一种多路激光合成孔径发射系统

1.本发明涉及光学应用技术领域，具体为一种多路激光合成孔径发射系统。


背景技术：

2.光纤激光器因其高效率及低维护运营成本等优势逐渐受到激光系统集成商的青睐，已经或正在许多应用领域替代c02激光器和其他固体激光器，对激光器市场产生了革命性的改变，推动全球激光市场的不断发展。激光合束技术是能够实现半导体激光器高功率、高能量激光输出的关键技术。它是基于激光的相位、光场分布、偏振及光谱等光学特性，通过折射、反射及衍射等光学效应，将多束低功率单元光束合成高功率的激光输出，同时还保有较高的光束质量，使得半导体激光器输出光束能量与功率获得极大提升。
3.激光扩束结构形式有伽利略和开普勒结构形式,二者都是望远镜结构形式的缩影。根据应用条件和扩束要求,扩束系统可以采用折射式、反射式或者折反射结合的光学结构。相比较而言,折射结构设计简单、加工装调都相对容易,但是实用口径小,反射式多应用在大口径条件下；对于可以使用多个激光波段的扩束结构而言,色差是系统最麻烦的一个问题,透射式结构必须采用复消色差结构对色差进行校正,这样会造成镜面数量增多,质量大等特点,反射式由于没有色差问题可以很好地满足多波长使用条件；随着非球面加工水平的提高,反式结构形式逐渐得到重视和应用,而且其成本也在逐渐降低。而高性能的激光扩束系统一般都采用卡塞格林式望远镜。
4.目前国内外研究中使用的激光器主要有光纤激光器、半导体泵浦固态激光器、自由电子激光器、液态激光器等。光纤激光器具有转换效率高、结构紧凑、光束质量高、热管理方便等优势，成为近年来首选的激光光源。由于非线性效应和热效应等，单根光纤在输出功率上存在极限，且在高功率下较难保证光束质量；而且存在着成本高、结构复杂等问题；一旦单路光纤激光器出现故障时，系统无法工作；同时单台光纤激光器由于输出功率不足，易导致激光扩束系统存在发射距离短能量低的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于：提供一种多路激光合成孔径发射系统及其检测方法，以解决以上缺陷。
6.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种多路激光合成孔径发射系统，包括光纤激光器系统、偏正合束器系统、合束镜系统、以及卡塞格林扩束系统，所述光纤激光器系统由六个光纤激光器组成，所述偏正合束器系统由三台偏正合束器pbc组成，六个所述光纤激光器发射出的同种波长光，两两分别经偏正合束器pbc合成和偏振控制获得三束并行排列的高功率的相干偏振合成光束，再经合束镜系统形成三角形环形孔径激光束，最后经卡塞格林扩束系统反射而出。
8.优选地，六个所述光纤激光器分别为光纤激光器一、光纤激光器二、光纤激光器三、光纤激光器四、光纤激光器五、光纤激光器六，三台所述偏正合束器pbc分别为pbc一、
pbc二、pbc三，所述光纤激光器二发射出的同种波长光经全反镜一反射后，与光纤激光器一发射出的同种波长光，经pbc一合成和偏振控制获得高功率的相干偏振合成光束一；所述光纤激光器四发射出的同种波长光经全反镜二反射后，与光纤激光器三发射出的同种波长光，经pbc二合成和偏振控制获得高功率的相干偏振合成光束二；所述光纤激光器六发射出的同种波长光经全反镜三反射后，与光纤激光器五发射出的同种波长光，经pbc三合成和偏振控制获得高功率的相干偏振合成光束三；所述相干偏振合成光束一、相干偏振合成光束二、相干偏振合成光束三并行排列。
9.优选地，所述合束镜系统包括全反镜四、全反镜五、全反镜六、全反镜七、全反镜八、全反镜九，所述全反镜四与全反镜五、全反镜六与全反镜七、全反镜八与全反镜九两两相互平行；所述相干偏振合成光束一依次经全反镜四、全反镜五反射，所述相干偏振合成光束二依次经全反镜六、全反镜七反射，所述相干偏振合成光束三依次经全反镜八、全反镜九反射后，形成三角形环形孔径激光束。
10.优选地，所述卡塞格林扩束系统由反射抛物面的主镜和次镜组成，三角形环形孔径光束，倾斜射至全反镜十上，经全反镜十反射后，然后准直发射到卡塞格林扩束系统的次镜，再从次镜反射到主镜，最后经主镜反射而出至空中。
11.优选地，所述全反镜一、全反镜二、全反镜三、全反镜四、全反镜五、全反镜六、全反镜七、全反镜八、全反镜九、全反镜十、以及卡塞格林扩束系统的主镜和次镜，均镀有光学反射膜，且反射率大于99％。
12.优选地，所述主镜为凹二次非球面反射镜，所述次镜为凸二次非球面反射镜。
13.优选地，所述主镜、次镜的面形公式为：
[0014][0015]
其中，c为顶点曲率，k为二次曲线常数。
[0016]
优选地，所述主镜采用光学设计软件zemax进行仿真设计，所述主镜的参数为：顶点曲率半径r1＝3000mm；圆锥系数k＝-1；有效口径为φ950mm；材料为微晶玻璃；焦距为1500mm；镀膜为介质高反膜，反射率》99％@1083nm；面形质量为：rms≤λ/30，λ＝632.8nm。
[0017]
优选地，所述次镜采用光学设计软件zemax进行仿真设计，所述次镜的参数为：次镜顶点曲率半径r0＝108mm；圆锥系数k＝-1；有效口径为φ34.2mm；材料为微晶玻璃；焦距为54mm；镀膜为介质高反膜，反射率》99％@1083nm；面形质量为：rms≤λ/30，λ＝632.8nm。
[0018]
本发明的有益效果在于：
[0019]
本发明一种多路激光合成孔径发射系统，结构简单，布局紧凑，通过相干偏振合成技术，有效突破了单路光纤激光器输出的功率限制，可以获得更高功率、更高光束质量功率输出的有效途径。本发明中采用合束镜系统对三路激光进行合束，合束方法简单，易于实施，合束功率大质量较高；本发明避免使用与光纤激光器同等数量的激光扩束装置，而只用一套卡塞格林扩束系统就可达到要求，解决了系统成本高、结构复杂等问题。
附图说明
[0020]
图1：本发明多路激光合成孔径发射系统的光学系统图；
[0021]
图2：本发明的六路激光合成孔径光路图；
[0022]
图3：本发明的卡塞格林扩束系统的光学系统图。
具体实施方式
[0023]
结合附图1-3，对本发明的具体实施方式作如下说明：
[0024]
如图1、2、3所示，一种多路激光合成孔径发射系统，包括光纤激光器系统、偏正合束器系统、合束镜系统、以及卡塞格林扩束系统，光纤激光器系统由六个光纤激光器组成，偏正合束器系统由三台偏正合束器pbc组成，六个光纤激光器发射出的同种波长光，两两分别经三台偏正合束器pbc合成和偏振控制获得三束并行排列的高功率的相干偏振合成光束，再经合束镜系统形成三角形环形孔径激光束，最后经卡塞格林扩束系统反射而出。
[0025]
其中，六个光纤激光器分别为光纤激光器一11、光纤激光器二12、光纤激光器三13、光纤激光器四14、光纤激光器五15、光纤激光器六16，六个光纤激光器等距并行排列并发出同种波长光。三台偏正合束器pbc分别为pbc一21、pbc二22、pbc三23，能够对两路光束相位进行偏振控制。光纤激光器二12发射出的同种波长光经全反镜一31反射后，与光纤激光器一11发射出的同种波长光，经pbc一21合成和偏振控制获得高功率的相干偏振合成光束一；与此同时，光纤激光器四14发射出的同种波长光经全反镜二32反射后，与光纤激光器三13发射出的同种波长光，经pbc二22合成和偏振控制获得高功率的相干偏振合成光束二；光纤激光器六16发射出的同种波长光经全反镜三33反射后，与光纤激光器五15发射出的同种波长光，经pbc三23合成和偏振控制获得高功率的相干偏振合成光束三。而且相干偏振合成光束一、相干偏振合成光束二、相干偏振合成光束三并行排列。
[0026]
其中，合束镜系统包括全反镜四34、全反镜五35、全反镜六36、全反镜七37、全反镜八38、全反镜九39，全反镜四34与全反镜五35、全反镜六36与全反镜七37、全反镜八38与全反镜九39两两相互平行。相干偏振合成光束一依次经全反镜四34、全反镜五35反射后，相干偏振合成光束二依次经全反镜六36、全反镜七37反射后，相干偏振合成光束三依次经全反镜八38、全反镜九39反射后，三者形成三角形环形孔径激光束。
[0027]
卡塞格林扩束系统由反射抛物面的主镜41和次镜42组成，经合束镜系统形成的三角形环形孔径光束，倾斜射至全反镜十30上，经全反镜十30反射后，然后准直发射到卡塞格林扩束系统的次镜42，再从次镜42反射到主镜41，最后经主镜41反射而出至空中。
[0028]
其中，全反镜一31、全反镜二32、全反镜三33、全反镜四34、全反镜五35、全反镜六36、全反镜七37、全反镜八38、全反镜九39、全反镜十30、以及卡塞格林扩束系统的主镜41和次镜42，均镀有光学反射膜，且反射率大于99％。
[0029]
其中，主镜41为凹二次非球面反射镜，次镜42为凸二次非球面反射镜。而且主镜41、次镜42的面形公式为：
[0030][0031]
其中，c为顶点曲率，k为二次曲线常数。
[0032]
主镜41、次镜42均采用光学设计软件zemax进行仿真设计。其中，主镜41的参数为：顶点曲率半径r1＝3000mm；圆锥系数k＝-1；有效口径为φ950mm；材料为微晶玻璃；焦距为1500mm；镀膜为介质高反膜，反射率》99％@1083nm；面形质量为：rms≤λ/30，λ＝632.8nm。次镜42的参数为：次镜顶点曲率半径r0＝108mm；圆锥系数k＝-1；有效口径为φ34.2mm；材料
为微晶玻璃；焦距为54mm；镀膜为介质高反膜，反射率》99％@1083nm；面形质量为：rms≤λ/30，λ＝632.8nm。
[0033]
本发明一种多路激光合成孔径发射系统，解决了现有技术中系统成本高、结构复杂等问题；解决了现有技术中当单路光纤激光器出现故障时，系统无法工作的问题；解决系统同等数量光纤激光器使用多台扩束发射装置的技术成本问题；也解决系统单台光纤激光器由于输出功率不足，导致激光扩束系统发射距离短能量低的问题。
[0034]
本发明的多路激光合成孔径发射系统，先用偏正合束器系统将六路激光束合成三路，再用合束镜系统将三路合成光束进行合束，并将合束光束进行扩束的方法，可以有效提高发射激光的功率和能量，适用于激光相干合成、激光雷达扩束系统等领域。
[0035]
本发明一种多路激光合成孔径发射系统，结构简单，布局紧凑，通过相干偏振合成技术，有效突破了单路光纤激光器输出的功率限制，可以获得更高功率、更高光束质量功率输出的有效途径。本发明中采用合束镜系统对三路激光进行合束，合束方法简单，易于实施，合束功率大质量较高；本发明避免使用与光纤激光器同等数量的激光扩束装置，而只用一套卡塞格林扩束系统就可达到要求，解决了系统成本高、结构复杂等问题。
[0036]
上述结合附图对发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的这种非实质改进，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均在本发明的保护范围之内。