承位于所述L形固定板的通孔内，所述中间连轴一端与所述背板固定连接，另一端通过螺栓固定在所述万向轴承上，所述中间连轴的侧壁与所述通孔的内壁存在间隙以使其在一定角度内转动。

在上述技术方案中，所述背板和L形固定板相对应的位置上形成有为激光传输过程中调整光斑位置提供参考依据的光斑定位孔。

在上述技术方案中，相邻两个腔镜夹持装置分别通过所述固定孔固定在一个所述底座上。

本发明的另一方面，一种高功率激光长距离传输装置的长距离传输方法，

所述高功率激光长距离传输装置包括包括由偶数个两两对应设置的腔镜构成的往返传输腔镜组，每一腔镜通过腔镜夹持装置设置在底座上以调节腔镜的左右角和俯仰角；

步骤1：高功率激光光束经导入腔镜CM反射后，穿过腔镜组中末端腔镜CMn对应的腔镜夹持装置下方的孔隙，以较小的仰角照射到首端腔镜CM1上，在首端腔镜CM1上形成第一个光斑；

步骤2：依次调节往返传输腔镜组中各腔镜的左右角和俯仰角，使高功率激光光束自首端腔镜CM1依次传输至倒数第二个腔镜CMn-1，并在各腔镜上形成第一个光斑，完成前半个光程的传输；

步骤3：调节倒数第二个腔镜CMn-1的左右角和俯仰角，使高功率激光光束按照比前半个光程稍高的光路自倒数第二个腔镜CMn-1依次传输至末端腔镜，在倒数第三个腔镜CMn-1至首端腔镜CM1上形成第二个光斑，在末端腔镜CMn上形成第一个光斑，完成后第一个光程的传输；

步骤4：调节末端腔镜CMn的左右角和俯仰角，使高功率激光光束以较小的仰角照射到首端腔镜CM1上，在首端腔镜CM1上形成第三个光斑；按照步骤2和步骤3的方法，在末端腔镜CMn上形成第二个光斑，完成第二个光程的传输；

步骤5：按照步骤2和步骤3的方法，直至末端腔镜CMn上形成m个完整的光斑，即走完m个光程，总传输距离为L＝(2n-2)*l*m＝14l*4。

在上述技术方案中，步骤1中，高功率激光光束照射到首端腔镜CM1上的仰角为0.3°-1.0°。

在上述技术方案中，各腔镜上的第一个光斑位于所述腔镜的正中央，与所述腔镜下边缘的距离为1.5-2.5mm，优选2mm。

在上述技术方案中，各腔镜上的第二个光斑位于第一个光斑的正上方，且第二个光斑的下边缘切线与第一个光斑的上边缘切线之间的距离为2-4mm，优选3mm。

本发明的另一方面，上述长距离传输方法在高功率激光长距离传输实验中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明提供的高功率激光长距离传输装置，包括由偶数个两两对应设置的腔镜构成的往返传输腔镜组，每一腔镜通过一个可二维调节的腔镜夹持装置设置在底座上。通过调整腔镜夹持装置的角度，实现了高功率激光在往返传输腔镜组内的往返传输。其中，腔镜镀制有高功率介质膜，反射率大于99％，可实现高功率激光的高效长距离传输。装置整体结构紧凑、传输效率高、调节灵活、便捷，传输距离可调可控。

2.本发明提供的高功率激光长距离传输装置的长距离传输方式，通过调整腔镜个数、两腔镜间隔以及往返次数，可以在较小的实验场地内实现传输距离的最大化，降低了实验场地的要求，同时提高了实验场地的利用率。

附图说明

图1所示为可二维调节的腔镜夹持装置的轴测图；

图2所示为可二维调节的腔镜夹持装置的侧视图；

图3所示为可二维调节的腔镜夹持装置的正视图；

图4所示为下调节螺钮组件的剖面结构示意图；

图5所示为高功率激光长距离传输装置的结构示意图；

其中，A-腔镜，B-腔镜夹持装置，C-底座，D-导光装置，E-CCD相机。

图6所示为长距离传输方法的原理图。

图中：1-固定支架，1-1-U形底座，1-2-L形固定板，2-腔镜放置框，2-1-底托，2-2-背板，2-3-顶板，3-锁紧钮，4-压片，5-固定孔，6-镜片夹条，7-导向钉，8-第一螺纹套筒，9-第一螺杆，10-第一旋钮，11-第一V顶块，12-中间连轴，13-万向轴承，14-轴承座，15-第二螺纹套筒，16-第二螺杆，17-第二V顶块，18-第二旋钮，19-光斑定位孔。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。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。

实施例1

一种可二维调节的腔镜夹持装置，如图1-3所示，包括固定支架1和用于夹持腔镜的腔镜夹持组件；

所述腔镜夹持组件包括腔镜放置框2和将所述腔镜定位在所述腔镜放置框2上的定位组件，所述腔镜放置在所述腔镜放置框2内；

所述定位组件包括横向限位件和纵向限位件；

所述横向限位件为压片4，所述压片4通过4个螺栓可拆卸安装在所述腔镜放置框2顶端的前方对所述腔镜进行限位，防止腔镜向前滑出；

所述纵向限位件包括镜片夹条6、导向钉7和锁紧钮3，所述镜片夹条6用于压紧所述腔镜，所述导向钉7的底部固定于镜片夹条6上，钉身穿过形成在顶板2-3上的孔位，顶部的顶帽位于顶板2-3上方且不可穿过所述孔位，通过导向钉7安装在所述顶板2-3上，所述锁紧钮3螺纹连接于所述顶板2-3上，锁紧钮3的底端下移时给所述镜片夹条6施加向下的压力，压紧所述腔镜。实际应用时，所述锁紧钮3的数量为3个，所述导向钉7的数量为2个，相邻两个所述锁紧钮3之间设置有一个导向钉7。

所述腔镜放置框2通过二维调节组件可调固定在所述固定支架1上；

所述二维调节组件包括上调节螺钮组件、下调节螺钮组件和万向轴承组件，所述腔镜放置框2的底部一角通过所述万向轴承组件转动连接于所述固定支架1的下部，所述腔镜放置框2的顶部一角通过所述上调节螺钮组件转动连接于所述固定支架1的上部，以调节所述腔镜放置框2的俯仰角度，所述上调节螺钮组件位于所述万向轴承组件的正上方，所述下调节螺钮组件与所述万向轴承组件位于同一水平高度以调节所述腔镜放置框2的水平旋转角度。

调整俯仰角度时，调节好下调节螺钮组件后，通过旋转上调节螺钮组件，推动腔镜放置框2的上端前后移动，万向轴承组件内的轴承结构发生相对转动，下调节螺钮组件内的旋转接触点发生相对转动，如此实现腔镜放置框2的俯仰调节；

调节水平旋转角度时，调节好上调节螺钮组件后，通过旋转下调节螺钮组件，推动腔镜放置框2的侧边前后移动，万向轴承组件内的轴承结构发生相对转动，上调节螺钮组件内的旋转接触点发生相对转动以调节所述腔镜放置框2的水平旋转角度。

具体来说，所述固定支架1包括呈一体结构(一体成型)的U形底座1-1和L形固定板1-2，所述上调节螺钮组件安装在所述L形固定板1-2的顶部，所述万向轴承组件安装在所述L形固定板1-2的弯折角位置，所述下调节螺钮组件安装在所述L形固定板1-2的底部远离所述万向轴承组件的一端。

具体来说，所述腔镜放置框2包括一体连接的底托2-1、背板2-2和顶板2-3；所述底托2-1用于承接所述腔镜的底面，所述背板2-2用于承接所述腔镜的后侧面；所述锁紧钮3设置在所述顶板2-3上。所述腔镜放置框2能够夹持200*100*30mm的腔镜，夹持空间较大。

如图4所示，所述下调节螺钮组件包括嵌装在所述L形固定板1-2上的第二螺纹套筒15、与所述第二螺纹套筒15螺纹配合的第二螺杆16、固定在所述第二螺杆16尾端的第二旋钮18和嵌装在所述背板2-2上的第二V顶块17，所述第二螺杆16的尖端为半球形，半球形尖端位于所述第二V顶块17的V形槽内；

所述上调节螺钮组件的结构与所述下调节螺钮组件的结构一致，包括嵌装在所述L形固定板1-2上的第一螺纹套筒8、与所述第一螺纹套筒8螺纹配合的第一螺杆9、固定在所述第一螺杆9尾端的第一旋钮10和嵌装在所述背板2-2上的第一V顶块11，所述第一螺杆9的尖端为半球形，半球形尖端位于所述第一V顶块11的V形槽内；

所述L形固定板1-2与所述背板2-2之间通过活动连接件连接，在保证两者不分离的前提下，为所述上调节螺钮组件和所述下调节螺钮组件预留调整空间。所述活动连接件可以是铆钉或弹性件。

所述万向轴承组件包括中间连轴12、万向轴承13和用于安装所述万向轴承13的轴承座14，所述轴承座14固定在所述L形固定板1-2上，所述万向轴承13位于所述L形固定板1-2的通孔内，所述中间连轴12一端与所述背板2-2固定连接，另一端通过螺栓固定在所述万向轴承13上，所述中间连轴12的侧壁与所述通孔的内壁存在间隙以使其在一定角度内转动。所述万向轴承13采用SKF GE15C型号的万向轴承，间隙小刚性大，能够提供15°全方位的活动裕度，同时刚性较大，对腔镜放置框2的承载提供保障。

作为优选，所述第一螺纹套筒8和所述第二螺纹套筒15材质为磷青铜，所述第一螺杆9和所述第二螺杆16材质为含镍合金钢，螺距为M10X0.25超精螺距，从而保证了在调整过程中的高分辨率和高放大扭矩，在调整精度和调整难易这两个方面优势明显。

作为优选，所述第一V顶块11和所述第二V顶块17材质为SKD11超硬钢，粗糙度为0.8mm，保证了运动的顺滑和高可靠性与高稳定性。

作为优选，所述U形底座1-1的水平板上设置有两个长条形的固定孔5，可调节的固定在底座或其他特定位置上。

作为优选，所述背板2-2和L形固定板1-2相对应的位置上形成有光斑定位孔19，可以为激光传输过程中调整光斑位置提供参考依据。

实施例2

一种高功率激光长距离传输装置，如图5所示，包括由偶数个两两对应设置的腔镜构成的往返传输腔镜组，每一腔镜A通过实施例1所述的可二维调节的腔镜夹持装置B设置在底座C上。

所述腔镜镀制有高功率介质膜，反射率大于99％。

一种高功率激光长距离传输实验系统，如图5所示，包括上述高功率激光长距离传输装置、将所述高功率激光导出的导光装置和用于接收所述导光装置D导出的高功率激光并进行分析的CCD相机E。

高功率激光经导入腔镜后以较小的仰角照射到所述高功率激光长距离传输装置中，经所述高功率激光长距离传输装置往返长距离传输后，由所述导光装置D导出至CCD相机E以测量长距离传输后的高功率激光的各项参数。

根据实施例2中传输距离计算公式L＝(2n-2)*l*m，计算得出需导出高功率激光的位置，然后将所述导光装置插入到该位置进行导出。

实施例3

实施例2中所述的高功率激光长距离传输装置的长距离传输方法，包括以下步骤：

步骤1：高功率激光光束经导入腔镜CM反射后，穿过腔镜组中末端腔镜CMn对应的腔镜夹持装置下方的孔隙，以较小的仰角照射到首端腔镜CM1上，在首端腔镜CM1上形成第一个光斑；

步骤2：依次调节往返传输腔镜组中各腔镜的左右和俯仰角，使高功率激光光束自首端腔镜(CM1)依次传输至倒数第二个腔镜CMn-1，并在各腔镜上形成第一个光斑，完成前半个光程的传输；

步骤3：调节倒数第二个腔镜CMn-1的左右和俯仰角，使高功率激光光束按照比前半个光程稍高的光路自倒数第二个腔镜CMn-1依次传输至末端腔镜，在倒数第三个腔镜CMn-1至首端腔镜CM1上形成第二个光斑，在末端腔镜CMn上形成第一个光斑，完成后第一个光程的传输；

步骤4：调节末端腔镜(CMn)的左右和俯仰角，使高功率激光光束以较小的仰角照射到首端腔镜CM1上，在首端腔镜CM1上形成第三个光斑；按照步骤2和步骤3的方法，在末端腔镜CMn上形成第二个光斑，完成第二个光程的传输；

步骤5：按照步骤2和步骤3的方法，直至末端腔镜CMn上形成m个完整的光斑，即走完m个光程，总传输距离为L＝(2n-2)*l*m＝14l*4。

上述高功率激光长距离传输装置，可根据场地大小或传输距离需求对腔镜数量进行合理调整。以8个腔镜为例，所述高功率激光长距离传输装置的长距离传输方法，如图6所示，

首先定义首端腔镜CM1与末端腔镜CM8相对设置，第二个腔镜CM2至第七个腔镜CM7依次交替设置；

高功率激光光束经导入腔镜M1反射后，照射到首端腔镜CM1上，在首端腔镜CM1镜面上形成第一个光斑；

调节腔镜CM1对应的腔镜夹持装置的二维角度，使高功率激光光束经首端腔镜CM1反射到第二个腔镜CM2上，在腔镜CM2镜面上形成第一个光斑；

调节第二个腔镜CM2对应的腔镜夹持装置的二维角度，使高功率激光光束经第二个腔镜CM2反射到第三个腔镜CM3上，在第三个腔镜CM3镜面上形成第一个光斑；

依次类推，当调节到第六个腔镜CM6对应的腔镜夹持装置的二维角度时，在第七个腔镜CM7镜面上形成第一个光斑，此时走完前半个光程；之后高功率激光光束经第七个腔镜CM7反射回到第六个腔镜CM6上，在第六个腔镜CM6镜面上形成第二个光斑，调节第七个腔镜CM7对应的腔镜夹持装置的二维角度，使得第六个腔镜CM6上第二个光斑位于第一个光斑的正上方；

此时，返回的高功率激光按照比前半个光程略高的光路返回腔镜CM1，然后反射到末端腔镜CM8上，在末端腔镜CM8镜面下方正中央位置形成第一个光斑，完成后半个光程，即走完第一个光程，单程传输距离L

接着调节腔镜CM8对应的腔镜夹持装置的二维角度，按照上述过程在腔镜CM8上形成第二个光斑，走完第二个光程；

依次类推，直至腔镜CM8上形成4个光斑，即走完4个光程，总传输距离为L＝(2n-2)*l*m＝64l。

上述高功率激光长距离传输方式，采用多个腔镜组合的往返式传输方式，可通过改变腔镜个数n、相对设置的两个腔镜之间的距离l和单程传输末端腔镜上光斑个数m，在有限的试验场所内，实现传输距离的最大化。

高功率激光光束经导入腔镜M1反射后，穿过末端腔镜CM8对应的可二维调节的腔镜夹持装置中U形底座(1-1)中间的孔隙，以0.5°的仰角照射到首端腔镜CM1上。

作为优选，各腔镜上的第一个光斑位于所述腔镜的正中央，且与所述腔镜下边缘的距离为1.5-2.5mm，优选2mm，可参考腔镜放置框中背板上设置的光斑定位孔的位置。

作为优选，各腔镜上的第二个光斑位于第一个光斑的正上方，且第二个光斑的下边缘切线与第一个光斑的上边缘切线之间的距离为2-4mm，优选3mm，可参考腔镜放置框中背板上设置的光斑定位孔的位置。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。