專利名稱：用于高功率激光裝置的光路準直集成裝置及準直方法
技術領域：
本發(fā)明涉及高功率激光裝置，特別是一種用于高功率激光裝置的光路準直集成裝置及準直方法，尤其是一種能夠滿足大規(guī)模、大口徑高功率激光裝置近、遠場準直需求的高度集成化、模塊化的準直監(jiān)測裝置。
背景技術：
空間濾波器作為高功率激光裝置的核心器件之一，其發(fā)揮著多重作用抑制寄生振蕩，降低自發(fā)輻射影響，改善光束質量，抑制自聚焦，實現(xiàn)像傳遞，擴展光束口徑等，其最終目的都是為了提高驅動器的輸出能力。而光路準直技術的核心目標就是確保空間濾波器的上述功能的正常實現(xiàn)。高功率激光裝置的典型放大鏈結構如圖1所示前級放大鏈101 輸出的光束102經(jīng)近場調整反射鏡103和遠場調整反射鏡104反射后進入空間濾波器107， 經(jīng)濾波、擴束后進入下一級放大器108，之后經(jīng)過隔離器109，再經(jīng)過兩塊反射鏡110、113導光后，輸出到后級放大鏈114。目前，高功率激光裝置自動準直系統(tǒng)中的近場取樣最常用的方法就是在光路中遠場反射鏡104的后面，利用光束102經(jīng)過該反射鏡104時的漏光105對光束近場進行取樣成像；常用的遠場取樣的方法是在近場調整反射鏡110的后面，加入一套大口徑遠場成像系統(tǒng)112，利用反射鏡110的漏光111對遠場進行取樣。該方法成本高、占用空間巨大，尤其是面對大口徑(百毫米以上)光束的準直取樣，不僅其實現(xiàn)成本和技術難度難以接受，同時其取樣精度也難以保證。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有準直取樣方法的上述問題，本發(fā)明提供一種用于高功率激光裝置的光路準直集成裝置及準直方法，該裝置具有集成化、模塊化、結構簡單和精度高的特點，能滿足高功率激光裝置對于大口徑光束準直的監(jiān)測需求。本發(fā)明的技術解決方案如下一種用于高功率激光裝置的光路準直集成裝置，其特點是該裝置包括取樣光柵、照明光源、導光單元、分光鏡、近場監(jiān)測單元和遠場監(jiān)測單元，上述元部件的位置關系如下在位于主激光光束光路上的空間濾波器的濾波小孔板前插入一塊取樣光柵，設置照明光源，該照明光源由發(fā)光二極管和準直透鏡構成，當照明光源發(fā)出照明光束與主激光光束的入射角與所述的取樣光柵滿足一定關系時，所述的照明光束與主激光光束經(jīng)所述的取樣光柵產(chǎn)生的衍射光的方向相同；在所述的衍射光方向依次設置取樣物鏡和導向反射鏡構成所述的導光單元，在該導向反射鏡的反射光方向設置分光鏡，該分光鏡將入射的衍射光分為反射光束和透射光束，在所述的反射光束方向設置遠場監(jiān)測單元，該遠場監(jiān)測單元由遠場成像目鏡和遠場CXD 構成，在所述的透射光束方向設置近場CCD，構成近場監(jiān)測單元；
所述的遠場監(jiān)測單元、分光鏡和導光單元組成的成像系統(tǒng)的物面位于所述的取樣光柵上，利用所述的遠場CCD對光柵面成像，用于監(jiān)測主激光焦斑相對于遠場基準的偏差， 實現(xiàn)遠場監(jiān)測；所述的近場監(jiān)測單元、導光單元、取樣光柵以及空間濾波器的輸入透鏡組成的近場成像系統(tǒng)的物面位于主激光光路的近場像傳遞面上。在所述的近場CXD之前還設置有反射鏡。所述的取樣光柵的四角區(qū)域具有中心對稱的四個非刻蝕的圓形區(qū)。利用所述的用于高功率激光裝置的光路準直集成裝置對高功率激光裝置的空間濾波器進行光路準直的方法，特征在于包括如下步驟①移入取樣光柵，啟動照明光源，發(fā)光二極管發(fā)出的光經(jīng)準直透鏡后形成平行照明光束，注入主激光束同時照明所述的取樣光柵；②利用近場監(jiān)測單元獲取近場圖像，利用計算機圖像處理技術計算光束近場位置相對于近場基準的偏差(具體圖像處理算法參見文獻劉海波，Visual C++數(shù)字圖像處理技術詳解，機械工業(yè)出版社，2010. 6)，根據(jù)偏差量反饋調節(jié)近場反射鏡使光束近場位置相對于近場基準的中心重合；③利用遠場監(jiān)測單元獲取遠場圖像，利用計算機圖像處理技術計算光束焦斑位置相對于遠場基準的偏差(具體圖像處理算法參見文獻劉海波，Visual C++數(shù)字圖像處理技術詳解，機械工業(yè)出版社，2010. 6)，根據(jù)偏差量反饋調整遠場反射鏡使光束焦斑位置的中心和遠場基準的中心重合；④多次重復步驟②、③，直到近、遠場偏差值在誤差允許的范圍內(nèi)，調整結束；⑤關閉照明光源，移出所述的取樣光柵。本發(fā)明的技術效果是1、利用光柵的衍射作用，實現(xiàn)對光束近場和遠場的同時取樣，巧妙地復用了空間濾波器的輸入透鏡，有效提高了取樣系統(tǒng)對主激光光束的近場分辨率和遠場角分辨率，避免了取樣系統(tǒng)中大口徑、長焦距光學件的使用，極大地節(jié)省了裝置所占空間及所需成本；2、同時，該發(fā)明實現(xiàn)了近、遠場在光路中相同位置取樣，可以方便地做成集成化、 標準化的準直模塊。


圖1是高功率激光裝置典型放大鏈結構的光路示意中101-前級放大鏈，102-輸出主激光，103-近場調整反射鏡，104-遠場調整反射鏡，105-用于近場監(jiān)測的漏光，106-近場監(jiān)測單元，107-空間濾波器，108-放大器， 109-隔離器，110-下級近場調整反射鏡，111-用于遠場監(jiān)測的漏光，112-遠場監(jiān)測單元， 113-下級遠場調整反射鏡，114-后級放大鏈。圖2是本發(fā)明用于高功率激光裝置的光路準直集成裝置的光路示意中201-空間濾波器濾波孔板，202-取樣光柵，203-照明光，204-照明單元， 205-主光路像傳遞面，206-空間濾波器輸入透鏡，207-主激光和照明光的衍射光，208-導光單元，209-分光鏡(1053波段透射)，210-大部分主激光衍射光，211-全反鏡，212-大部分主激光衍射光，213-近場成像單元，214-遠場成像單元，215-絕大部分照明光衍射光和小部分主激光衍射光。
圖3是本發(fā)明取樣光柵202結構示意圖。圖中301、302、303、304為非刻蝕區(qū)，305為刻蝕區(qū)。圖4是遠場監(jiān)測單元獲取的模擬圖像。圖中401-404.上述非刻蝕區(qū)(301-304)對應的衍射光成像所得暗區(qū)，405-上述 4個暗區(qū)確定的遠場基準，406-主激光焦斑，407-上述刻蝕區(qū)對應的亮區(qū)。圖5是本發(fā)明近場和遠場準直監(jiān)測裝置的詳細說明圖。圖中501-照明準直透鏡，502-發(fā)光二極管(LED)，503-取樣物鏡，504.-導光反射鏡，505-近場CXD，506-遠場CXD，507-遠場成像目鏡。圖6是近場監(jiān)測單元獲取的模擬圖像圖中501-光束近場的位置標識，502-近場準直標識
具體實施例方式下面結合實例和附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。先請參閱圖2和圖5，圖2是本發(fā)明用于高功率激光裝置的光路準直集成裝置的光路示意圖，圖5是本發(fā)明用于高功率激光裝置的光路準直集成裝置的詳細示意圖，由圖可見，本發(fā)明用于高功率激光裝置的光路準直集成裝置，該裝置包括取樣光柵202、照明光源204、導光單元208、分光鏡209、近場監(jiān)測單元213和遠場監(jiān)測單元214，上述元部件的位置關系如下在位于主激光光束102光路上的空間濾波器107的濾波小孔板201前插入一塊取樣光柵202，設置照明光源204，當照明光源204發(fā)出照明光束203與主激光光束102的入射角與所述的取樣光柵202滿足一定關系時，所述的照明光束203與主激光光束102經(jīng)所述的取樣光柵202產(chǎn)生的衍射光的方向相同；在所述的衍射光方向依次設置取樣物鏡503和導向反射鏡504構成所述的導光單元208，在該導向反射鏡504的反射光方向設置分光鏡209，該分光鏡209將入射的衍射光分為反射光束215和透射光束210，在所述的反射光束215方向設置遠場監(jiān)測單元214，該遠場監(jiān)測單元214由遠場成像目鏡507和遠場(XD506構成，在所述的透射光束210方向設置近場(XD505，構成近場監(jiān)測單元213 ；所述的遠場監(jiān)測單元214、分光鏡209和導光單元208組成的成像系統(tǒng)的物面位于所述的取樣光柵202上，利用所述的遠場(XD506對光柵面成像，用于監(jiān)測主激光焦斑406 相對于遠場基準405的偏差，實現(xiàn)遠場監(jiān)測；所述的近場監(jiān)測單元213、導光單元208、取樣光柵202以及空間濾波器107的輸入透鏡206組成的近場成像系統(tǒng)的物面位于主激光光路的近場像傳遞面205上。在所述的近場(XD505之前還設置有反射鏡211。本發(fā)明的特點是1、所述的透射光束210只包含主激光102的衍射光，經(jīng)全反鏡211反射后進入由近場(XD505組成的近場監(jiān)測單元213 ；2、所述的遠場監(jiān)測單元214、分光鏡209和導光單元208組成的成像系統(tǒng)的物面位于取樣光柵202上，利用遠場(XD506對光柵面成像，用于監(jiān)測主激光焦斑406相對于遠場基準405的偏差，實現(xiàn)遠場監(jiān)測；近場監(jiān)測單元213、反射鏡211、導光單元208、取樣光柵、 以及空間濾波器107的輸入透鏡206五者組成的近場成像系統(tǒng)的物面位于主激光光路的近場像傳遞面205上，利用遠場(XD505監(jiān)測主激光102在近場像傳遞面205上的橫向相對位置，用于監(jiān)測主激光近場光束的空間橫向偏移；3、所述的取樣光柵202通過選擇性地在該取樣光柵202的四角區(qū)域制作一套中心對稱的非刻蝕區(qū)301，302，303，304，見圖3，作為遠場基準標識301，302，303，304 ；利用衍射光成像時，由于非刻蝕區(qū)301，302，303，304沒有衍射作用，該區(qū)在圖像上表現(xiàn)為暗區(qū)401， 402，403，404，見圖4，刻蝕區(qū)存在衍射作用，該區(qū)表現(xiàn)為亮區(qū)407 ；對應四個暗區(qū)的對稱中心405作為遠場基準，該基準在光路中與濾波小孔201的中心重合；利用遠場監(jiān)測單元214 所獲取的光束遠場中心406與基準中心405的相對偏差值作為遠場調節(jié)的反饋調節(jié)量，來調整光束遠場中心406與遠場基準中心405重合；4、利用近場監(jiān)測單元213所獲取的光束近場中心與近場基準的相對偏差值作為近場調節(jié)的反饋量，來調整光束近場位置501與近場基準502重合，見圖5，主激光102在像傳遞面205處的近場位置由前級光路中的近場位置標識501確定，兩個小圓中心對稱中心即為光束近場中心，近場基準502也由兩個小圓標示給出，近場調整的目標就是使該兩對小圓的對稱中心重合。上述裝置的遠場取樣借用了空間濾波器輸入透鏡206的長焦特性， 將光束角度量放大為橫向位置量，有效地提高了遠場取樣系統(tǒng)的角分辨能力；近場取樣借用空間濾波器輸入透鏡206的大口徑、大F數(shù)特點，與后級取樣系統(tǒng)小口徑透鏡組合，構成近場成像系統(tǒng)，靈活地避免了原有近場取樣技術面對大口徑光路近場取樣的難題。該裝置能夠實現(xiàn)在空間濾波器濾波孔板附近同時對光束的近場位置信息和遠場指向信息的離軸取樣，便于集合、封裝，可做成光束準直的集成單元。利用所述的用于高功率激光裝置的光路準直集成裝置對高功率激光裝置的空間濾波器進行光路準直的方法，特征在于包括如下步驟①移入取樣光柵202，啟動發(fā)光二極管502產(chǎn)生照明光束203，注入主激光束102 ；②利用近場監(jiān)測單元213獲取近場圖像，利用計算機圖像處理技術計算光束近場位置501相對于近場基準502的偏差，調整近場反射鏡103使光束近場位置501相對于近場基準502的中心重合；③利用遠場監(jiān)測單元214獲取遠場圖像，利用計算機圖像處理技術計算光束焦斑位置406相對于遠場基準405的偏差，調整遠場反射鏡104使光束焦斑位置406的中心和遠場基準405的中心重合；④多次重復步驟②、③，直到近、遠場偏差值在誤差允許的范圍內(nèi)，調整結束；⑤關閉照明光源204，移出所述的取樣光柵202。光柵取樣中照明光衍射光與主激光衍射光的耦合的主要原理如下衍射角隨入射光波長的變化關系為d(sin θ iisin θ k) = Κλ(1)式中，d為光柵常數(shù)，θ i為入射角度，θ k為衍射角度，K為衍射級次，λ為入射光波長。可見當兩束不同波長的光入射時，可以通過調整各自的入射角使兩束光同一級衍射光的衍射方向重合。當照明光的中心波長小于主激光波長時，就可以通過調節(jié)照明光的入射角度，使照明光的一級衍射光與主激光的一級衍射光重合，同時照明系統(tǒng)又不處于主光路中，利用這級衍射光成像，這樣就可以在同一個成像系統(tǒng)中同時看到主激光焦斑與基準的圖像，通過圖像處理裝置就可以得出兩者的相對位置。
權利要求
1.一種用于高功率激光裝置的光路準直集成裝置，其特征是該裝置包括取樣光柵 (202)、照明光源(204)、導光單元(208)、分光鏡(209)、近場監(jiān)測單元(213)和遠場監(jiān)測單元014)，上述元部件的位置關系如下在位于主激光光束(10 光路上的空間濾波器(107)的濾波小孔板(201)前插入一塊取樣光柵002)，設置照明光源004)，該照明光源Q04)由發(fā)光二極管(50 和準直透鏡 (501)構成，當所述的照明光源(204)發(fā)出的照明光束(203)的入射角與主激光光束(102) 的入射角和所述的取樣光柵(20 滿足一定關系時，所述的照明光束(20 與主激光光束 (102)經(jīng)所述的取樣光柵(20 產(chǎn)生的衍射光的方向相同；在所述的衍射光方向依次設置取樣物鏡(50 和導向反射鏡(504)構成所述的導光單元008)，在該導向反射鏡(504)的反射光方向設置分光鏡009)，該分光鏡(209)將入射的衍射光分為反射光束(21 和透射光束O10)，在所述的反射光束(21 方向設置遠場監(jiān)測單元014)，該遠場監(jiān)測單元014)由遠場成像目鏡(507)和遠場CXD(506)構成，在所述的透射光束(210)方向設置近場CCD(505)，構成近場監(jiān)測單元013)；所述的遠場監(jiān)測單元(214)、分光鏡(209)和導光單元(208)組成的成像系統(tǒng)的物面位于所述的取樣光柵(202)上，利用所述的遠場CCD(506)對光柵面成像，用于監(jiān)測主激光焦斑(406)相對于遠場基準005)的偏差，實現(xiàn)遠場監(jiān)測；所述的近場監(jiān)測單元013)、導光單元008)、取樣光柵(20 以及空間濾波器(107)的輸入透鏡(206)組成的近場成像系統(tǒng)的物面位于主激光光束的近場像傳遞面(20 上。
2.根據(jù)權利要求1所述的用于高功率激光裝置的光路準直集成裝置，其特征是在所述的近場(XD(5(^)之前還設置有反射鏡011)。
3.根據(jù)權利要求1所述的用于高功率激光裝置的光路準直集成裝置，其特征是所述的取樣光柵O02)的四角區(qū)域具有中心對稱的四個非刻蝕的圓形區(qū)(301、302、303、304)。
4.利用所述的用于高功率激光裝置的光路準直集成裝置對空間濾波器進行光路準直的方法，特征在于該方法包括如下步驟①移入取樣光柵002)，啟動照明光源004)，發(fā)光二極管(50 發(fā)出的光經(jīng)準直透鏡 (501)后形成平行照明光束003)，注入主激光束(102)同時照明所述的取樣光柵O02)；②利用近場監(jiān)測單元獲取近場圖像，利用計算機圖像處理技術計算光束近場位置相對于近場基準的偏差，根據(jù)偏差量反饋調節(jié)近場反射鏡使光束近場位置相對于近場基準的中心重合；③利用遠場監(jiān)測單元獲取遠場圖像，利用計算機圖像處理技術計算光束焦斑位置相對于遠場基準的偏差，根據(jù)偏差量反饋調整遠場反射鏡使光束焦斑位置的中心和遠場基準的中心重合；④多次重復步驟②、③，直到近、遠場偏差值在誤差允許的范圍內(nèi)，調整結束；⑤關閉照明光源004)，移出所述的取樣光柵002)。
全文摘要
一種用于高功率激光裝置的光路準直集成裝置及準直方法，它是在空間濾波器小孔面附近放置一塊刻有基準的透射光柵；用發(fā)光二極管和照明準直透鏡產(chǎn)生的平行非相干照明光源，以特定角度照射透射光柵；把取樣光路置于透射光柵的一級衍射光方向構成光束信息監(jiān)測器，該光束信息監(jiān)測器同時獲取光束的近場和遠場信息，光束信息檢測器的輸出接到計算機上，通過圖像處理技術確定光束的近場和遠場相對于各自設定位置的偏差值，根據(jù)各自的偏差值選擇對應的近場和遠場調整器件，調節(jié)光路準直。本發(fā)明具有集成化、模塊化、結構簡單和精度高的特點，能滿足高功率激光裝置對于大口徑光束準直的監(jiān)測需求。
文檔編號G02B27/30GK102354055SQ20111035058
公開日2012年2月15日 申請日期2011年11月8日 優(yōu)先權日2011年11月8日
發(fā)明者劉代中, 彭增云, 戴亞平, 曹兆棟, 朱儉, 朱寶強, 楊學東, 馬偉新, 高妍琦 申請人:上海激光等離子體研究所