一种基于掠衍射光栅的大功率光谱合成方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于掠衍射光栅的大功率光谱合成方法，属于强激光【技术领域】。多光束激光源位于聚焦透镜的焦点处，发出多束平行激光束，激光束都位于聚焦透镜中心光轴的同一侧，而不能同时分布于中心光轴的两侧。每一束激光均依次通过一个准直透镜、一个半波片后，穿过聚焦透镜。放置大功率掠衍射光栅位于聚焦透镜的另一侧焦点处，聚焦透镜的中心光轴穿过光栅中心。根据衍射方程的一级衍射条件选择入射激光束的波长，使得入射光束的入射角度不同，而衍射角度相同。使得入射激光完全按照同样的衍射角一级衍射输出，实现了激光的合束。合成单光束可达10000W以上，本发明方法比采用反射型衍射光栅的光斑小一至两个数量级。
【专利说明】 一种基于掠衍射光栅的大功率光谱合成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于掠衍射光栅的大功率光谱合成方法，属于强激光【技术领域】。
【背景技术】
[0002]激光合成在工业，科研和军事上应用越来越重要。多光束经过波分复用器WDM或者分光棱镜，镜片等手段合成，通常多光束的合成需要使用多个合成过程，如图1，2所示。但是这类光束合成对光束的波长和功率都有一定的限制，传统的多光束合成过程复杂，且不好调节，另外，传统的多光束合成方法不适合大功率以及超大功率的合成，特殊波长激光的合成.对于大功率光束合成，特殊波长的激光合成，目前没有相关的报道。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是为实现大功率以及超大功率多光束合成，提出一种基于掠衍射光栅的大功率光谱合成方法，利用大功率光栅来实现单束大功率激光输出。
[0004]一种基于掠衍射光栅的大功率光谱合成方法，具体步骤如下:
[0005]步骤一，选择一个多光束激光源和一个宽半径的聚焦透镜。多光束激光源位于聚焦透镜的焦点处，多光束激光源发出多束激光束，激光光束互相平行，且都位于聚焦透镜中心光轴的同一侧，而不能同时分布于中心光轴的两侧。
[0006]步骤二，从光源射出的每一束激光均依次通过一个准直透镜、一个半波片后，穿过聚焦透镜。
[0007]步骤三，放置光栅位于聚焦透镜的另一侧焦点处，聚焦透镜的中心光轴穿过光栅中心。光栅与光轴之间有夹角。
[0008]所述光栅为大功率掠衍射光栅，其功率要求在10000W及以上，其背面连接压电陶瓷。压电陶瓷能实现对光栅倾斜角度的微控。
[0009]步骤四，根据衍射方程的一级衍射条件:
[0010](Ksina1-Siniii) = ^i (I)
[0011]其中d是光栅的刻线间距，Xi为激光源发出的第i束激光束波长，CIi为第1束激光束到光栅的入射角度，β i为第i束激光束经光栅后的衍射角度。i = 2，3，4，...，η，η为激光束的总数。
[0012]选择入射激光束的波长，使得入射光束的入射角度a i不同，而衍射角度β i相同。
[0013]步骤五，多光束激光源按照步骤四选定的激光束波长发射激光束，透过准直透镜、半波片，聚焦透镜后，入射到光栅上。压电陶瓷驱动光栅，实现对光栅的角度扫描并对光栅与光轴间的夹角大小进行微调，使得入射激光完全按照同样的衍射角一级衍射输出，实现了激光的合束。
[0014]有益效果
[0015]本发明方法能实现多光束合成，以实现大功率以及超大功率单光束输出，实现特殊波长激光合成，且实现简单的调节过程。多束激光通过光栅合成实现一束大功率激光输出，提高合成单光束可达1000W以上，合成光束比采用反射型衍射光栅的光斑小，大约小一个数量级至两个数量级，大幅度提高单光束输出功率。衍射光斑小。该设计操作简单，稳定，具有很强的实用价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为【背景技术】中使用WDM实现多光束合成示意图；
[0017]图2为【背景技术】中使用PBS实现多光束合成示意图；
[0018]图3为本发明提出的使用掠衍射光栅实现激光合成的原理图；
[0019]图4为【具体实施方式】中的装置实施例俯视图；
[0020]标号说明:PL1:976nm激光1，PL2:976nm激光2，WDM:波分复用器，ISO:隔离器，
LO:激光输出，1:第一热沉，2:第一光纤激光器,3:第一非球面准直透镜调整架,4:第一非球面准直透镜AL, 5:第一光束,6:第二热沉,7:第二光纤激光器,8:第二非球面准直透镜调整架，9:第二非球面准直透镜AL，10:第二光束，11:聚焦透镜，12:聚焦透镜固定架，13:光栅GT，14:调节架动板，15:调节架压电陶瓷，16:微调螺钉，17:调节架定板，18:合成单束输出，19-第一半波片，20-第一半波片调整架，21-第二半波片，22-第二半波片调整架。
【具体实施方式】
[0021]本发明的技术原理如图3所示。
[0022]本实施方式中给出装置实例如图4所示，包括第一热沉1，第一光纤激光器2，第一非球面准直透镜调整架3,第一非球面准直透镜4,第二热沉6,第二光纤激光器7,第二非球面准直透镜调整架8，第二非球面准直透镜9，聚焦透镜11，聚焦透镜固定架12，光栅13，调节架动板14，调节架压电陶瓷15，微调螺钉16，调节架定板17，第一半波片19，第二半波片21。
[0023]所述光栅是定制的高损伤阈值的特制掠衍射光栅，可承载1000w光功率。
[0024]功率5000W波长为100nm的第一光纤激光器2发出的激光光束，经过焦距为4mm，数值孔径为0.6的第一非球面准直透镜4准直后，以0°入射角入射到聚焦透镜上，功率5000W波长为1lOnm的第二光纤激光器7发出的激光光束，经过焦距为4mm，数值孔径为0.6的第二非球面准直透镜9准直后，以0°入射角入射到聚焦透镜11上，第一光束5和第二光束10经过聚焦透镜11后，聚焦在刻线密度为2400g/mm、刻线面积大小为lOOmmX10mm、厚度为60mm的掠衍射光栅13上，以同样的45°衍射角一级衍射10即为合成的单光束。合成单光束形成的光斑的大小，比采用反射型衍射光栅的光斑小，大约小一个数量级至两个数量级。
[0025]第一光纤激光器2和第二光纤激光器7采用温度传感器和第一热沉1、第二热沉6实现温度控制。该衍射光栅13可通过压电陶瓷15的方法作慢速大范围粗调，而通过驱动光栅13的PZT，实现扫描。通过微调螺钉16改变角度。在改变角度的过程中，固定在调节架动板14上的光栅13随着动板14 一起旋转，实现单光束输出。压电陶瓷15粘在调节架动板14上。
[0026]第一非球面准直透镜调整架3和第二非球面准直透镜调整架8用于固定非球面镜及激光束准直的调整，光栅13通过热沉固定在调节架动板14上，调节架动板14可通过定板17上的微调螺钉调整，调节架定板17，第一热沉1、第二热沉6，第一非球面准直透镜调整架3和第二非球面准直透镜调整架8，聚焦透镜固定架12均被固定在底板上。
[0027]增加光纤激光器的个数，能得出更多激光的合成，其功率可实现更高，最高功率受限于定制光栅的损伤阈值。
[0028]上述方案中的光栅也可选用其它类型，尺寸大小也可选用其它尺寸，激光波长可选用其它波长数值，激光源可选用其他激光源，聚焦透镜焦距可选用其他焦距数值。
【权利要求】
1.一种基于掠衍射光栅的大功率光谱合成方法，其特征在于:包括如下步骤: 步骤一，选择一个多光束激光源和一个宽半径的聚焦透镜；多光束激光源位于聚焦透镜的焦点处，多光束激光源发出多束激光束，激光光束互相平行，且都位于聚焦透镜中心光轴的同一侧，而不能同时分布于中心光轴的两侧； 步骤二，从光源射出的每一束激光均依次通过一个准直透镜、一个半波片后，穿过聚焦透镜； 步骤三，放置光栅位于聚焦透镜的另一侧焦点处，聚焦透镜的中心光轴穿过光栅中心；光栅与光轴之间有夹角； 所述光栅为大功率掠衍射光栅，其功率在1000W及以上，其背面连接压电陶瓷； 步骤四，根据衍射方程的一级衍射条件: (Ksina1-Siniii) = ^i(I) 其中d是光栅的刻线间距，Xi为激光源发出的第i束激光束波长，Cii为第i束激光束到光栅的入射角度，β i为第i束激光束经光栅后的衍射角度；i = 2，3，4，...，η，η为激光束的总数； 选择入射激光束的波长，使得入射光束的入射角度a i不同，而衍射角度β i相同；步骤五，多光束激光源按照步骤四选定的激光束波长发射激光束，透过准直透镜、半波片，聚焦透镜后，入射到光栅上；压电陶瓷驱动光栅，实现对光栅的角度扫描并对光栅与光轴间的夹角大小进行微调，使得入射激光完全按照同样的衍射角一级衍射输出，实现了激光的合束。
2.根据权利要求1所述的一种基于掠衍射光栅的大功率光谱合成方法，其特征在于:合成单光束达10000W以上。
【文档编号】H01S3/13GK104409959SQ201410650714
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月15日 优先权日:2014年11月15日
【发明者】彭瑜, 李伟 申请人:北京理工大学