专利名称：用于高功率激光装置的光路准直集成装置及准直方法
技术领域：
本发明涉及高功率激光装置，特别是一种用于高功率激光装置的光路准直集成装置及准直方法，尤其是一种能够满足大规模、大口径高功率激光装置近、远场准直需求的高度集成化、模块化的准直监测装置。
背景技术：
空间滤波器作为高功率激光装置的核心器件之一，其发挥着多重作用抑制寄生振荡，降低自发辐射影响，改善光束质量，抑制自聚焦，实现像传递，扩展光束口径等，其最终目的都是为了提高驱动器的输出能力。而光路准直技术的核心目标就是确保空间滤波器的上述功能的正常实现。高功率激光装置的典型放大链结构如图1所示前级放大链101 输出的光束102经近场调整反射镜103和远场调整反射镜104反射后进入空间滤波器107， 经滤波、扩束后进入下一级放大器108，之后经过隔离器109，再经过两块反射镜110、113导光后，输出到后级放大链114。目前，高功率激光装置自动准直系统中的近场取样最常用的方法就是在光路中远场反射镜104的后面，利用光束102经过该反射镜104时的漏光105对光束近场进行取样成像；常用的远场取样的方法是在近场调整反射镜110的后面，加入一套大口径远场成像系统112，利用反射镜110的漏光111对远场进行取样。该方法成本高、占用空间巨大，尤其是面对大口径(百毫米以上)光束的准直取样，不仅其实现成本和技术难度难以接受，同时其取样精度也难以保证。
发明内容
为了克服上述现有准直取样方法的上述问题，本发明提供一种用于高功率激光装置的光路准直集成装置及准直方法，该装置具有集成化、模块化、结构简单和精度高的特点，能满足高功率激光装置对于大口径光束准直的监测需求。本发明的技术解决方案如下一种用于高功率激光装置的光路准直集成装置，其特点是该装置包括取样光栅、照明光源、导光单元、分光镜、近场监测单元和远场监测单元，上述元部件的位置关系如下在位于主激光光束光路上的空间滤波器的滤波小孔板前插入一块取样光栅，设置照明光源，该照明光源由发光二极管和准直透镜构成，当照明光源发出照明光束与主激光光束的入射角与所述的取样光栅满足一定关系时，所述的照明光束与主激光光束经所述的取样光栅产生的衍射光的方向相同；在所述的衍射光方向依次设置取样物镜和导向反射镜构成所述的导光单元，在该导向反射镜的反射光方向设置分光镜，该分光镜将入射的衍射光分为反射光束和透射光束，在所述的反射光束方向设置远场监测单元，该远场监测单元由远场成像目镜和远场CXD 构成，在所述的透射光束方向设置近场CCD，构成近场监测单元；
所述的远场监测单元、分光镜和导光单元组成的成像系统的物面位于所述的取样光栅上，利用所述的远场CCD对光栅面成像，用于监测主激光焦斑相对于远场基准的偏差， 实现远场监测；所述的近场监测单元、导光单元、取样光栅以及空间滤波器的输入透镜组成的近场成像系统的物面位于主激光光路的近场像传递面上。在所述的近场CXD之前还设置有反射镜。所述的取样光栅的四角区域具有中心对称的四个非刻蚀的圆形区。利用所述的用于高功率激光装置的光路准直集成装置对高功率激光装置的空间滤波器进行光路准直的方法，特征在于包括如下步骤①移入取样光栅，启动照明光源，发光二极管发出的光经准直透镜后形成平行照明光束，注入主激光束同时照明所述的取样光栅；②利用近场监测单元获取近场图像，利用计算机图像处理技术计算光束近场位置相对于近场基准的偏差(具体图像处理算法参见文献刘海波，Visual C++数字图像处理技术详解，机械工业出版社，2010. 6)，根据偏差量反馈调节近场反射镜使光束近场位置相对于近场基准的中心重合；③利用远场监测单元获取远场图像，利用计算机图像处理技术计算光束焦斑位置相对于远场基准的偏差(具体图像处理算法参见文献刘海波，Visual C++数字图像处理技术详解，机械工业出版社，2010. 6)，根据偏差量反馈调整远场反射镜使光束焦斑位置的中心和远场基准的中心重合；④多次重复步骤②、③，直到近、远场偏差值在误差允许的范围内，调整结束；⑤关闭照明光源，移出所述的取样光栅。本发明的技术效果是1、利用光栅的衍射作用，实现对光束近场和远场的同时取样，巧妙地复用了空间滤波器的输入透镜，有效提高了取样系统对主激光光束的近场分辨率和远场角分辨率，避免了取样系统中大口径、长焦距光学件的使用，极大地节省了装置所占空间及所需成本；2、同时，该发明实现了近、远场在光路中相同位置取样，可以方便地做成集成化、 标准化的准直模块。
图1是高功率激光装置典型放大链结构的光路示意中101-前级放大链，102-输出主激光，103-近场调整反射镜，104-远场调整反射镜，105-用于近场监测的漏光，106-近场监测单元，107-空间滤波器，108-放大器， 109-隔离器，110-下级近场调整反射镜，111-用于远场监测的漏光，112-远场监测单元， 113-下级远场调整反射镜，114-后级放大链。图2是本发明用于高功率激光装置的光路准直集成装置的光路示意中201-空间滤波器滤波孔板，202-取样光栅，203-照明光，204-照明单元， 205-主光路像传递面，206-空间滤波器输入透镜，207-主激光和照明光的衍射光，208-导光单元，209-分光镜(1053波段透射)，210-大部分主激光衍射光，211-全反镜，212-大部分主激光衍射光，213-近场成像单元，214-远场成像单元，215-绝大部分照明光衍射光和小部分主激光衍射光。
图3是本发明取样光栅202结构示意图。图中301、302、303、304为非刻蚀区，305为刻蚀区。图4是远场监测单元获取的模拟图像。图中401-404.上述非刻蚀区(301-304)对应的衍射光成像所得暗区，405-上述 4个暗区确定的远场基准，406-主激光焦斑，407-上述刻蚀区对应的亮区。图5是本发明近场和远场准直监测装置的详细说明图。图中501-照明准直透镜，502-发光二极管(LED)，503-取样物镜，504.-导光反射镜，505-近场CXD，506-远场CXD，507-远场成像目镜。图6是近场监测单元获取的模拟图像图中501-光束近场的位置标识，502-近场准直标识
具体实施例方式下面结合实例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。先请参阅图2和图5，图2是本发明用于高功率激光装置的光路准直集成装置的光路示意图，图5是本发明用于高功率激光装置的光路准直集成装置的详细示意图，由图可见，本发明用于高功率激光装置的光路准直集成装置，该装置包括取样光栅202、照明光源204、导光单元208、分光镜209、近场监测单元213和远场监测单元214，上述元部件的位置关系如下在位于主激光光束102光路上的空间滤波器107的滤波小孔板201前插入一块取样光栅202，设置照明光源204，当照明光源204发出照明光束203与主激光光束102的入射角与所述的取样光栅202满足一定关系时，所述的照明光束203与主激光光束102经所述的取样光栅202产生的衍射光的方向相同；在所述的衍射光方向依次设置取样物镜503和导向反射镜504构成所述的导光单元208，在该导向反射镜504的反射光方向设置分光镜209，该分光镜209将入射的衍射光分为反射光束215和透射光束210，在所述的反射光束215方向设置远场监测单元214，该远场监测单元214由远场成像目镜507和远场(XD506构成，在所述的透射光束210方向设置近场(XD505，构成近场监测单元213 ；所述的远场监测单元214、分光镜209和导光单元208组成的成像系统的物面位于所述的取样光栅202上，利用所述的远场(XD506对光栅面成像，用于监测主激光焦斑406 相对于远场基准405的偏差，实现远场监测；所述的近场监测单元213、导光单元208、取样光栅202以及空间滤波器107的输入透镜206组成的近场成像系统的物面位于主激光光路的近场像传递面205上。在所述的近场(XD505之前还设置有反射镜211。本发明的特点是1、所述的透射光束210只包含主激光102的衍射光，经全反镜211反射后进入由近场(XD505组成的近场监测单元213 ；2、所述的远场监测单元214、分光镜209和导光单元208组成的成像系统的物面位于取样光栅202上，利用远场(XD506对光栅面成像，用于监测主激光焦斑406相对于远场基准405的偏差，实现远场监测；近场监测单元213、反射镜211、导光单元208、取样光栅、 以及空间滤波器107的输入透镜206五者组成的近场成像系统的物面位于主激光光路的近场像传递面205上，利用远场(XD505监测主激光102在近场像传递面205上的横向相对位置，用于监测主激光近场光束的空间横向偏移；3、所述的取样光栅202通过选择性地在该取样光栅202的四角区域制作一套中心对称的非刻蚀区301，302，303，304，见图3，作为远场基准标识301，302，303，304 ；利用衍射光成像时，由于非刻蚀区301，302，303，304没有衍射作用，该区在图像上表现为暗区401， 402，403，404，见图4，刻蚀区存在衍射作用，该区表现为亮区407 ；对应四个暗区的对称中心405作为远场基准，该基准在光路中与滤波小孔201的中心重合；利用远场监测单元214 所获取的光束远场中心406与基准中心405的相对偏差值作为远场调节的反馈调节量，来调整光束远场中心406与远场基准中心405重合；4、利用近场监测单元213所获取的光束近场中心与近场基准的相对偏差值作为近场调节的反馈量，来调整光束近场位置501与近场基准502重合，见图5，主激光102在像传递面205处的近场位置由前级光路中的近场位置标识501确定，两个小圆中心对称中心即为光束近场中心，近场基准502也由两个小圆标示给出，近场调整的目标就是使该两对小圆的对称中心重合。上述装置的远场取样借用了空间滤波器输入透镜206的长焦特性， 将光束角度量放大为横向位置量，有效地提高了远场取样系统的角分辨能力；近场取样借用空间滤波器输入透镜206的大口径、大F数特点，与后级取样系统小口径透镜组合，构成近场成像系统，灵活地避免了原有近场取样技术面对大口径光路近场取样的难题。该装置能够实现在空间滤波器滤波孔板附近同时对光束的近场位置信息和远场指向信息的离轴取样，便于集合、封装，可做成光束准直的集成单元。利用所述的用于高功率激光装置的光路准直集成装置对高功率激光装置的空间滤波器进行光路准直的方法，特征在于包括如下步骤①移入取样光栅202，启动发光二极管502产生照明光束203，注入主激光束102 ；②利用近场监测单元213获取近场图像，利用计算机图像处理技术计算光束近场位置501相对于近场基准502的偏差，调整近场反射镜103使光束近场位置501相对于近场基准502的中心重合；③利用远场监测单元214获取远场图像，利用计算机图像处理技术计算光束焦斑位置406相对于远场基准405的偏差，调整远场反射镜104使光束焦斑位置406的中心和远场基准405的中心重合；④多次重复步骤②、③，直到近、远场偏差值在误差允许的范围内，调整结束；⑤关闭照明光源204，移出所述的取样光栅202。光栅取样中照明光衍射光与主激光衍射光的耦合的主要原理如下衍射角随入射光波长的变化关系为d(sin θ iisin θ k) = Κλ(1)式中，d为光栅常数，θ i为入射角度，θ k为衍射角度，K为衍射级次，λ为入射光波长。可见当两束不同波长的光入射时，可以通过调整各自的入射角使两束光同一级衍射光的衍射方向重合。当照明光的中心波长小于主激光波长时，就可以通过调节照明光的入射角度，使照明光的一级衍射光与主激光的一级衍射光重合，同时照明系统又不处于主光路中，利用这级衍射光成像，这样就可以在同一个成像系统中同时看到主激光焦斑与基准的图像，通过图像处理装置就可以得出两者的相对位置。
权利要求
1.一种用于高功率激光装置的光路准直集成装置，其特征是该装置包括取样光栅 (202)、照明光源(204)、导光单元(208)、分光镜(209)、近场监测单元(213)和远场监测单元014)，上述元部件的位置关系如下在位于主激光光束(10 光路上的空间滤波器(107)的滤波小孔板(201)前插入一块取样光栅002)，设置照明光源004)，该照明光源Q04)由发光二极管(50 和准直透镜 (501)构成，当所述的照明光源(204)发出的照明光束(203)的入射角与主激光光束(102) 的入射角和所述的取样光栅(20 满足一定关系时，所述的照明光束(20 与主激光光束 (102)经所述的取样光栅(20 产生的衍射光的方向相同；在所述的衍射光方向依次设置取样物镜(50 和导向反射镜(504)构成所述的导光单元008)，在该导向反射镜(504)的反射光方向设置分光镜009)，该分光镜(209)将入射的衍射光分为反射光束(21 和透射光束O10)，在所述的反射光束(21 方向设置远场监测单元014)，该远场监测单元014)由远场成像目镜(507)和远场CXD(506)构成，在所述的透射光束(210)方向设置近场CCD(505)，构成近场监测单元013)；所述的远场监测单元(214)、分光镜(209)和导光单元(208)组成的成像系统的物面位于所述的取样光栅(202)上，利用所述的远场CCD(506)对光栅面成像，用于监测主激光焦斑(406)相对于远场基准005)的偏差，实现远场监测；所述的近场监测单元013)、导光单元008)、取样光栅(20 以及空间滤波器(107)的输入透镜(206)组成的近场成像系统的物面位于主激光光束的近场像传递面(20 上。
2.根据权利要求1所述的用于高功率激光装置的光路准直集成装置，其特征是在所述的近场(XD(5(^)之前还设置有反射镜011)。
3.根据权利要求1所述的用于高功率激光装置的光路准直集成装置，其特征是所述的取样光栅O02)的四角区域具有中心对称的四个非刻蚀的圆形区(301、302、303、304)。
4.利用所述的用于高功率激光装置的光路准直集成装置对空间滤波器进行光路准直的方法，特征在于该方法包括如下步骤①移入取样光栅002)，启动照明光源004)，发光二极管(50 发出的光经准直透镜 (501)后形成平行照明光束003)，注入主激光束(102)同时照明所述的取样光栅O02)；②利用近场监测单元获取近场图像，利用计算机图像处理技术计算光束近场位置相对于近场基准的偏差，根据偏差量反馈调节近场反射镜使光束近场位置相对于近场基准的中心重合；③利用远场监测单元获取远场图像，利用计算机图像处理技术计算光束焦斑位置相对于远场基准的偏差，根据偏差量反馈调整远场反射镜使光束焦斑位置的中心和远场基准的中心重合；④多次重复步骤②、③，直到近、远场偏差值在误差允许的范围内，调整结束；⑤关闭照明光源004)，移出所述的取样光栅002)。
全文摘要
一种用于高功率激光装置的光路准直集成装置及准直方法，它是在空间滤波器小孔面附近放置一块刻有基准的透射光栅；用发光二极管和照明准直透镜产生的平行非相干照明光源，以特定角度照射透射光栅；把取样光路置于透射光栅的一级衍射光方向构成光束信息监测器，该光束信息监测器同时获取光束的近场和远场信息，光束信息检测器的输出接到计算机上，通过图像处理技术确定光束的近场和远场相对于各自设定位置的偏差值，根据各自的偏差值选择对应的近场和远场调整器件，调节光路准直。本发明具有集成化、模块化、结构简单和精度高的特点，能满足高功率激光装置对于大口径光束准直的监测需求。
文档编号G02B27/30GK102354055SQ20111035058
公开日2012年2月15日 申请日期2011年11月8日 优先权日2011年11月8日
发明者刘代中, 彭增云, 戴亚平, 曹兆栋, 朱俭, 朱宝强, 杨学东, 马伟新, 高妍琦 申请人:上海激光等离子体研究所