一种多程放大激光系统小孔孔像的获取装置的制作方法

本实用新型属于激光设备技术领域，具体地说涉及一种多程放大激光系统小孔孔像的获取装置。

背景技术：

高功率多程放大激光器是一类复杂的光学系统，包含大量光学元器件和相应的机械支撑、调整机构等。对于调整完毕的高功率多程放大激光系统光路而言，元器件位置虽已固定，但由于工作环境的温度变化、空调系统气流扰动、机械结构蠕变、地基和支撑架微振动以及其他随机因素的影响，光束通常会偏离原定光路。因此，每次发射前均需要对系统光路进行快速的校准。光路的快速校准通常称为自动准直，其基于“两点确定一线”的基本原则，逐段检测光束位置、方向与基准的偏差，调整光路中的反射镜，使光束恢复到原定光路上。基准获取是进行光路自动准直的基础，通常分为远场基准和近场基准，远场决定激光束指向，近场决定激光束的横向偏移。

高功率多程放大激光系统通常由放大器、空间滤波器以及反射镜等组成。空间滤波器由共焦的两个透镜及放置在焦平面的空心滤波小孔构成，小孔对焦斑的旁瓣进行阻挡并抑制，实现激光束空间频率的低通滤波，控制激光束高频成分的非线性增长，同时完成激光束的像传递和扩束等功能。由于空间滤波器小孔位置的激光功率密度极高，该位置的光束偏移将导致激光与滤波小孔直接作用，损坏滤波小孔，并由于等离子堵孔效应等产生有害的反向激光束。因此，通常将能量最大的末程空间滤波器小孔中心作为多程放大激光系统的远场基准，通过前级滤波器小孔与后级滤波器小孔的共心耦合，并控制激光束在小孔位置的偏差，保证激光束顺利通过各级空间滤波小孔阵列。

为了实现多程放大激光系统的自动准直，必须首先获取末程大能量空间滤波器小孔的中心，并以此作为远场基准。目前，有两种方法来获得空间滤波小孔阵列的孔像：一是在空间滤波小孔阵列前架设准直光源，并使光源传输至小孔位置时的光斑能覆盖整个小孔，然后通过光束照明小孔，并采用共轭成像方式获取小孔孔像，该方法直接、准确，但是需要外接光源，同时对光源接口配置也有相应的技术要求，成本高且结构复杂。二是利用注入多程放大激光系统的前级重频光源，首先对光源进行发散，使光斑能覆盖空间滤波器小孔，通过共轭成像获取小孔轮廓，不过由于前级注入光将通过多级滤波孔到达光学传感器，携带了光束与多级滤波小孔相互作用的信息，这种方式要求末程滤波小孔衍射极限倍数小于或等于前级滤波孔，否则无法获得末程空间滤波小孔阵列的孔像，另外，该方式还需要先完成各级滤波小孔的耦合，再进行孔像获取，否则获得的孔像将为各级小孔孔像的相交，无法提供准确的远场基准，通过图像处理获得的孔像形心与孔实际中心的偏差增大。

技术实现要素：

针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种多程放大激光系统小孔孔像的获取装置。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种多程放大激光系统小孔孔像的获取装置，包括放大系统和监测设备，沿着激光传输方向，所述放大系统依次包括空间滤波小孔阵列一和空间滤波小孔阵列二，所述空间滤波小孔阵列一处设置有光束反射器，所述光束反射器包括入射面、第一反射面和第二反射面，所述入射面与激光光路设置为近垂直结构，所述激光经第一反射面反射至第二反射面形成纵向位移，所述纵向位移与空间滤波小孔阵列一中初程小孔至末程小孔的纵向距离匹配。

进一步，所述入射面与垂直方向的夹角为1.4°～5.1°或-5.1°～-1.4°。

进一步，所述光束反射器设置为等腰直角棱镜，其斜边作为入射面，其两条直角边分别作为第一反射面和第二反射面。

进一步，所述空间滤波小孔阵列一处设置焦距为f₀的注入透镜，注入激光光束口径为D₀，且所述空间滤波小孔阵列一的初程小孔位于注入透镜的焦点处，所述空间滤波小孔阵列一、空间滤波小孔阵列二之间依次设置焦距为f₁的透镜一和焦距为f₂的透镜二，则空间滤波小孔阵列一中末程小孔处的光斑尺寸为D₁，且其中，S为激光由空间滤波小孔阵列一的初程小孔折返至末程小孔的等效传输距离，所述空间滤波小孔阵列一切换为大孔状态时，其直径为d₁¹，所述空间滤波小孔阵列一切换为滤波孔状态时，其直径为d₁²，且d₁²<D₁。

进一步，所述入射面至空间滤波小孔阵列一的间距为L，空间滤波小孔阵列一中初程小孔至末程小孔的纵向距离为a，第一反射面和第二反射面的长度均为b，且所述纵向位移为c，且其中，α为激光入射到第一反射面的入射角，β为第一反射面对激光的折射角，且α等于入射面与垂直方向的夹角，n为等腰直角棱镜介质材料对激光的折射率。

进一步，

进一步，所述空间滤波小孔阵列一切换为大孔状态时，所述空间滤波小孔阵列二中末程小孔处的光斑尺寸为D₂，且所述空间滤波小孔阵列二切换为大孔状态时，其直径为d₂¹，所述空间滤波小孔阵列二切换为滤波孔状态时，其直径为d₂²，且d₂²<D₂，

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型可以直接对单个末程小孔进行孔像获取，避免多程放大激光系统中多级空间滤波小孔阵列对孔像带来的影响，孔像边沿清晰度高，孔像轮廓规整，获得形心位置的精度高，同时，本实用新型对各级空间滤波小孔阵列的衍射极限倍数是否一致不作要求，可以获取任意尺寸配置的小孔孔像，实用性强。

2、本实用新型只需在光路中配置一个等腰直角棱镜，即可完成小孔孔像的获取操作，配置简单，造价便宜，操作方便，特别适合用于高功率多程放大激光系统的小孔孔像获取。

3、本实用新型通过对入射面与激光光路的夹角进行优选，既不影响激光光路的基本方向及传输效率，又能避免入射面处的剩余返回激光形成鬼光束，从而避免鬼光束对各元件的损坏。

4、本实用新型既能保证激光光束完全覆盖滤波孔，对滤波孔直接进行照明，又能保证激光光束直接穿过大孔不被阻挡，提高小孔形心位置的测量精度。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图；

图2是本实用新型的激光光路示意图；

图3(a)是采用本实用新型采集的空间滤波小孔阵列二的末程小孔孔像；

(b)是采用背景技术中第二种孔像获取方法采集的空间滤波小孔阵列二的末程小孔孔像；

图4(a)是图3(a)的孔像轮廓图；

(b)是图3(b)的孔像轮廓图；

图5(a)是采用本实用新型采集的空间滤波小孔阵列一的末程小孔孔像；

(b)是采用背景技术中第二种孔像获取方法采集的空间滤波小孔阵列一的末程小孔孔像；

图6(a)是图5(a)的孔像轮廓图；

(b)是图5(b)的孔像轮廓图。

附图中：第一级放大器1、第二级放大器2、空间滤波小孔阵列一3、空间滤波小孔阵列二4、透镜一5、透镜二6、光束反射器7、入射面71、第一反射面72、第二反射面73、注入透镜8、透镜三9、透镜四10、腔镜11、监测设备12、激光13、注入反射镜14；

图2中，箭头方向表示激光13的传输方向，d₁、d₂、d₃分别表示激光13由入射面71至第一反射面72、第一反射面72至第二反射面73、第二反射面73至入射面71的等效传输距离，a表示空间滤波小孔阵列一3中初程小孔至末程小孔的纵向距离，b表示第一反射面72和第二反射面73的长度，L表示入射面71至空间滤波小孔阵列一3的间距，α为激光13入射到第一反射面72的入射角，β为第一反射面72对激光13的折射角。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合本实用新型的附图，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。

实施例一：

如图1-2所示，一种多程放大激光系统小孔孔像的获取装置，包括放大系统和监测设备12，监测设备12位于放大系统的输出端，用于采集小孔孔像，沿着激光13传输方向，所述放大系统依次包括腔镜11、第一级放大器1、空间滤波器一、第二级放大器2、空间滤波器二和反转器(图中未示出)，所述空间滤波器一依次包括透镜三9、空间滤波小孔阵列一3和透镜一5，所述空间滤波器二依次包括透镜二6、空间滤波小孔阵列二4和透镜四10。

激光13在放大系统内的常规传输光路为：激光13从空间滤波器一的远场注入，经过空间滤波小孔阵列一3的初程小孔后，传输至第一级放大器1一次放大后传输到腔镜11，由腔镜11反射经第一级放大器1二次放大，通过空间滤波小孔阵列一3的二程小孔到第二级放大器2一次放大，继续传输到空间滤波小孔阵列二4的二程小孔，经过反转器再注入空间滤波小孔阵列二4的三程小孔，经过第二级放大器2二次放大后，通过空间滤波小孔阵列一3的三程小孔到第一级放大器1再进行三、四次放大，再经过空间滤波小孔阵列一3的末程小孔传输到第二级放大器2三次放大，最后经空间滤波小孔阵列二4的末程小孔输出。

所述空间滤波小孔阵列一3处设置焦距为f₀的注入透镜8，注入激光13光束口径为D₀，且所述空间滤波小孔阵列一3的初程小孔位于注入透镜8的焦点处，呈发散状态的激光13由注入反射镜14导入到放大系统中，所述空间滤波小孔阵列一3处设置有光束反射器7，所述光束反射器7包括入射面71、第一反射面72和第二反射面73，激光13通过空间滤波小孔阵列一3的初程小孔入射至入射面71处，所述入射面71与激光光路设置为近垂直结构，所述入射面71与垂直方向的夹角为1.4°～5.1°或-5.1°～-1.4°，即所述入射面71与激光光路的夹角为91.4°～95.1°或84.9°～88.6°，既不影响激光光路的基本方向及传输效率，又能避免入射面71处的剩余返回激光形成鬼光束，从而避免鬼光束对各元件的损坏，同时，还可保证第一反射面72和第二反射面73对激光13进行全发射，提高反射率，所述激光13经入射面71传输至第一反射面72处，后经第一反射面72反射至第二反射面73，并形成纵向位移c，所述纵向位移c与空间滤波小孔阵列一3中初程小孔至末程小孔的纵向距离匹配，通过光束反射器7反射后的激光13将改变原有传输路径，使激光13依次通过空间滤波小孔阵列一3的末程小孔、空间滤波小孔阵列二4传输至输出端，不经过放大系统内的多程折返，避免多程放大激光系统中多级空间滤波小孔阵列对孔像带来的影响，同时，激光13通过光束反射器7反射后光束将继续发散，再次到达空间滤波小孔阵列一3时，光束为较大尺寸的光斑。

所述空间滤波小孔阵列一3、空间滤波小孔阵列二4之间依次设置焦距为f₁的透镜一5和焦距为f₂的透镜二6，本实施例中，所述光束反射器7设置为等腰直角棱镜，其斜边作为入射面71，其两条直角边分别作为第一反射面72和第二反射面73，所述入射面71至空间滤波小孔阵列一3的间距为L，空间滤波小孔阵列一3中初程小孔至末程小孔的纵向距离为a，第一反射面72和第二反射面73的长度均为b，且且c＝d₂，其中，α为激光13入射到第一反射面72的入射角，β为第一反射面72对激光13的折射角，且α等于入射面71与垂直方向的夹角，n为等腰直角棱镜介质材料对激光13的折射率，激光13由空间滤波小孔阵列一3的初程小孔折返至末程小孔的等效传输距离为S，则

空间滤波小孔阵列一3中末程小孔处的光斑尺寸为D₁，且所述空间滤波小孔阵列一3切换为大孔状态时，其直径为d₁¹，所述空间滤波小孔阵列一3切换为滤波孔状态时，其直径为d₁²，且d₁²<D₁，所述空间滤波小孔阵列一3切换为大孔状态时，所述空间滤波小孔阵列二4中末程小孔处的光斑尺寸为D₂，且所述空间滤波小孔阵列二4切换为大孔状态时，其直径为d₂¹，所述空间滤波小孔阵列二4切换为滤波孔状态时，其直径为d₂²，且d₂²<D₂，根据d₂²的尺寸，依次确定D₂和D₁，最终确定入射面71至空间滤波小孔阵列一3的间距L，既能保证激光13完全覆盖滤波孔，对滤波孔直接进行照明，又能保证激光13直接穿过大孔不被阻挡，提高小孔形心位置的测量精度。

所述一种多程放大激光系统小孔孔像的获取装置的获取方法，包括如下步骤：

(1)根据d₂²的尺寸，依次确定D₂和D₁，最终确定入射面71至空间滤波小孔阵列一3的间距L，并将空间滤波小孔阵列一3切换为滤波孔状态，将空间滤波小孔阵列二4切换为大孔状态；

(2)向放大系统注入激光13，激光13穿过空间滤波小孔阵列一3的初程小孔入射至等腰直角棱镜，并经第二反射面73出射后，激光13完全覆盖空间滤波小孔阵列一3的末程小孔，之后，激光13穿过空间滤波小孔阵列二4，由于保证空间滤波小孔阵列二4不会阻挡激光13，所述监测设备12在放大系统输出端采集孔像一；

(3)将空间滤波小孔阵列一3切换为大孔状态，将空间滤波小孔阵列二4切换为滤波孔状态；

(4)重复步骤(2)，由于d₂²<D₂且保证穿过空间滤波小孔阵列一3的激光13完全覆盖空间滤波小孔阵列二4的末程小孔，所述监测设备12在放大系统输出端采集孔像二；

(5)对采集的孔像一和孔像二进行处理并分别确定形心，作为空间滤波小孔阵列一3、空间滤波小孔阵列二4的末程小孔的基准中心。

本实用新型可以直接对单个末程小孔进行孔像获取，避免多程放大激光系统中多级空间滤波小孔阵列对孔像带来的影响，孔像边沿清晰度高，孔像轮廓规整，获得形心位置的精度高，同时，本实用新型对各级空间滤波小孔阵列的衍射极限倍数是否一致不作要求，可以获取任意尺寸配置的小孔孔像，实用性强，同时，只需在光路中配置一个等腰直角棱镜，即可完成小孔孔像的获取操作，配置简单，造价便宜，操作方便，特别适合用于高功率多程放大激光系统的小孔孔像获取。

实施例二：

本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：

D₀＝46mm×46mm，f₀＝2007mm，f₁＝13500mm，f₂＝31250mm，等腰直角棱镜的入射面71与激光光路的夹角可以为91.4°、94°、95.1°、84.9°、86°或88.6°，本实施例中，所述入射面71与激光光路的夹角为94°，即α＝4°，根据a＝21.6mm，优选b＝40mm，d₁¹＝8mm，d₁²＝2.08mm，d₂¹＝20mm，d₂²＝4.8mm，激光13的波长为1053nm，等腰直角棱镜介质材料选用UBK7，n＝1.506。

根据d₂²<D₂，选取D₂＝22mm×22mm，激光13可以完全覆盖空间滤波小孔阵列二4的末程小孔，对空间滤波小孔阵列二4的末程小孔直接进行照明，由得出D₁＝9.5mm×9.5mm，且D₁>d₁²，根据得出S＝414.5mm，L＝197.17mm，根据L调整等腰直角棱镜的位置，将空间滤波小孔阵列一3切换为大孔状态，将空间滤波小孔阵列二4切换为滤波孔状态，监测设备12在放大系统输出端采集孔像，获得空间滤波小孔阵列二4的末程小孔孔像，如图3(a)所示，采用本实用新型背景技术中第二种孔像获取方法，来获取本实施例中空间滤波小孔阵列二4的末程小孔孔像，如图3(b)所示。

从图3中可以看出，针对相同的空间滤波小孔阵列二4的末程小孔，采用不同方法获取的孔像存在明显差异。图3(a)中孔像边沿清晰度高，图3(b)中孔像经多程传输后失真较大，且边缘不够清晰。

对图3(a)、(b)分别进行图像处理，识别图像的边沿轮廓，处理后的图像分别如图4(a)、(b)所示。图4(a)中小孔孔像轮廓为正圆形状，与空间滤波小孔阵列二4的末程小孔的形状相符，而图4(b)中小孔孔像轮廓变形，对比图4中的(a)和(b)，本实用新型获取的空间滤波小孔阵列二4的末程小孔的基准中心更接近小孔的实际中心。

将空间滤波小孔阵列一3切换为滤波孔状态，将空间滤波小孔阵列二4切换为大孔状态，此时，D₁＝9.5mm×9.5mm，且D₁>d₁²，激光13可以完全覆盖空间滤波小孔阵列一3的末程小孔，同时，由于空间滤波小孔阵列二4不会阻挡激光13，监测设备12在放大系统输出端采集孔像，获得空间滤波小孔阵列一3的末程小孔孔像，如图5(a)所示，采用本实用新型背景技术中第二种孔像获取方法，来获取本实施例中空间滤波小孔阵列一3的末程小孔孔像，如图5(b)所示。

从图5中可以看出，针对相同的空间滤波小孔阵列一3的末程小孔，采用不同方法获取的孔像存在明显差异。图5(a)中孔像边沿清晰度高，图5(b)中孔像经多程传输后失真较大，且边缘不够清晰。

对图5(a)、(b)分别进行图像处理，识别图像的边沿轮廓，处理后的图像分别如图6(a)、(b)所示。图6(a)中小孔孔像轮廓为正圆形状，与空间滤波小孔阵列一3的末程小孔的形状相符，而图6(b)中小孔孔像轮廓变形，对比图4中的(a)和(b)，本实用新型获取的空间滤波小孔阵列一3的末程小孔的基准中心更接近小孔的实际中心。

以上已将本实用新型做一详细说明，以上所述，仅为本实用新型之较佳实施例而已，当不能限定本实用新型实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本实用新型涵盖范围内。