CN115981017A - 一种多路激光分色合束模块及其调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多路激光分色合束模块及其调节方法，其包括合束本体(1)，所述合束本体(1)为光学单体，所述合束本体(1)一侧的平面为入射面(2)，与所述入射面(2)平行的对侧平面分为位于一端的出射面(4)和所述出射面(4)之外的反射面(3)；所述入射面(2)分为N个镀膜区，N个镀膜区表面对应设有具有不同高反系数的分色介质膜，所述反射面(3)的表面上设有宽带高反介质膜；所述出射面(4)的表面上设有宽带增透膜。本发明提供的多路激光分色合束模块为一体式，根据其调节方法，可实现多路不同波长激光高质量的合成，具有光轴稳定性好、光路布局紧凑的突出优点，可用于多路不同波长激光高稳定度、高精度合成。

Description

一种多路激光分色合束模块及其调节方法

技术领域

本发明涉及激光合成技术领域，尤其涉及一种多路激光分色合束模块及其调节方法。

背景技术

激光合成技术对于提升激光输出功率、拓展激光工作波长范围具有重要的作用。目前激光合成技术主要包括相干合成和非相干合成两种技术路线。其中相干合成对参与合成的各路激光相干性要求非常高，且需要复杂的闭环控制，技术复杂。因此目前激光技术领域已应用的激光合成技术多采用分色合成。即通过分色镜片膜系设计和制备，使得一种波长激光经分色片高反，另一波长激光经分色片高透，两束激光合成为一束激光，然后再次利用相同技术原理，经过又一片分色镜与第三束激光合成，依次类推，通过多片分色镜可以使多种波长激光合成为一束激光输出，从而使得输出激光的功率扩展，波段拓宽。

然而在实际工程中，由于各个镜片为独立设计，受环境温度变化、振动影响，各个镜片发生不同方向的失调导致不同波长激光输出光轴发生相对变化，影响输出光束质量；同时在高功率工作条件下，由于每片镜面承受的功率不一致，导致各个镜面的产生不同的动态角度偏差，也会使得参与合成的不同波长激光光轴发生动态变化，导致合成后的激光在远场(作用对象表面)发生明显的光斑扩展，降低输出光束质量，影响使用效果。

发明内容

为了克服以上技术问题，本发明目的是提供一种多路激光分色合束模块及其调节方法，该合束模块具有高度光轴稳定性、高输出光束质量，将多路分色激光合成为一束高质量光束，适用于大功率激光合成技术领域。

本发明提供了如下的技术方案：

一种多路激光分色合束模块，其包括合束本体(1)，所述合束本体(1)为光学单体；所述合束本体(1)一侧的平面为入射面(2)，与所述入射面(2)平行的对侧平面分为位于一端的出射面(4)和所述出射面(4)之外的反射面(3)；

所述入射面(2)分为N个镀膜区，N路激光束分别自对应的N个镀膜区，入射进入所述合束本体(1)，其中第i路准直激光与入射面(2)的入射角为α_i，其中N为大于等于1的自然数，i为大于等于1且小于等于N的自然数；Δλi为第i路激光光谱宽度，λ_i为第i路激光的中心波长；第i路激光对应的第i镀膜区表面对应设有分色介质膜，第i镀膜区的所述分色介质膜对波长范围大于等于λ_i-Δλ_i/2且小于等于λ_i+Δλ_i/2的入射激光高透，且对波长小于λ_i-Δλ_i/2的激光高反；

所述反射面(3)的表面上设有宽带高反介质膜；

所述出射面(4)的表面上设有宽带增透膜。

上述实施方式中，该合束模块整体为一光学单体结构，第i路激光与入射面(2)的入射角为α_i，第i路准直激光对应的第i镀膜区对应镀制不同高反系数的分色介质膜，设置不同的高反系数的分色介质膜，以对不同波长的激光进行高透或高反。宽带高反介质膜用于对射向反射面的激光进行高反，激光从出射面射出。

进一步，所述合束本体(1)为光学单体，所述光学单体对参与合成的各个波长激光的体吸收系数小于0.02/cm。

进一步，所述第i路激光入射进所述合束本体(1)后，其与所述入射面(2)的折射角为β_i，第i路激光的光斑直径为d_i，

所述合束本体(1)的宽度W满足：W>max{d_i/(cosα_itanβ_i)}；

所述合束本体(1)的长度L满足：L>N×max{d_i/cosα_i}；

所述合束本体(1)的高度H满足：H>max{d_i}。

进一步，N个所述镀膜区为所述入射面(2)的沿长度L均分的N个等分区域。

进一步，所述出射面(4)的长度为L₁，L₁>max{d_i}。

进一步，所述第i镀膜区镀制的激光介质膜对入射激光λ_i透过率大于97％，对波长小于λ_i-Δλ_i/2的激光反射率大于99％。

进一步，所述宽带高反介质膜的反射率大于98％。

进一步，所述出射面(4)的表面的宽带增透膜对波长为λi激光透过率均大于99％。

进一步，所述合束本体为长方体。

本发明还提供了多路激光分色合束模块的调节方法，其对第i路激光入射角α_i调节的步骤包括：

S1：在所述出射面(4)外对应设置长焦透镜(7)，所述长焦透镜(7)的光轴与出射激光光轴共线；

S2：在长焦透镜(7)的焦平面处放置光电探测器件(8)；

S3：通过观察长焦透镜(7)的焦平面上的光斑中心来调整第i路激光入射角α_i，使各路出射激光光斑中心均处于光电探测器件(8)同一成像像素位置；

S4：固定第i路入射激光束的角度。

在上述实施方式中，光电探测器件选自四象限传感器、CCD或CMOS成像器件中的一种。

相比于现有技术，本发明具备以下有益效果：

多路激光分色合束模块为一体式，结构简洁，实现多路不同波长激光高质量的合成，具有光轴稳定性好、光路布局紧凑的突出优点，可用于多路不同波长激光高稳定度、高精度合成，具有良好的输出光束质量，显著提升系统使用的长期稳定性。

附图说明

图1为本发明提供的多路激光分色合束模块的原理图。

图2为本发明提供的多路激光分色合束模块一实施例示意图。

图3为本发明提供的多路激光分色合束模块的调节方法的示意图。

图4为本发明提供的实施例1的多视角示意图。

附图中标号为：

1、合束本体；2、入射面；3、反射面；4、出射面；5、二维调节光学镜架；6、激光准直器；7、长焦透镜；8、光电探测器件。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明进行详细描述，但需要理解的是，所述实施例和附图仅用于对本发明进行示例性的描述，而并不能对本发明的保护范围构成任何限制。所有包含在本发明的发明宗旨范围内的合理的变换和组合均落入本发明的保护范围。

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

如图1所示本发明的基本原理，多路波长不同的准直激光分别自对应的镀膜区以对应的入射角进入合束模块内，经合束模块的反射面3和入射面2之间选择性的高透或反射，第N路激光与前N-1路在入射面2合束后，传输至出射面4实现合束激光输出合束模块。

如图2所示，该多路激光分色合束模块的合束本体1为长方体的光学单体，其左侧平面为入射面2，与左侧平面平行的右侧平面的上方为反射面3，下方设有出射面4；入射面2上从上至下均分成5个镀膜区，图中激光束的数量和镀膜区均为5个。5路激光束从上至下排列，分别从对应的镀膜区，入射进入合束本体1内部，其中第i路激光的中心波长为λ_i，第i路激光与入射面2的入射角设为α_i，Δλ_i为第i路激光光谱宽度，其中i为1～5之间的自然数；第i路激光对应的第i镀膜区上，镀制分色介质膜，分色介质膜对入射激光波长范围大于等于λ_i-Δλ_i/2且小于等于λ_i+Δλ_i/2的入射激光高透，且对波长小于λ_i-Δλ_i/2的激光高反；反射面3表面上镀制宽带高反介质膜，宽带高反介质膜对激光高反；出射面4上镀制对波长为λ_i透过率大于99％的宽带增透膜。合束本体1经光学加工和激光的入射面2、反射面3和出射面4分区域镀膜，可选择的对不同波长的激光进行高透或者反射，达到对多路激光的分色合束的目的。

基于以上所述构造，N路波长不同的准直激光分别自对应的第i个所述镀膜区以对应的入射角α_i进入所述合束本体1内，经反射面3和入射面2之间反射，第N路激光与前N-1路在入射面2合束后，传输至出射面4实现合束激光输出合束本体1。其中，N为大于等于1的自然数，i为大于等于1且小于等于N的自然数。

更具体的，第i路激光的中心波长为λ_i，90％以上的能量落在波长大于等于λ_i-Δλ_i/2且小于等于λ_i+Δλ_i/2的范围，Δλ_i为第i路激光的光谱宽度；第i路激光的光斑直径为d_i。

光学单体是由单体光学材料加工制成，单体光学材料对于波长为λ_i的激光体吸收系数小于0.02/cm，以保证合束本体1不产生过大的热膨胀。

第i路激光入射进合束本体1后，其与入射面2的折射角为β_i；第i路激光的光斑直径为d_i；

所述第i路激光在入射面2处的入射角为α_i，入射至单体合束模块后，其折射角为β_i，可得：

sinβ_i＝sinα_i/n_i

其中n_i为单体光学材料对第i路中心波长为λ_i激光的折射率。

其中，合束本体1宽度W满足：W>max{d_i/(cosα_itanβ_i)}；

合束本体1的长度L满足：L>N×max{d_i/cosα_i}；

合束本体1的高度H满足：H>max{d_i}。

图2中，合束本体1沿Y轴方向为宽度W，沿Z轴方向为长度，沿X轴为高度H。

激光介质膜可分N次镀制，每次在镀膜机中遮挡住入射面2的其余区域，使得第i个区域镀制的激光介质膜对入射激光λ_i透过率大于97％，对波长小于λ_i-Δλ_i/2的激光反射率大于99％。

反射面3镀制高反介质膜，实现对合束激光所有波长的高反射性，高反介质膜的反射率大于98％。

出射面4与反射面3位于同一平面上。第N路激光与前N-1路在入射面2合束后，传输至出射面4实现合束激光输出。出射面4长为L₁，其中L₁>max{di}。这一区域镀制对λ_i(i＝1～N)透过率大于99％的膜系实现合束激光输出。

同一入射角的不同波长激光通过合束本体1后，由于光学材料对不同波长激光折射率的微弱差异，主要是色散效应和加工光学单体的合束本体1时的加工楔角误差，该误差使得入射面2与反射面3存在夹角γ，不同波长激光最终在输出面的出射角度有微弱差异。因此在实际工程制造中，可通过精密微调第i路激光的入射角度α_i，使得在合束模块出射面4不同波长激光的光轴保持一致。

本发明还提供了多路激光分色合束模块的调节方法，如图3所示，第i路准直激光入射角精密调节方法包括如下步骤：

S1：在所述出射面4外对应设置长焦透镜，所述长焦透镜7的光轴与第1路出射激光光轴共线；

S2：在长焦透镜7的焦平面处放置光电探测器件8；

S3：通过观察长焦透镜7的焦平面上的光斑中心来精密调整第i路激光入射角α_i，使得各路出射激光光斑中心均处于光电探测器件8同一成像像素位置；

S4:入射角度精密调整后，固定第i路入射激光束的角度。

光电探测器件8选自现有的四象限传感器、CCD或CMOS成像器件；长焦透镜7的焦距选择焦距大于1m的消像差透镜；固定入射激光束的角度的方式可选自胶粘或机械锁紧方式。反复以上调节方法，直到对所有路激光的入射角度精密调节完成，调节完成后将长焦透镜7和光电探测器件8撤走。

精密调节入射激光角度的方法为业内熟知方法，例如可使用现有的二维调节光学镜架5来实现入射激光束入射角度的调整。

实施例1：

如图4中的a图为前视图，b图为左视图，c图为上视图，d图为正等轴测图。参与合成的激光波长分别为1056nm，1062nm，1068nm，1074nm，1080nm的5路光纤激光，每路激光谱宽2nm。每路光纤激光经由尾纤连接到工业用端帽及激光准直器6，经激光准直器6出射的光束直径均为d_i＝10mm；准直扩束器由二维调节光学镜架5夹持，安装于同一基板上。该二维调节光学镜架5沿X轴按照从长波段到短波段顺序依次排列，分别为1080nm、1074nm、1068nm、1062nm、1056nm激光。通过机械安装和二维调节光学镜架5初步调节，使得五路出射光束光轴均与基板Z向平行，并且各路激光出射光轴与XOZ面的高度为25mm，光轴间距50mm。

合束本体1的材料选用康宁7980石英材料，其对1μm～1.1μm激光的体吸收系数非常小；其尺寸为：宽度W＝80mm、高度H＝50mm、长度L＝250mm。

该合束模块上的入射面2、反射面3和输出面出射面4加工成平面，面型精度的PV值优于0.1λ，其中λ为参与合成的最短波长，即λ＝1056nm，两个平面的夹角小于3角秒。

在合束模块的入射面2，沿长度L方向分为五个等分区域，按照波长从短波到长波的顺序依次镀膜，每个镀膜区大小为50mm×50mm。对每一区域镀膜时需对其他区域进行保护，避免镀膜时影响其他区域的透过率/反射率。

区域1镀制膜系要求为：1055nm～1057nm透过率大于99％；

区域2镀制膜系要求为：1061nm～1063nm透过率大于99％；1055nm～1057nm反射率大于99％；

区域3镀制膜系要求为：1067nm～1069nm透过率大于99％；1055nm～1063nm反射率大于99％；

区域4镀制膜系要求为：1073nm～1075nm透过率大于99％；1055nm～1069nm反射率大于99％；

区域5镀制膜系要求为：1079nm～1081nm透过率大于99％；1055nm～1075nm反射率大于99％；

反射面3镀膜要求为：1055nm～1081nm反射率大于99％；

出射面4镀膜要求为：1055nm～1081nm透过率大于99％；

基板的XOZ面上加工出一个下凹1mm的合束模块安装区域，尺寸为250mm(L)×80mm(W)，其长边L与Z轴角度为80°。将合束模块安装于此下凹安装区域，使得入射面2朝向来光方向，并且不同波长激光入射到相应的高透过率镀膜区域。使用机械夹持或胶粘固定合束模块。这样可确保五路激光在合束模块的入射面2的初始入射角为10°。

在出射面4设置焦距为1m的长焦透镜7，使得1056nm波长激光正入射长焦透镜7，在长焦透镜7焦平面处形成焦斑。在长焦透镜7前使用倾斜放置的反射镜和衰减片来对激光进行衰减，使得焦平面处的激光功率小于1mW。在焦平面处安装CMOS相机或商用光斑分析仪，采集光斑形貌并可计算出光斑质心位置在相机上的像素坐标(X0,Y0)，记录该坐标数据作为其他4路激光入射角度微调的基准。

依次微调其余4路光学调整架的两维倾斜调节旋钮，使得其余4路激光的光斑质心均处于(X0,Y0)位置，此时表明5路激光的出射光轴已完成高精度调节。

去掉反射镜、衰减片、长焦透镜7和CMOS相机，同时开启5路激光，在合束模块的出射面4出射激光的激光即为五路不同波长激光合束形成的单路激光束。

由于色散的存在，可根据监测的各路光斑在焦平面上的像素坐标对初始时入射角α_i均先设为10°，再根据如上所述的第i路激光入射角α_i的调节步骤进行精密调节。

以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，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的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多路激光分色合束模块，其特征在于：包括合束本体(1)，所述合束本体(1)为光学单体；所述合束本体(1)一侧的平面为入射面(2)，与所述入射面(2)平行的对侧平面分为位于一端的出射面(4)和所述出射面(4)之外的反射面(3)；

所述入射面(2)分为N个镀膜区，N路激光束分别自对应的N个镀膜区，入射进入所述合束本体(1)，其中第i路准直激光与入射面(2)的入射角为α_i，其中N为大于等于1的自然数，i为大于等于1且小于等于N的自然数；Δλ_i为第i路激光光谱宽度，λ_i为第i路激光的中心波长；第i路激光对应的第i镀膜区表面对应设有不同高反系数的分色介质膜，第i镀膜区的所述分色介质膜对波长范围大于等于λ_i-Δλ_i/2且小于等于λ_i+Δλ_i/2的入射激光高透，且对波长小于λ_i-Δλ_i/2的入射激光高反；

所述反射面(3)的表面上设有宽带高反介质膜；

所述出射面(4)的表面上设有宽带增透膜。

2.根据权利要求1所述的多路激光分色合束模块，其特征在于：所述合束本体(1)为光学单体，所述光学单体对参与合成的各个波长激光的体吸收系数小于0.02/cm。

3.根据权利要求1所述的多路激光分色合束模块，其特征在于：所述第i路激光入射进所述合束本体(1)后，其与所述入射面(2)的折射角为β_i，第i路激光的光斑直径为d_i，

所述合束本体(1)的宽度W满足：W>max{d_i/(cosα_itanβ_i)}；

所述合束本体(1)的长度L满足：L>N×max{d_i/cosα_i}；

所述合束本体(1)的高度H满足：H>max{d_i}。

4.根据权利要求3所述的多路激光分色合束模块，其特征在于：N个所述镀膜区为所述入射面(2)的沿长度L均分的N个等分区域。

5.根据权利要求3所述的多路激光分色合束模块，其特征在于：所述出射面(4)的长度为L₁，L₁>max{d_i}。

6.根据权利要求1所述的多路激光分色合束模块，其特征在于：所述第i镀膜区镀制的分色介质膜对入射激光λ_i透过率均大于97％，对波长小于λ_i-Δλ_i/2的激光反射率大于99％。

7.根据权利要求1所述的多路激光分色合束模块，其特征在于：所述宽带高反介质膜对波长为λ_i激光的反射率大于98％。

8.根据权利要求1所述的多路激光分色合束模块，其特征在于：所述出射面(4)的表面的宽带增透膜对波长为λ_i激光透过率均大于99％。

9.根据权利要求1所述的多路激光分色合束模块，其特征在于：所述合束本体(1)为长方体。

10.根据权利要求1～9所述的任一多路激光分色合束模块的调节方法，其特征在于，对第i路激光入射角α_i调节的步骤包括：

S1：在所述出射面(4)外对应设置长焦透镜(7)，所述长焦透镜(7)的光轴与出射激光光轴共线；

S2：在所述长焦透镜(7)的焦平面处放置光电探测器件(8)；

S3：通过观察所述长焦透镜(7)的焦平面上的光斑中心来调整第i路激光入射角α_i，使各路出射激光光斑中心均处于光电探测器件(8)同一成像像素位置；

S4：固定第i路入射激光束的角度。

Images