專利名稱：基于光束穩(wěn)定閉環(huán)控制的激光束共孔徑功率合成系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于多路不同波長(zhǎng)的激光束共孔徑高精度高效率合成系統(tǒng)，尤其是對(duì)于不同波長(zhǎng)的高能量激光的合成，屬于光學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
激光在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用對(duì)輸出功率、光束質(zhì)量和出光時(shí)間均有較高要求，如核工業(yè)、激光焊接、激光切割、材料科學(xué)以及國(guó)防領(lǐng)域等。就單臺(tái)激光束來(lái)說(shuō)，由于技術(shù)限制，要做到很大輸出功率十分困難，并且輸出功率越大往往光束質(zhì)量越差，因此，對(duì)多路激光進(jìn)行合成就顯得尤為重要。
光束合成分為相干合成和非相干合成，對(duì)多路同一波長(zhǎng)的激光可進(jìn)行相干或非相干合成；N路相同功率的光束經(jīng)過(guò)相干合成后的光束能量密度最大可為原來(lái)的N2倍，但由于要求合成光束具有頻率相同、振動(dòng)方向相同和相位差恒定的特點(diǎn)，因此實(shí)現(xiàn)難度很大。N路不同波長(zhǎng)的相同功率的光束進(jìn)行非相干合成即功率合成，其合成后的光束能量密度雖然最大只有原來(lái)的N倍，但由于無(wú)需對(duì)每路激光進(jìn)行相位控制，只需對(duì)每路激光進(jìn)行整體方向的調(diào)節(jié)和控制，故技術(shù)難度小，成本較低，易于實(shí)現(xiàn)。另外，當(dāng)被作用物質(zhì)表面對(duì)單波長(zhǎng)激光產(chǎn)生一定的反射或散射時(shí)，作用效果明顯降低，此時(shí)，多波長(zhǎng)激光合束后的共同作用即顯得尤為重要。人們用很多方式實(shí)現(xiàn)了光束的非相干合成，如用平板玻璃、缺角直角棱鏡、小角度全反射棱鏡、濾光片、棱鏡偏振分光鏡、平板偏振分光鏡、多面反射鏡、二兀位相光柵等等(參見(jiàn) B. Chann, etc. Near-diffract ion-limited diode laser arrays by wavelengthbeam combining. OPTICS LETTERS, 2005 (30) :2104_2106)，但這些合成方式多應(yīng)用于靜態(tài)的系統(tǒng)中，不能動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)或動(dòng)態(tài)消除誤差。光束非相干合成的方法和案例較多，國(guó)外最典型的應(yīng)用是利用二元光柵等元件對(duì)光纖激光器陣列或激光二極管陣列輸出的各種波長(zhǎng)的激光進(jìn)行光譜合成，以實(shí)現(xiàn)不同激光器不同波長(zhǎng)的激光同孔徑發(fā)射，增大激光器發(fā)射功率(參見(jiàn)c. Wi rthl, etc. 2kff incoherent beam combining of four narrow-1inewidth photonic crystalfiber amplifiers. OPTICS EXPRESS,2009(17) :1178-1183 Juliet T.Gopinath, etc.High-Brightness Wavelength-Beam-Combined Eyesafe Diode Laser Stacks. 2008 OSA ；Timothy H. Russell and Won B. Roh. Incoherent beam combining using stimulatedBrillouin scattering in multimode fi bers. OPTICS EXPRESS,2001 (8) :246-254);在國(guó)內(nèi)，西核所報(bào)道了采用冰洲石雙窗OE晶體進(jìn)行光束合成的方法，用于激光共振電離質(zhì)譜雙光子和多光子共振電離(參見(jiàn)李紅艷，任向軍，光束合成技術(shù)研究及其應(yīng)用.激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2002 (39) 22-25),該方法簡(jiǎn)單，容易調(diào)節(jié)和實(shí)現(xiàn)，但只能用于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，抗干擾 能力弱；上海大學(xué)報(bào)道了采用雙凹面反射鏡的方法將兩束非相干激光束合成，用于機(jī)械加工領(lǐng)域，取得了很好的效果，后應(yīng)用于激光切割機(jī)，光束合成效率高，效果顯著，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化(參見(jiàn)夏麗麗等.激光束合成方式的研究及其應(yīng)用.機(jī)械制造，2008 (46)))，但該方法光路調(diào)節(jié)困難，沒(méi)有檢驗(yàn)和消除偏差的手段。類似應(yīng)用案例還有很多，包括核工業(yè)、激光焊接、激光切割、材料科學(xué)以及國(guó)防等領(lǐng)域，其前景非常廣泛，但隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用場(chǎng)合的擴(kuò)大，對(duì)其應(yīng)用的動(dòng)態(tài)適應(yīng)性、實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制的能力、消除內(nèi)部誤差和抗擊環(huán)境干擾的能力、抗擊振動(dòng)沖擊的能力等等，都有了新的要求。因此，發(fā)明一種能夠克服上述各種傳統(tǒng)合成方法的缺點(diǎn)、具有高合成精度并能實(shí)時(shí)閉環(huán)控制消除合成誤差的共孔徑功率合成系統(tǒng)顯得尤為重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是克服傳統(tǒng)的非相干合成方法合成精度低、受環(huán)境影響大、只能在靜態(tài)條件下應(yīng)用的缺點(diǎn)，提供一種對(duì)多路不同波長(zhǎng)的激光束進(jìn)行高精度共孔徑 合成的系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，適用于靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)及動(dòng)態(tài)條件下的多路光束穩(wěn)定合成，同時(shí)還具有較高的傳輸效率。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是基于光束穩(wěn)定閉環(huán)控制的激光束共孔徑功率合成系統(tǒng)，包括入射激光束、光束傳輸稱合子系統(tǒng)、光束穩(wěn)定控制子系統(tǒng)三大部分。所述的光束傳輸稱合子系統(tǒng)執(zhí)行光束傳輸和稱合的功能，由傾斜鏡1-4和1-7、傳輸鏡1-1、1-2和1-3和合成鏡1-11組成。以兩路合成為例，其工作流程為兩路激光束1-5和1-6依次經(jīng)過(guò)各自的傾斜鏡1-4和1-7、傳輸鏡1-1、1-2和1_3傳輸?shù)胶铣社R1_11。第一激光束1-5的絕大部分能量作為主光束經(jīng)過(guò)合成鏡(1-11)反射出去，極小部分能量作為測(cè)量光束經(jīng)過(guò)合成鏡1-11透射進(jìn)入合成傳感器1-10 ;第二激光束1-6的絕大部分能量作為主光束經(jīng)過(guò)合成鏡1-11透射出去，極小部分能量作為測(cè)量光束經(jīng)過(guò)合成鏡1-11反射進(jìn)入合成傳感器1-10。兩路主光束可根據(jù)實(shí)際需要對(duì)接發(fā)射聚焦系統(tǒng)1-12作用于目標(biāo)1-13上。所述的光束穩(wěn)定控制子系統(tǒng)執(zhí)行光束指向信息探測(cè)、處理及控制功能，包括合成傳感器1-10、高速處理機(jī)1-9、高壓放大器1-8和傾斜鏡1-4和1-7，其中傾斜鏡兼有光束傳輸耦合和光束穩(wěn)定控制的功能。以兩路合成為例，其工作流程為第一激光束1-5和第二激光束1-6的測(cè)量光束進(jìn)入合成傳感器后，經(jīng)過(guò)縮束鏡組2-1變成口徑較小的平行光束，再經(jīng)過(guò)聚焦鏡組2-2后，在探測(cè)器2-3靶面聚焦成像，像點(diǎn)2-4即代表測(cè)量光束的光束指向，光束指向誤差可事先進(jìn)行標(biāo)定；探測(cè)器2-3實(shí)時(shí)探測(cè)兩路激光束1-5和1-6的光束指向誤差信息，并實(shí)時(shí)送至高速處理機(jī)1-9，高速處理機(jī)1-9同時(shí)計(jì)算兩路測(cè)量光束的位置誤差，轉(zhuǎn)換成為兩路測(cè)量光束的指向誤差信息，再經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換，成為模擬電壓，通過(guò)高壓放大器
1-8放大以后，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的傾斜鏡1-4和1-7進(jìn)行角度偏轉(zhuǎn)，使兩路測(cè)量光束在合成傳感器中的光束指向誤差均得以消除，從而使聚焦像點(diǎn)重合。根據(jù)幾何光學(xué)原理，測(cè)量光束聚焦成像像點(diǎn)2-4與主光束聚焦發(fā)射到目標(biāo)點(diǎn)1-13時(shí)的聚焦光斑互為共軛，故當(dāng)兩測(cè)量光束經(jīng)聚焦鏡組2-2成像的像點(diǎn)2-4重合時(shí)，主光束經(jīng)發(fā)射聚焦系統(tǒng)1-12作用于目標(biāo)點(diǎn)1-13的光斑也重合。為了便于對(duì)各路測(cè)量光束的光束指向誤差信息進(jìn)行探測(cè)和提取，通過(guò)在經(jīng)合成傳感器縮束以后的平行光束中置入色散元件2-6，可使原本重合的兩路測(cè)量光束聚焦像點(diǎn)
2-4分離成為兩個(gè)獨(dú)立的像點(diǎn)2-5，便于光束穩(wěn)定控制子系統(tǒng)單獨(dú)提取各路光束的指向信息；所述的色散元件包括分光鏡組、棱鏡和閃耀光柵三類，可單獨(dú)使用或組合使用。
所述的傾斜鏡1-4和1-7等表面所鍍光學(xué)薄膜兼顧各路入射光波長(zhǎng)，鍍高反射率光學(xué)薄膜，以兼做傳輸反射鏡和光束穩(wěn)定的校正器之用。所述高反射率指反射率達(dá)到98%以上。所述的合成鏡1-11前表面鍍制對(duì)第一激光束1-5高反射率同時(shí)對(duì)第二激光束1-6高透射率的光學(xué)薄膜，以實(shí)現(xiàn)對(duì)入射單路激光束的高效率傳輸；同時(shí)，第一激光束1-5經(jīng)該合成鏡透射的極少部分光，以及第二激光束1-6經(jīng)該合成鏡反射的極少部分光，作為測(cè)量光束，均進(jìn)入合成傳感器1-10，作為光束指向探測(cè)的信號(hào)。當(dāng)需要擴(kuò)展更多路數(shù)的激光束時(shí)，分光鏡、合成鏡的鍍膜要求會(huì)發(fā)生變化，總的原則是不論是分光鏡還是合成鏡，也不論是擴(kuò)展前還是擴(kuò)展后，前表面對(duì)反射方向入射的各路激光束均須具有高的反射率，同時(shí)對(duì)透射方向入射的各路激光束均須具有高的透射率，而后表面對(duì)透射方向入射的各路激光束均須具有高的透射率。這里，根據(jù)鍍膜工藝，前表面對(duì)反射方向入射激光束的反射率，和對(duì)透射方向入射激光束的透過(guò)率，均取決于入射激光波長(zhǎng)和路數(shù)，一般而言，對(duì)反射方向入射激光束的反射率可達(dá)98%以上，對(duì)透射方向入射激光束的透過(guò)率可達(dá)95%以上，如果反射和透射波長(zhǎng)差異大、數(shù)量少，其反射率和透過(guò)率還可以做到更高，如99%和97%以上。后表面對(duì)透射方向入射的各路激光束的透射率可達(dá)98 %以上。所述的合成傳感器1-10光學(xué)系統(tǒng)鍍膜兼顧各路入射光的透射，色散元件2-6的選材和鍍膜要求兼顧各路激光波長(zhǎng)，聚焦鏡組2-2設(shè)計(jì)時(shí)為各路不同波長(zhǎng)入射激光消除了色
差影響。所述的合成傳感器色散元件可以采用棱鏡、閃耀光柵或分光鏡組中的任意一種或多種組合；分光鏡組的色散是利用在分光鏡表面鍍膜，使不同波長(zhǎng)的入射光在經(jīng)過(guò)分光鏡表面時(shí)，有的透射有的反射，從而沿不同方向傳播，再利用反射鏡或分光鏡耦合回來(lái)，當(dāng)各路光束再次耦合到一起時(shí)，可通過(guò)調(diào)節(jié)分光鏡的角度，使不同波長(zhǎng)的光束沿著不同的方向傳輸;棱鏡的色散是利用不同波長(zhǎng)的入射光在棱鏡中的折射率不同，從而經(jīng)過(guò)棱鏡時(shí)所 產(chǎn)生的偏向角不同的原理；閃耀光柵的色散是利用不同波長(zhǎng)的入射光在經(jīng)過(guò)閃耀光柵發(fā)生衍射以后所產(chǎn)生的同一級(jí)衍射光譜的位置不同。其相比透射光柵的獨(dú)特之處在于避免了透射式光柵具有絕大部分光能量和很高對(duì)比度的零級(jí)光譜沒(méi)有色散功能的缺點(diǎn)，把零級(jí)光譜轉(zhuǎn)移至具有色散功能的其它級(jí)次上?？刹捎枚鄠€(gè)同類型或不同類型的色散元件進(jìn)行交叉組合，實(shí)現(xiàn)各路測(cè)量光束在合成傳感器焦面上的聚焦光斑沿二維方向排列。隨著色散元件及其組合方式的不同，其結(jié)構(gòu)會(huì)有變化。圖4是幾種典型的色散元件布局和組合方式，(A)是閃耀光柵作為色散兀件的布局，(B)是棱鏡作為色散兀件的布局，(C)是分光鏡組作為色散兀件的布局，(D)是分光鏡組和棱鏡組合的布局。本發(fā)明的原理是針對(duì)不同波長(zhǎng)的多路激光束，把傾斜鏡安置于各路激光單獨(dú)傳輸?shù)墓饴分校茸鳛榉瓷溏R，又作為光束指向誤差的校正器；當(dāng)各路激光經(jīng)過(guò)傳輸，并在合成鏡上進(jìn)行耦合以后，將實(shí)現(xiàn)共孔徑傳輸；同時(shí)，光束穩(wěn)定控制系統(tǒng)通過(guò)合成傳感器探測(cè)到的各路光束指向誤差，進(jìn)行計(jì)算、處理和控制運(yùn)算，轉(zhuǎn)換成模擬電壓，并通過(guò)高壓放大器放大，再加載于對(duì)應(yīng)的傾斜鏡，驅(qū)動(dòng)其發(fā)生相應(yīng)方向和角度量的偏轉(zhuǎn)，直到消除該路激光與基準(zhǔn)點(diǎn)的誤差，保持激光束的發(fā)射方向；上述動(dòng)作是在極其短暫的時(shí)間內(nèi)完成的，一個(gè)周期可短至幾十分之一秒，因此擁有較高的控制帶寬?？刂葡到y(tǒng)對(duì)每一路激光的光束指向誤差校正是同時(shí)進(jìn)行的，因此，當(dāng)控制系統(tǒng)完成所有光束的閉環(huán)控制后，即實(shí)現(xiàn)了多路光束沿同一個(gè)方向傳輸，實(shí)現(xiàn)光束合成。
合成傳感器中采用了色散元件對(duì)同軸的復(fù)合測(cè)量光束進(jìn)行分光，使各路測(cè)量光束沿不同方向傳播，進(jìn)而聚焦于焦平面上不同的位置，解決了合成傳感器中多路光束聚焦成像時(shí)由于像點(diǎn)無(wú)法分開(kāi)，從而導(dǎo)致控制系統(tǒng)無(wú)法判斷各路光束光斑準(zhǔn)確位置的問(wèn)題。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)(I)本發(fā)明可以對(duì)不同波長(zhǎng)的激光束進(jìn)行合束，不同波長(zhǎng)的激光束經(jīng)過(guò)傳輸，在合成鏡進(jìn)行耦合，并在光束穩(wěn)定控制系統(tǒng)閉環(huán)控制下以較高的精度合成以后，傳輸出去。(2)本發(fā)明通過(guò)采用光束穩(wěn)定控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各路光束的光束指向信息，并通過(guò)誤差計(jì)算、處理，控制傾斜鏡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，以實(shí)時(shí)校正各路光束的指向誤差，實(shí)現(xiàn)多路光束共軸發(fā)射。(3)本發(fā)明通過(guò)在合成傳感器中采用色散元件進(jìn)行分束，使完全重合在一起的各路測(cè)量光束聚焦光斑分離開(kāi)來(lái)，使得控制系統(tǒng)可以對(duì)各路測(cè)量光束的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑分別獨(dú)立進(jìn)行計(jì)算、提取、處理和控制，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)相應(yīng)光路的傾斜鏡進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，實(shí)時(shí)消除各路光束的重合誤差。(4)本發(fā)明可以在兩路光束合成的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，即通過(guò)增加入射激光光束、傳輸鏡、傾斜鏡，改變鏡面設(shè)計(jì)參數(shù)，使更多路數(shù)的激光束實(shí)現(xiàn)光束合成。(5)本發(fā)明可以在確保多路光束具有較高光束合成精度的同時(shí)，具有較高的傳輸效率。傳輸效率取決于光學(xué)鏡面尤其是合成鏡或分光鏡的鍍膜工藝，傳輸鏡和傾斜鏡鍍膜以后的反射率可達(dá)99%，但合成鏡或分光鏡需要同時(shí)兼顧反射光束的反射率和透射光束的透過(guò)率，因此，從工藝上來(lái)說(shuō)，同時(shí)兼顧時(shí)，對(duì)二者均有影響，鏡面對(duì)反射光束的反射率和對(duì)透射光束的透過(guò)率均會(huì)下降，并且，考慮的光束波長(zhǎng)越多，其影響就越大。兩路光束合成時(shí)傳輸效率在90%以上，四路光束合成時(shí)傳輸效率在80%以上，具體傳輸效率數(shù)值與具體入射波長(zhǎng)和鍍膜工藝有關(guān)。(6)本發(fā)明可以在多路激光束長(zhǎng)時(shí)間工作條件下進(jìn)行光束合成，且光束穩(wěn)定控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)消除長(zhǎng)期工作過(guò)程中激光器溫度升高導(dǎo)致的光束漂移，以及外界環(huán)境振動(dòng)帶來(lái)的光束抖動(dòng)，保持多路光束穩(wěn)定合成傳輸。(7)本發(fā)明利用了光束經(jīng)合成鏡反射和透射后的共軛原理，當(dāng)光束穩(wěn)定控制系統(tǒng)閉環(huán)從而消除合成傳感器中各路測(cè)量光束的光束指向誤差時(shí)，同時(shí)也就消除了各路發(fā)射光束的光束指向誤差，實(shí)現(xiàn)了各路發(fā)射光束的重合。(8)本發(fā)明可在兩路激光束合成基礎(chǔ)上，通過(guò)增加傳輸鏡、分光鏡和傾斜鏡，并聯(lián)更多路數(shù)不同波長(zhǎng)的激光束，以實(shí)現(xiàn)更多路數(shù)激光束的合成傳輸。(9)本發(fā)明可根據(jù)輸入的多路激光波長(zhǎng)，對(duì)合成鏡膜系進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多路激光束高效率的能量傳輸。(10)本發(fā)明采用同一個(gè)探測(cè)器對(duì)多路測(cè)量光束的不同聚焦光斑進(jìn)行成像，避免了不同探測(cè)器開(kāi)機(jī)加電過(guò)程中的熱漂移，保持了基準(zhǔn)的同一性。


圖I為本發(fā)明的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明中合成傳感器的光路示意圖；圖3為本發(fā)明中光路擴(kuò)展方法示意圖；圖4為閃耀光柵工作原理和同級(jí)衍射光譜圖；圖5為棱鏡工作原理和分光不意圖；圖6為分光鏡組工作原理和分光不意圖；圖7為幾種典型的色散元件布局或組合下的合成傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖I所不,本發(fā)明由入射激光束、光束傳輸f禹合子系統(tǒng)、光束穩(wěn)定控制子系統(tǒng)三大部分組成。其中，光束傳輸稱合子系統(tǒng)執(zhí)行光束傳輸和稱合的功能，由傾斜鏡1-4和1-7、傳輸鏡1-1、1-2、1-3和合成鏡1-11組成；光束穩(wěn)定控制子系統(tǒng)執(zhí)行光束指向信息探測(cè)、處理及閉環(huán)控制功能，包括合成傳感器1-10、高速處理機(jī)1-9、高壓放大器1-8和傾斜鏡1-4、1-7,這里，傾斜鏡兼有光束傳輸耦合和光束穩(wěn)定控制的功能；入射激光束路數(shù)和波長(zhǎng)是輸入條件，路數(shù)至少為兩路，波長(zhǎng)互不相同，可根據(jù)需要進(jìn)行入射路數(shù)的擴(kuò)展。當(dāng)入射激光束路數(shù)擴(kuò)展時(shí)，光束傳輸耦合子系統(tǒng)及光束穩(wěn)定控制子系統(tǒng)均須進(jìn)行擴(kuò)展。光束傳輸耦合子系統(tǒng)的工作流程為兩路激光束1-5和1-6依次經(jīng)過(guò)各自的傾斜鏡1-4和1-7、傳輸鏡1-1、1-2和1-3傳輸?shù)胶铣社R1_11。第一激光束1_5的絕大部分能量作為主光束經(jīng)過(guò)合成鏡1-11反射出去，極小部分能量作為測(cè)量光束經(jīng)過(guò)合成鏡1-11透射進(jìn)入合成傳感器1-10 ;第二激光束1-6的絕大部分能量作為主光束經(jīng)過(guò)合成鏡1-11透射出去，極小部分能量作為測(cè)量光束經(jīng)過(guò)合成鏡1-11反射進(jìn)入合成傳感器1-10。兩路主光束可根據(jù)實(shí)際需要對(duì)接發(fā)射聚焦系統(tǒng)1-12作用于目標(biāo)1-13上。光束穩(wěn)定控制子系統(tǒng)的工作流程為第一激光束1-5和第二激光束1-6的測(cè)量光 束進(jìn)入合成傳感器后，經(jīng)過(guò)縮束鏡組2-1變成口徑較小的平行光束，再經(jīng)過(guò)聚焦鏡組2-2后，在探測(cè)器2-3靶面聚焦成像，像點(diǎn)2-4即代表測(cè)量光束的光束指向，其誤差可事先進(jìn)行標(biāo)定；探測(cè)器2-3實(shí)時(shí)探測(cè)兩路激光的光束指向誤差信息，并實(shí)時(shí)送至高速處理機(jī)1-9，高速處理機(jī)1-9同時(shí)計(jì)算各路光束的位置誤差，轉(zhuǎn)換成為各路光束的指向誤差信息，再經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換，成為模擬電壓，通過(guò)高壓放大器1-8放大以后，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的傾斜鏡1-4和1-7進(jìn)行角度偏轉(zhuǎn)，使兩路測(cè)量光束在合成傳感器ι- ο中的光束指向誤差均得以消除，從而使聚焦像點(diǎn)重合。根據(jù)幾何光學(xué)原理，測(cè)量光束聚焦成像像點(diǎn)2-4與主光束聚焦發(fā)射到目標(biāo)點(diǎn)1-13時(shí)的聚焦光斑互為共軛，故當(dāng)兩測(cè)量光束經(jīng)聚焦鏡組2-2成像的像點(diǎn)2-4重合時(shí)，主光束經(jīng)發(fā)射聚焦系統(tǒng)1-12作用于目標(biāo)點(diǎn)1-13的光斑也重合。合成鏡1-11鍍膜條件為前表面(第一激光束1-5的入射面)對(duì)第一激光束1-5具有高反射率，所述高反射率指反射率達(dá)到99%以上；并對(duì)第二激光束1-6具有高透過(guò)率，所述高透過(guò)率指透過(guò)率達(dá)到97%以上；后表面對(duì)第二激光束1-6具有高透過(guò)率，所述高透過(guò)率指透過(guò)率達(dá)到98%以上。在合成傳感器1-10中采用同一個(gè)探測(cè)器進(jìn)行多路光束遠(yuǎn)場(chǎng)像點(diǎn)的探測(cè)，這里的探測(cè)器為二維陣列探測(cè)器，比如面陣(XD、CMOS相機(jī)等。在光束傳輸耦合子系統(tǒng)中，可在第一激光束1-5或第二激光束1-6的傳輸路徑上擴(kuò)展入射激光束路數(shù)。擴(kuò)展方法為把第一激光束1-5或第二激光束1-6傳輸光路上的任意一面?zhèn)鬏旂R1-1、1-2或1-3更換成稱合分光鏡。當(dāng)把傳輸鏡1-1更換成耦合分光鏡時(shí)，擴(kuò)展的光路如圖3 (A)所示，3-3是擴(kuò)展的激光束A，3-4是擴(kuò)展激光束A的傾斜鏡，3-2是擴(kuò)展激光束A的傳輸鏡，3-1是由1_1更換后的稱合分光鏡；當(dāng)把傳輸鏡1-2更換成稱合分光鏡時(shí)，擴(kuò)展的光路如圖3 (B)所不,3-5是擴(kuò)展的激光束B，3-6是擴(kuò)展激光束B的傾斜鏡，3-7是擴(kuò)展激光束B的傳輸鏡，3-8是由1-2更換后的耦合分光鏡；當(dāng)把傳輸鏡1-3更換成耦合分光鏡時(shí)，擴(kuò)展的光路如圖3 (C)所示，3-9是擴(kuò)展的激光束C，3-10是擴(kuò)展激光束C的 傾斜鏡，3-11是擴(kuò)展激光束C的傳輸鏡，3-12是由1-3更換后的稱合分光鏡。第一激光束或第二激光束仍然經(jīng)過(guò)稱合分光鏡3-1、
3-8或3-12的前表面進(jìn)行反射傳輸，而新擴(kuò)展的激光束分別經(jīng)過(guò)各自的傾斜鏡、傳輸鏡從耦合分光鏡3-1、3-8或3-12后表面透射，經(jīng)過(guò)前表面與第一激光束或第二激光束實(shí)現(xiàn)光束率禹合?？梢园涯骋宦返膫鬏旂R更改成稱合分光鏡后進(jìn)行擴(kuò)展，也可把所有傳輸鏡更改成率禹合分光鏡后進(jìn)行更多路數(shù)的擴(kuò)展，還可在新擴(kuò)展的光路中針對(duì)傳輸鏡繼續(xù)進(jìn)行擴(kuò)展。進(jìn)行合成路數(shù)的擴(kuò)展以后，耦合分光鏡3-1、3_8或3-12的鍍膜條件為前表面對(duì)反射光束具有高反射率，所述高反射率指反射率達(dá)到99%以上；同時(shí)對(duì)新擴(kuò)展的透射光束具有高透過(guò)率，所述高透過(guò)率指透過(guò)率達(dá)到97%以上；后表面對(duì)新擴(kuò)展的透射光束具有高透過(guò)率，所述高透過(guò)率指透過(guò)率達(dá)到98%以上。進(jìn)行合成路數(shù)的擴(kuò)展以后，合成鏡1-11的鍍膜條件也發(fā)生了改變合成鏡前表面對(duì)其反射方向入射的所有激光束均具有高反射率，同時(shí)對(duì)其透射方向入射的所有激光束均具有高透過(guò)率，后表面對(duì)其透射方向入射的所有激光束均具有高透過(guò)率。這里，根據(jù)鍍膜工藝，前表面對(duì)反射方向入射激光束的反射率，和對(duì)透射方向入射激光束的透過(guò)率，均取決于入射激光波長(zhǎng)和路數(shù)，一般而言，對(duì)反射方向入射激光束的反射率可達(dá)98%以上，對(duì)透射方向入射激光束的透過(guò)率可達(dá)95%以上，如果反射和透射波長(zhǎng)差異大、數(shù)量少，其反射率和透過(guò)率還可以做到更高，分別為99%以上和97%以上。后表面對(duì)透射方向入射的各路激光束的透射率可達(dá)98%以上。 本發(fā)明中，參與合成的各路激光束波長(zhǎng)互不相同，包括擴(kuò)展的激光束。為了便于進(jìn)行光束指向誤差信息的探測(cè)和提取，通過(guò)在經(jīng)合成傳感器縮束以后的平行光束中置入色散元件2-6，可使原本重合的兩路測(cè)量光束聚焦像點(diǎn)2-4分離成為兩個(gè)獨(dú)立的像點(diǎn)2-5，便于光束穩(wěn)定控制子系統(tǒng)單獨(dú)提取各路光束的光束指向信息；所述的色散元件包括分光鏡組、棱鏡和閃耀光柵三類，可單獨(dú)使用或組合使用。閃耀光柵的刻槽面與光柵面不平行(如圖4所示)，兩者之間有一夾角(稱為閃耀角)，從而使單個(gè)刻槽面(相當(dāng)于單縫)衍射的中央極大和各槽面間(縫間)干涉零級(jí)主極大分開(kāi)，將光能量從干涉零級(jí)主極大(即零級(jí)光譜，零級(jí)光譜不具有色散功能)轉(zhuǎn)移并集中到其它某一級(jí)具有色散功能的光譜上去，實(shí)現(xiàn)該級(jí)光譜的閃耀。當(dāng)單波長(zhǎng)光入射到閃耀光柵時(shí)，該光束的衍射中央主極大與干涉主極大重合時(shí)具有最佳的閃耀條件，此時(shí)滿足
權(quán)利要求
1.基于光束穩(wěn)定閉環(huán)控制的激光束共孔徑功率合成系統(tǒng)，其特征在于包括兩路激光束(1-5、1-6)、光束傳輸稱合子系統(tǒng)、光束穩(wěn)定控制子系統(tǒng)； 所述光束傳輸稱合子系統(tǒng)執(zhí)行光束傳輸和稱合的功能，包括兩個(gè)傾斜鏡(1-4和1-7)、三個(gè)傳輸鏡(1-1、1-2和1-3)和合成鏡(1-11)； 所述光束穩(wěn)定控制子系統(tǒng)執(zhí)行光束指向信息探測(cè)、處理及控制功能，包括合成傳感器(1-10)、高速處理機(jī)(1-9)、高壓放大器(1-8)和兩個(gè)傾斜鏡(1-4和1-7)，其中兩個(gè)傾斜鏡(1-4和1-7)兼有光束傳輸稱合和光束穩(wěn)定控制的功能,為光束傳輸稱合子系統(tǒng)、光束穩(wěn)定控制子系統(tǒng)共用；合成傳感器(1-10)包括縮束鏡組(2-1)、聚焦鏡組(2-2)和探測(cè)器(2-3); 所述光束傳輸耦合過(guò)程如下兩路激光束(1-5和1-6)分別經(jīng)過(guò)各自的傾斜鏡(1-4和 1-7)、傳輸鏡(1-1、1-2和1-3)傳輸?shù)胶铣社R(1-11 )，第一激光束(1-5)絕大部分能量作為主光束經(jīng)過(guò)合成鏡(1-11)反射出去，極小部分能量作為測(cè)量光束經(jīng)過(guò)合成鏡(1-11)透射進(jìn)入合成傳感器(1-10);第二激光束(1-6)絕大部分能量作為主光束經(jīng)過(guò)合成鏡(1-11)透 射出去，極小部分能量作為測(cè)量光束經(jīng)過(guò)合成鏡(1-11)反射進(jìn)入合成傳感器(1-10);兩路激光束的主光束根據(jù)實(shí)際需要對(duì)接發(fā)射聚焦系統(tǒng)(1-12)作用于目標(biāo)(1-13)上； 所述光束穩(wěn)定閉環(huán)控制過(guò)程如下兩路激光束(1-5和1-6)的測(cè)量光束進(jìn)入合成傳感器(1-10)，經(jīng)過(guò)縮束鏡組(2-1)縮束后變成平行光束，再經(jīng)過(guò)聚焦鏡組(2-2)后，在探測(cè)器(2-3)靶面聚焦成像，像點(diǎn)(2-4)即代表測(cè)量光束的光束指向，兩測(cè)量光束的光束指向誤差可事先進(jìn)行標(biāo)定；探測(cè)器(2-3)實(shí)時(shí)探測(cè)兩路激光束(1-5和1-6)的光束指向誤差信息，并實(shí)時(shí)送至高速處理機(jī)(1-9)，經(jīng)高速處理機(jī)(1-9)進(jìn)行控制運(yùn)算，將光束指向誤差信息轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)，然后送至高壓放大器(1-8)，以驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的傾斜鏡(1-4和1-7)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使兩路測(cè)量光束在合成傳感器中的光束指向誤差均得以消除，從而使聚焦像點(diǎn)重合；根據(jù)幾何光學(xué)原理，測(cè)量光束聚焦成像像點(diǎn)(2-4)與主光束聚焦發(fā)射到目標(biāo)點(diǎn)(1-13)時(shí)的聚焦光斑互為共軛，故當(dāng)兩測(cè)量光束經(jīng)聚焦鏡組(2-2)成像的像點(diǎn)(2-4)重合時(shí)，主光束經(jīng)發(fā)射聚焦系統(tǒng)(1-12)作用于目標(biāo)點(diǎn)(1-13)的光斑也重合。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于光束穩(wěn)定閉環(huán)控制的激光束共孔徑功率合成系統(tǒng)，其特征在于所述合成鏡(1-11)鍍膜條件為前表面，即第一激光束(1-5)的入射面，對(duì)第一激光束(1-5)具有高反射率，所述高反射率指反射率達(dá)到99%以上；并對(duì)第二激光束(1-6)具 有高透過(guò)率，所述高透過(guò)率指透過(guò)率達(dá)到97 %以上；后表面對(duì)第二激光束(1-6)具有高透過(guò)率，所述高透過(guò)率指透過(guò)率達(dá)到98%以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于光束穩(wěn)定閉環(huán)控制的激光束共孔徑功率合成系統(tǒng)，其特征在于通過(guò)在經(jīng)合成傳感器(1-10)縮束以后的平行光束中放入色散元件(2-6)，使原本重合的兩路測(cè)量光束聚焦像點(diǎn)(2-4)分離成為兩個(gè)獨(dú)立的像點(diǎn)(2-5)，便于光束穩(wěn)定控制子系統(tǒng)單獨(dú)提取各路光束的光束指向信息。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于光束穩(wěn)定閉環(huán)控制的激光束共孔徑功率合成系統(tǒng),其特征在于所述色散元件(2-6)包括分光鏡組、棱鏡和閃耀光柵三類，可單獨(dú)使用或組合使用。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于光束穩(wěn)定閉環(huán)控制的激光束共孔徑功率合成系統(tǒng)，其特征在于在所述合成傳感器(1-10)中采用同一個(gè)探測(cè)器(2-3)進(jìn)行多路光束遠(yuǎn)場(chǎng)像點(diǎn)的探測(cè)；所述探測(cè)器(2-3)為二維陣列探測(cè)器。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于光束穩(wěn)定閉環(huán)控制的激光束共孔徑功率合成系統(tǒng)，其特征在于所述兩路激光束(1-5和1-6)的波長(zhǎng)互不相同。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于光束穩(wěn)定閉環(huán)控制的激光束共孔徑功率合成系統(tǒng)，其特征在于根據(jù)需要對(duì)所述合成系統(tǒng)的合成路數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展；擴(kuò)展方法為把第一激光束(1-5)或第二激光束(1-6)傳輸光路上的任意一面?zhèn)鬏旂R(1-1、1-2或1-3)更換成稱合分光鏡(3-1、3-8或3-12)，第一激光束(1-5)或第二激光束(1-6)仍然經(jīng)過(guò)耦合分光鏡(3-1、3-8或3-12)的前表面進(jìn)行反射傳輸，而新擴(kuò)展的激光束分別經(jīng)過(guò)各自的傾斜鏡、傳輸鏡從耦合分光鏡(3-1、3-8或3-12)后表面透射，經(jīng)過(guò)前表面與第一激光束(1-5)或第二激光束(1-6)實(shí)現(xiàn)光束耦合；所述合成路數(shù)的擴(kuò)展，可以把某一路的傳輸鏡更改成耦合分光鏡后進(jìn)行擴(kuò)展，也可把所有傳輸鏡更改成耦合分光鏡后進(jìn)行更多路數(shù)的擴(kuò)展，還可在新擴(kuò)展的光路中針對(duì)傳輸鏡繼續(xù)進(jìn)行擴(kuò)展；進(jìn)行合成路數(shù)的擴(kuò)展以后，耦合分光鏡的鍍膜條件為前表面對(duì)反射光束具有高反射率，所述高反射率指反射率達(dá)到99%以上，同時(shí)對(duì)新擴(kuò)展的透射光束具有高透過(guò)率，所述高透過(guò)率指透過(guò)率達(dá)到97 %以上，后表面對(duì)新擴(kuò)展的透射光束具有高透過(guò)率，所述高透過(guò)率指透過(guò)率達(dá)到98%以上；進(jìn)行合成路數(shù)的擴(kuò)展以后，合成鏡的鍍膜條件也發(fā)生了改變合成鏡前表面對(duì)其反射方向入射的所有激光束均具有高反射率，同時(shí)對(duì)其透射方向入射的所有激光束均具有高透過(guò)率，后表面對(duì)其透射方向入射的所有激光束均具有高透過(guò)率，所述高透過(guò)率指透過(guò)率達(dá)到98%以上；進(jìn)行合成路數(shù)的擴(kuò)展以后，各路入射光束均有極小部分能量作為測(cè)量光束進(jìn)入合成傳感器，經(jīng)過(guò)色散元件(2-6 )以后，在探測(cè)器(2-3)聚焦成像的像點(diǎn)是相互分離的多個(gè)像點(diǎn)，這些像點(diǎn)作為各路光束的光束指向信息，可通過(guò)光束穩(wěn)定控制子系統(tǒng)分別提取光束指向誤差、處理計(jì)算、閉環(huán)控制和驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的傾斜鏡消除光束指向誤差。擴(kuò)展的各路激光束波長(zhǎng)與原有的激光束波長(zhǎng)均不相同。
全文摘要
基于光束穩(wěn)定閉環(huán)控制的激光束共孔徑功率合成系統(tǒng)，其要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)兩路不同波長(zhǎng)的激光束，采用光束穩(wěn)定閉環(huán)控制方法進(jìn)行光束高精度合成。兩路激光分別經(jīng)各自的傾斜鏡和傳輸鏡后，在合成鏡上實(shí)現(xiàn)光束耦合，同時(shí)合成傳感器通過(guò)色散元件分束成像的方式探測(cè)各路光束的指向誤差信息，并通過(guò)計(jì)算和處理，把光束指向誤差信息轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)電壓，驅(qū)動(dòng)傾斜鏡進(jìn)行角度偏轉(zhuǎn)，消除光束指向誤差，最終實(shí)現(xiàn)多路光束的高速、高精度合成，提高目標(biāo)點(diǎn)的功率密度；合成光束路數(shù)可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行擴(kuò)展。本發(fā)明可用于材料科學(xué)、核工業(yè)、加工、科研等諸領(lǐng)域，連續(xù)性好、穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)，適合長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作條件下多路激光束的高精度非相干合成。
文檔編號(hào)G02B27/10GK102662241SQ20121015211
公開(kāi)日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2012年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月16日
發(fā)明者任紹恒, 李新陽(yáng), 沈鋒, 甘永東, 繆洪波, 董道愛(ài), 鮮浩 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所