CN105486483B - 基于时空复用技术的多脉冲激光光束合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于时空复用技术的多脉冲激光光束合成方法，所述方法包括：以第一路激光脉冲传播方向为光轴，第二、第三…第N+1路激光脉冲依次通过第一、第二…第N个空间复用器从垂直于光轴方向耦合进光路；通过调节N个空间复用器的姿态使第二、第三…第N+1激光脉冲与第一路激光脉冲完全共光轴；第一、第二…第N空间复用器输出的光分别进入第一、第二…第N时间复用器，所述第一、第二…第N时间复用器分别产生一个脉冲信号，调整第二、第三…第N+1激光脉冲的偏振，使其与第一激光脉冲偏振一致；最后，第N时间复用器输出一束完全同光轴含有N+1个脉冲的激光。本发明实现了多脉冲无损耗光束合成，降低了多台激光空间合成的复杂程度，可靠性大大提高。

Description

基于时空复用技术的多脉冲激光光束合成方法

技术领域

本发明涉及多脉冲速度粒子成像技术，特别是涉及基于时空复用技术的多脉冲激光光束合成方法。

背景技术

在燃烧、喷射流动以及其他空气空力学及水力学的各种研究测量中，通常采用速度粒子成像技术(Particle Image Velocimetry,PIV)测量系统。PIV技术是在流动显示技术的基础上，利用图像处理技术发展起来的一种新的流动测量技术；通过跟踪示踪粒子来判断速度的大小和方向。PIV技术现代流体力学研究和重大工业流体力学试验的支撑性实验技术手段。尽管PIV测量技术已经成为实验流体力学研究的标准装置，然而该技术仍存若干重要技术局限，难以满足流体力学实验研究的若干重大需求，这些局限性主要包括：在面向重大工程性需求的应用研究中，受流体三维运动特性的制约，双曝光常规PIV系统的信噪比处理能力有极大的限制，这在一些典型的旋流、流向涡等流动结构测量中，局限性极大；传统的PIV测量技术使用双脉冲片光源激光器作为照明系统，适用于粒子浓度低的情况，得到的速度矢量场的空间分辨率也很低。当粒子浓度高时，粒子像会重叠在一起，无法得到独立的粒子像；采用双脉冲曝光，仅能获得某一瞬间的速度场分布，而不能获得一段连续的反应动力学的演变过程。上述问题迫切需要对传统PIV系统技术结构进行重大革新，多曝光PIV技术是解决上述问题的关键技术方向。

用多脉冲激光器取代PIV测量系统中的双脉冲激光器，在测量高浓度粒子时，采用传统多脉冲激光器多级正交偏振法逐级合成的方法，后续每个合成环节会造成50％能量损失。以8脉冲激光器为例，共有3个后续合成环节，能量利用率低，只有约20％。而且系统复杂，多脉冲共光轴调整困难。如图1所示。1#激光脉冲和2#激光脉冲的偏振态为水平方向，3#激光脉冲和4#激光脉冲的偏振态为垂直方向，经过偏振合成器检偏，通过精密调节偏振合成器合成后，1#、2#激光脉冲的偏振态为水平方向，3#、4#激光脉冲的偏振态为垂直方向，时间从先到后为1#、2#、3#、4#。采用相同的方法，可以合成5#、6#、7#、8#激光同轴。为了让8路激光同轴，仍然采用偏振合成的方法，我们称之为第二级偏振合成，与前一级偏振合成不同的是需要先用偏振调制器将水平和垂直偏振态同时旋转45°方向，经过偏振合成器检偏，1#、2#、3#、4#激光脉冲通过正交分解，50％的能量透过偏正合成器。5#、6#、7#、8#激光脉冲通过正交分解，垂直分离的激光被反射，反射后与1#、2#、3#、4#激光脉冲同光轴。合成后的1#、2#、3#、4#激光脉冲偏振态为水平，5#、6#、7#、8#激光脉冲偏振态为垂直。为了让合成后的八路激光脉冲的偏振态均为水平或垂直方向，需要用偏振调制器将水平和垂直偏振态同时旋转45°方向，最终用检偏器水平或垂直检偏输出，由于采用了正交分解的方法，各路光的透过率均为50％。经过第一次偏振合成、第二次偏振合成和最终的检偏输出，八路激光脉冲完全同轴，偏振态也完全一致，时间从先到后为1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#。第一次偏振合成的效率为100％，在第二次偏振合成，各路的能量再次损失50％,末级检偏的效率为50％。考虑到每级偏振合成器的透过率实际为95％，总体的合成效率约为20％(95％×50％×95％×50％×95％≈21.4％)。

发明内容

本发明的目的在于解决现有的多级正交偏振法逐级合成激光的方法存在的上述问题，提出了基于时空复用技术的多脉冲激光光束合成方法，利用该方法合成光具有能量利用率高、可靠性高的特点。

为了达到上述目的，本发明提供了基于时空复用技术的多脉冲激光光束合成方法，所述方法通过激光合成装置实现，所述激光合成装置包括依次沿着光轴交替排列的N个空间复用器和N个时间复用器；所述方法包括：以第一路激光脉冲的传播方向作为光轴，第二路、第三路…第N+1路激光脉冲依次通过第一个、第二个…第N个空间复用器从垂直于光轴的方向耦合进光路；通过调节N个空间复用器的姿态使第二路、第三路…第N+1路激光脉冲与第一激光脉冲完全共光轴；第一个、第二个…第N个空间复用器输出的光分别进入第一个、第二个…第N个时间复用器，所述第一个、第二个…第N个时间复用器分别产生一个脉冲信号，调整第二路、第三路…第N+1路激光脉冲的偏振，使其与第一路激光脉冲的偏振一致；最后，第N个时间复用器输出一束完全同轴的含有N+1个脉冲的激光；其中，所述参数N≥3。

上述技术方案中，所述方法具体包括：

步骤1)第一路激光脉冲沿光轴方向进入第一个空间复用器；第二路激光脉冲沿垂直于光轴的方向进入第一个空间复用器；通过调节第一个空间复用器的姿态使第二路激光脉冲与第一路激光脉冲完全共光轴；之后第一路激光脉冲与第二路激光脉冲沿着光轴方向分别进入第一个时间复用器，所述第一个时间复用器产生一个脉冲信号，用于调整第二路激光脉冲的偏振,使其与第一路激光脉冲的偏振一致；

步骤2)第一路激光脉冲与第二路激光脉冲沿着光轴方向进入第二个空间复用器；第三路激光脉冲沿垂直于光轴的方向进入第二个空间复用器；通过调节第二个空间复用器的姿态使第三路激光脉冲与第一路激光脉冲完全共光轴；第一路激光脉冲、第二路激光脉冲和第三路激光脉冲沿着光轴方向分别进入第二个时间复用器，所述第二个时间复用器产生一个脉冲信号，用于调整第三路激光脉冲的偏振,使其与第一路激光脉冲的偏振一致；

步骤3)依次类推；第一路激光脉冲、第二路激光脉冲、…和第N路激光脉冲沿着光轴方向进入第N个空间复用器；第N+1路激光脉冲沿垂直于光轴的方向进入第N个空间复用器；通过调节第N个空间复用器的姿态使第N+1路激光脉冲与第一路激光脉冲完全共光轴；第一路激光脉冲、第二路激光脉冲、…和第N+1路激光脉冲沿着光轴方向分别进入第N个时间复用器，所述第N个时间复用器产生一个脉冲信号，用于调整第N+1路激光脉冲的偏振,使其与第一路激光脉冲的偏振一致；

步骤4)所述第N个时间复用器输出一束完全同轴的激光束，所述激光束中含有N+1个脉冲。

本发明的优点在于：

1、使用本发明的方法合成的激光测量高浓度粒子分布时，可以提高其测量精度；

2、本发明的方法采用特殊空间时间复用技术，突破了传统偏振合成过程中能量损失一半的限制，实现了多脉冲高效光束合成，大大降低了多路激光空间合成的复杂程度，可靠性大大提高；

3、本发明的方法采用了高精度的多路脉冲时间复用技术，使得脉冲间隔精度达到0.5ns，为提高测量精度提供了保障；

4、本发明的方法采用N+1空间时间复用技术，不仅能够方便实现8脉冲无损耗光束合成，还能无限制扩展到16脉冲和32脉冲，为更高马赫数流场测量提供了可能性；

5、通过本发明的方法合成的激光光束同轴度高，达到μrad量级；各个输入激光信号的能量独立可调；通过本发明的方法合成的激光光束整体的时间间隔可调；

6、本发明的方法可以保证每一路激光脉冲的耦合效率大于95％，能够实现无损耗的空间合成；

7、本发明的方法以第一路激光脉冲的空间指向作为光轴基准，其它的激光脉冲均可以方便的耦合进主光路，能够大大减少实验前的准备工作时间，有效提高测试效率。

附图说明

图1为现有的多级正交偏振法逐级合成方法的示意图；

图2为本发明的基于时空复用技术的多脉冲激光光束合成方法的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的描述。

如图2所示，基于时空复用技术的多脉冲激光光束合成方法，所述方法包括：

步骤1)第一路激光脉冲沿光轴方向进入第一个空间复用器；第二路激光脉冲沿垂直于光轴的方向进入第一个空间复用器；通过调节第一个空间复用器的姿态使第二路激光脉冲与第一路激光脉冲完全共光轴；之后第一路激光脉冲与第二路激光脉冲沿着光轴方向分别进入第一时间复用器，所述第一个时间复用器产生一个脉冲信号，用于调整第二路激光脉冲的偏振,使其与第一路激光脉冲的偏振一致；

以第一路激光脉冲的上升沿作为系统的时间基准，当第一路激光脉冲通过第一个时间复用器后Δt后，第二路激光脉冲被第一个时间复用器耦合进时间轴，沿主光路传输。

步骤2)第一路激光脉冲与第二路激光脉冲沿着光轴方向进入第二个空间复用器；第三路激光脉冲沿垂直于光轴的方向进入第二个空间复用器；通过调节第二个空间复用器的姿态使第三路激光脉冲与第一路激光脉冲完全共光轴；第一路激光脉冲、第二路激光脉冲和第三路激光脉冲沿着光轴方向分别进入第二个时间复用器，所述第二时间复用器产生一个脉冲信号，用于调整第三路激光脉冲的偏振,使其与第一路激光脉冲的偏振一致；

步骤3)依次类推；第一路激光脉冲、第二路激光脉冲、…和第N路激光脉冲沿着光轴方向进入第N个空间复用器；第N+1路激光脉冲沿垂直于光轴的方向进入第N个空间复用器；通过调节第N个空间复用器的姿态使第N+1路激光脉冲与第一路激光脉冲完全共光轴；第一路激光脉冲、第二路激光脉冲、…和第N+1路激光脉冲沿着光轴方向分别进入第N个时间复用器，所述第N个时间复用器产生一个脉冲信号，用于调整第N+1路激光脉冲的偏振,使其与第一路激光脉冲的偏振一致；

所述参数N≥3；

步骤4)所述第N个时间复用器输出一束完全同轴的激光束，所述激光束中含有N+1个脉冲。

所述方法中输入的N+1路激光脉冲为任意波长的激光脉冲。

优选的，所述第一个空间复用器、第二个空间复用器…第N个空间复用器为偏振分光棱镜；所述第一个时间复用器、第二个时间复用器…第N个时间复用器为调制器。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.基于时空复用技术的多脉冲激光光束合成方法，所述方法通过激光合成装置实现，所述激光合成装置包括依次沿着光轴交替排列的N个空间复用器和N个时间复用器；所述方法包括：以第一路激光脉冲的传播方向作为光轴，第二路、第三路…第N+1路激光脉冲依次通过第一个、第二个…第N个空间复用器从垂直于光轴的方向耦合进光路；通过调节N个空间复用器的姿态使第二路、第三路…第N+1路激光脉冲与第一路激光脉冲完全共光轴；第一个、第二个…第N个空间复用器输出的光分别进入第一个、第二个…第N个时间复用器，所述第一个、第二个…第N个时间复用器分别产生一个脉冲信号，调整第二路、第三路…第N+1路激光脉冲的偏振，使所述第二路、第三路…第N+1路激光脉冲的偏振与第一路激光脉冲的偏振一致；最后，第N个时间复用器输出一束完全同轴的含有N+1个脉冲的激光；其中，参数N≥3。

2.根据权利要求1所述的基于时空复用技术的多脉冲激光光束合成方法，其特征在于，所述方法具体包括：

步骤1)第一路激光脉冲沿光轴方向进入第一个空间复用器；第二路激光脉冲沿垂直于光轴的方向进入第一个空间复用器；通过调节第一个空间复用器的姿态使第二路激光脉冲与第一路激光脉冲完全共光轴；之后第一路激光脉冲与第二路激光脉冲沿着光轴方向分别进入第一个时间复用器，所述第一个时间复用器产生一个脉冲信号，用于调整第二路激光脉冲的偏振,使其与第一路激光脉冲的偏振一致；

步骤2)第一路激光脉冲与第二路激光脉冲沿着光轴方向进入第二个空间复用器；第三路激光脉冲沿垂直于光轴的方向进入第二个空间复用器；通过调节第二个空间复用器的姿态使第三路激光脉冲与第一路激光脉冲完全共光轴；第一路激光脉冲、第二路激光脉冲和第三路激光脉冲沿着光轴方向分别进入第二个时间复用器，所述第二个时间复用器产生一个脉冲信号，用于调整第三路激光脉冲的偏振,使其与第一路激光脉冲的偏振一致；

步骤3)依次类推；第一路激光脉冲、第二路激光脉冲、…和第N路激光脉冲沿着光轴方向进入第N个空间复用器；第N+1路激光脉冲沿垂直于光轴的方向进入第N个空间复用器；通过调节第N个空间复用器的姿态使第N+1路激光脉冲与第一路激光脉冲完全共光轴；第一路激光脉冲、第二路激光脉冲、…和第N+1路激光脉冲沿着光轴方向分别进入第N个时间复用器，所述第N个时间复用器产生一个脉冲信号，用于调整第N+1路激光脉冲的偏振,使其与第一路激光脉冲的偏振一致；

步骤4)所述第N个时间复用器输出一束完全同轴的激光束，所述激光束中含有N+1个脉冲。