用于脉冲激光的合束器、脉冲合束激光系统及方法与流程

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种用于脉冲激光的合束器、脉冲合束激光系统及方法，可以提高激光功率和重频参数。

背景技术：

随着激光技术的不断发展和成熟，高功率激光具有越来越广泛的应用，深刻地影响了多个行业的发展。按工作方式划分，高功率激光主要分为高峰值功率激光(即高能脉冲激光)和高平均功率激光。

对于高能脉冲激光，在多种应用领域要求激光具有一定的重复频率，然而直接提高高能脉冲激光器运行的重复频率，将会产生严重的热效应，从而影响激光器的性能，甚至导致激光器输出脉冲能量下降或者不能工作。对于高平均功率激光，应用需求对激光输出功率不断提出更高要求，而单路激光功率提升有限，难以实现较高的平均输出功率。因此，无论是对于高能脉冲激光还是对于高平均功率激光，提高脉冲激光的重复频率都是亟需解决的问题。

单台激光实现高功率、高光束质量和高效率特性的输出，会由于功率升高，光束质量出现非线性下降，且非线性的关系非常复杂，因此，在特定基础条件下，单台输出的能力总是有限的，但人们对“三高”激光输出的需求是无止境的，要实现更大功率的输出，则最佳途径就是多光束合成技术。

现有的光束合束方法包括相干合束、光谱合束和脉冲激光分时合束。2015年3月在《激光技术》上发表的“脉冲激光的非相干合成技术研究”公开了一种基于转盘旋转实现脉冲激光合束的方法，将不同时序的激光斜入射至不同厚度的晶体后发生偏移，经晶体折射后共轴线输出，实现脉冲激光的合束，达到提高激光输出重复频率和平均功率的目的。这种方案存在的问题是，强激光需要经过晶体透射，光学元件承受激光功率的能力有限，难以满足高功率高能量激光的入射要求。

中国发明专利申请201210078189.7公开了一种脉冲激光合束方法，提出了一种采用旋转反射镜的方式，将多束较低重复频率脉冲激光束合成为一束高重复频率脉冲激光束，该方法采用的反射型光学元件、光路结构简单，合成光束可以具有很高的功率。根据其技术效果描述，多棱镜系统的所有光学元件都可以是反射光学元件，该装置可以承受任意高功率激光器，只要输入的激光功率足够高，就可以输出任意高功率脉冲激光束。但是这种方案存在的问题是，在脉冲激光出光期间，由于反射镜的不断运动带来合成光束质量的下降，比如当脉冲持续时间为毫秒(ms)量级时，该系统由于反射镜不断运动带来的合成光束质量下降1/10量级，影响了其推广应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于，为了克服现有脉冲时序合束中，所需要的透射型元件难以适应长时间高功率激光，或者其他合束方法会对合束后激光束质量产生影响的缺陷，而提供了一种用于脉冲激光的合束器及脉冲合束激光系统，大大提高了单只激光的平均输出功率和重复频率，且基本保持原有激光的光束质量不变，并具备良好的功率和激光器数量可扩展性。

本发明的技术方案是：

一种用于脉冲激光的合束器，包括多只沿输出光路倾斜设置的反射镜；按照设定时序发射的多束脉冲激光经对应的反射镜反射合束后沿同一个输出光路出射；所述的反射镜设置在移位装置上，所述的移位装置产生动作，使得反射镜按照与脉冲激光相匹配的时序移入和移出输出光路，且在输出光路的激光出射方向上，处于前方位置的反射镜不会阻挡后方位置反射镜的出射光束。

进一步地，上述脉冲激光的合束器中，所述的移位装置为若干只按照时序控制的电控位移台。

进一步地，上述脉冲激光的合束器中，所述的电控位移台沿垂直于输出光路的方向移动。

进一步地，上述脉冲激光的合束器中，所述电控位移台采用丝杠、气缸或液压缸驱动。

进一步地，上述脉冲激光的合束器中，所述反射镜与输出光路的夹角为30-60度，每个反射镜与输出光路之间的夹角可以不同，但是需要保证脉冲激光经过反射镜反射后均沿同一输出光路出射。

进一步地，上述脉冲激光的合束器中，所述反射镜与输出光路的夹角为45度。

一种脉冲合束激光系统，其特殊之处在于：包括n只脉冲激光器和n只反射镜，脉冲激光器按照设定的时序出射激光，经过入射至反射镜形成合束激光出射，其中n为大于1的正整数。

进一步地，上述脉冲合束激光系统还包括只折返镜；出射激光经过折返镜折返后入射至反射镜。

一种用于脉冲激光合束的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)至少两个激光器按照设定时序发射的脉冲激光经各自的反射镜反射后沿输出光路出射；

2)各反射镜按照与脉冲激光相匹配的时序移入和移出输出光路，且在输出光路的激光出射方向上，处于前方位置的反射镜不会阻挡后方位置反射镜的光束。

进一步地，所述步骤1)中的脉冲激光先经过折反镜折射后再经反射镜的反射。

本发明的有益效果：

1、本发明通过在同一输出光路设置的多只反射镜，并按照与脉冲激光发射时序相匹配时序进行移出和移入，实现了脉冲激光合束，在不改变原有激光器光束特性参数的前提下，大大提高了输出激光的功率和重复频率，并可进行数量的扩展，这种合束的方式没有功率上限，在工业和其他领域具有重要的应用价值；

2、本发明的反射镜及其他光路器件采用全反射方式，避免采用透射型光学元件时存在的器件耐受功率有限、且对光束质量产生影响的不足，特别适用于大功率、长时间出光的情况，合束实施中不会对入射激光的参数产生扩束、缩束等附加影响，确保了合束后激光的光束质量。

附图说明

图1是本发明用于脉冲激光的合束器的工作原理示意图；

图2是本发明脉冲激光合束前n只脉冲激光的时序图；

图3是本发明脉冲激光合束后激光的输出功率示意图；

图4是本发明实施例用于脉冲激光的合束器反射镜移位原理示意图；

图5是本发明脉冲合束激光系统组成原理示意图；

图6是本发明实施例的脉冲合束激光系统组成原理示意图；

附图标记说明：

1—移位装置；2—反射镜；3—入射激光束；4—输出光路；5—移位控制单元；6—电控位移台；7—激光时序控制单元；8—同步触发信号；9—脉冲激光器；10—折返镜。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。

如图1、图2和图3所示，本发明脉冲合束的原理思路是：在同一输出光路4上倾斜设置有n只反射镜2，每只反射镜2设置在移位装置1上，并可沿使得反射镜2沿图中的移镜方向3移出合束光路及再移回至合束光路上，合束光路即为输出光路4；移位装置可以是一个整体机构或分体机构，可实现每只反射镜2的独立移进移出。

每只反射镜2与入射激光束3相对应，其中激光为重频输出的脉冲激光，每只激光的出光时序如图2所示，可以采用背景技术中“脉冲激光的非相干合成技术研究”的方案，由可编程逻辑阵列产生脉宽、频率和时延均符合要求的电信号，再以此电信号驱动种子激光器并进行放大或驱动脉冲泵浦激光的方式，使得每只激光器输出的光脉冲保持不同的时延，以符合脉冲合束的要求。

图1中当n只激光器入射至对应反射镜2的同时，移位装置1按照入射时序将反射镜2按照设定的时序移走和移回原位，使得后方入射的激光反射输出时，前方的反射镜2不会阻挡后面的入射光束，从而可以实现多束脉冲激光的合束。例如2#激光的出光脉冲比1#有一定的延迟，当2#激光入射至2#反射镜时，只要前面的1#反射镜通过移位装置移走，使其不阻挡在光路上时，则此刻合束光路上有且只有一束激光即2#的脉冲激光；同理，3#激光的出光脉冲比2#又附件了一定的延迟，当3#激光入射至3#反射镜时，只要前面的1#反射镜和2#反射镜通过移位装置移走且不阻挡在光路上时，则此刻合束光路上输出的激光即为3#的脉冲激光，依次类推，当全部激光器依次入射完毕后，再从1#开始重新循环，于是就得到了如图3所示的高重频或准连续激光输出。

实际应用时，受到移位机构的动作延迟性，反射镜移位时前方反射镜难免会对后方有少部分阻挡作用，难以做到无缝的时序合成，故很难做到连续输出，但可以做到准连续输出或提高原来激光的重复频率。由于每只脉冲激光为一定的占空比输出，这样合束后的激光为n只激光的合成，激光平均功率为所有n只激光平均功率之和，从而大大提升了激光的输出平均功率，同时反射的光束处于共轴，且合束后的光束质量不会因反射镜移动而发生变化，这些都决定了合束后的激光可以高效率、高质量的远距离发射和传输。

这种脉冲合束的意义在于：无论是对固体激光、光纤激光还是半导体激光而言，受到非线性效应和热效应的影响，很难提高单只激光器的平均功率输出，尤其是对于连续输出的激光器。而采用脉冲合束的目的在于，将单只激光器做成具有一定重复频率输出，且占空比较小的脉冲激光，虽然受到非线性效应和热效应的影响，平均功率不可能太高，但是脉冲峰值功率可以很高。然后再通过脉冲合束的方案，调节每只激光器的脉冲时序特性，再通过本发明的合束器，将n束激光合束输出为高重频激光或准连续激光，由于将输出功率提高了n倍，且仍保持原有的光束质量，而且理论上这种合束的方式没有功率上限，在工业和其他领域具有重要的应用价值。

如图4所示，本发明的实施例中的移位装置1为若干只与移位控制单元5电联接的电控位移台6，电控位移台6采用丝杠传动或气缸、液压缸的工作方式，在移位控制单元5的控制下，依照时序依次驱动对应的反射镜2移出输出光路4，然后再移回至原始的位置，并确保每个时刻光路前面的反射镜2不会阻挡后面的光束，在同一时刻只能有一束激光沿输出光路4方向输出。同时为了与激光器的输出时序相匹配，移位控制单元5输出同步触发信号8至激光时序控制单元7，或者激光时序控制单元7输出同步触发信号8至移位控制单元5，实现反射镜2的位移与脉冲激光时序的匹配。反射镜2的镜面为平面，与输出光路4的夹角为30-60度，优选45度，电控位移台6按照垂直于输出光路4的方向移入和移出输出光路4。

如果反射镜的有效入射面积(即斜角投影后的面积)远大于激光束的光斑，则从激光脉冲起始的时刻至结束时刻，反射镜在电控位移台的作用下，一直处在往复移动状态中，并控制激光脉冲宽度与位移速度以确保入射光束不会泄露出反射镜面。如果反射镜的有效入射面积只是略大于激光束的光斑，则通过电控位移台的程控设置，使得在激光出光时刻，反射镜保持静止，出光结束后再快速移动离开出射光束的位置，避免对后面反射光的遮挡。这种电控位移台的移动方式，可满足上述脉冲合束的功率叠加、光束质量不变和光路上采用全反射器件要求，实现低重频脉冲激光的合束要求。

图5给出了发明脉冲合束激光系统组成原理示意图，按照时序控制的脉冲激光器9输出光束直接入射至反射镜2上，最后合束为一束脉冲激光束后输出。图6则给出了一种结构紧凑的脉冲合束激光器系统，激光器9的输出光束经过折返镜10后再入射至反射镜2上，再进行合束。整个系统结构紧凑，便于在垂直于合束光束方向布局实施，同时全部合束光学器件均采用反射式，特别适用于大功率、长时间出光的情况，合束实施中不会对入射激光的参数产生扩束、缩束等附加影响，确保了合束后的激光光束质量。

本实施例还提供一种用于脉冲激光合束的方法，具体步骤如下：

1)至少两个激光器按照设定时序发射的脉冲激光经各自的反射镜反射后沿输出光路出射；

2)各反射镜按照与脉冲激光相匹配的时序移入和移出输出光路，且在输出光路的激光出射方向上，处于前方位置的反射镜不会阻挡后方位置反射镜的光束。

所述步骤1)中的脉冲激光先经过折反镜折射后再经反射镜的反射。