转轴反射式脉冲激光合束器及脉冲合束激光系统的制作方法

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种转轴反射式脉冲激光合束器及脉冲合束激光系统。

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“一种脉冲激光合束方法”(公开号：201210078189.7)，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克服现有脉冲时序合束中存在的需要透射型元件难以适应高功率激光的不足或者其他合束方法对合束后的光束质量产生影响的缺陷，而提出一种转轴反射式脉冲激光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：

一种转轴反射式脉冲激光合束器，包括一只旋转的转轴和固定在转轴上的若干只反射镜，转轴的轴心线与合束后的输出光束平行设置，反射镜沿转轴的轴心线方向间隔排布，且沿转轴轴线为中心的外圆方向错位排布；按照设定时序发射的多束脉冲激光经对应的不少于一只的反射镜反射，并在空间合束后沿输出光路出射。

进一步地，上述转轴反射式脉冲激光合束器中，反射镜依靠支杆或空心转筒结构固定在转轴上。

进一步地，上述转轴反射式脉冲激光合束器中，所述反射镜的镜面为部分圆锥面，所述的圆锥面以转轴的轴心线为回转轴线。

进一步地，上述转轴反射式脉冲激光合束器中，圆锥面的锥角为30-60°。

进一步地，上述转轴反射式脉冲激光合束器中，圆锥面的锥角为45°。

进一步地，上述转轴反射式脉冲激光合束器中，反射镜与转筒一体化成型加工，镜面采用金刚石车床镜面抛光。

进一步地，上述转轴反射式脉冲激光合束器中，转筒或转轴上设置有若干配重块或减重孔。

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i×n只反射镜，脉冲激光器按照设定的时序出射激光，入射至反射镜形成合束激光出射，所述的折返镜为抛物面反射镜，其中n为大于1的正整数，i为正整数。

进一步地，还包括n只折返镜脉冲激光器经过折返镜折返后入射至反射镜。

本发明的有益效果：

1、本发明通过在转轴上设置若干只沿转轴轴向和周向方向间隔错位排布的圆锥面反射镜，反射镜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质量的前提下，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，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；

2、本发明通过将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，热容易传至空心转筒导出或便于采用多种热管理措施，提高反射镜的耐受激光能力，特别适用于大功率、长时间出光的情况，且可以通过改变转轴的转速来实现高重频的脉冲激光合束；

3、本发明采用金属基底上直接机械倒角加工圆锥面的方式制造反射镜，可采用金刚石车床直接加工而成，具有加工简单、表面光洁度高、应用可靠，工程化实施容易等特点；

4、本发明采用专用的抛物镜作为折返镜实现入射激光与圆锥面反射镜之间的匹配耦合，匹配圆了锥面反射镜的光学特性，从而确保了入射激光束和合束后的激光束在横截面形状保持一致。

附图说明

图1是本发明脉冲合束器的工作原理及思路示意图；

图2是本发明合束前n只脉冲激光的时序图；

图3是图2脉冲合束后激光的输出功率示意图；

图4是本发明第一种实施例的反射镜移位原理示意图；

图5是本发明转轴反射式合束器的三维结构示意图；

图6是图5合束器的剖视图；

图7是涂5合束器的侧视图；

图8为本发明转轴式合束器的合束原理示意图；

图9为本发明反射镜重叠时的转筒侧视图；

图10为本发明多组反射镜的转轴反射式合束器结构示意图；

图11为本发明圆锥面反射镜及相匹配的折返镜在垂直于转轴方向结构示意图；

图12为本发明圆锥面反射镜及相匹配的折返镜在平行于转轴方向结构示意图；

图13为本发明脉冲合束激光系统组成示意图。

附图标记为：1—移位装置，2—反射镜，21—空心转筒，22—镜体，23—转轴，24—镜面，25—折返镜，3-移镜方向，30—激光器，31—入射激光束，32—出射激光束，33—聚焦光斑，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；。

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1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，本发明的第一种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。

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，从原理上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，但是受到反射镜重量和尺寸的限制，在移动中由于器件和运动机构的惯性作用，无法快速地往复运动，故目前只能用于hz级低重频脉冲激光的合束要求。

为了满足高重频激光的合束要求，实现高平均功率的激光输出。本发明给出了第二种实施方式，即转轴式合束器。如图5-7所示，本发明的移位装置1为轴线方向与输出光路4平行的转轴23，反射镜2依靠支杆或空心转筒结构固定在转轴23上，多只反射镜2在沿转轴23的轴心线方向上间隔排布，且沿转轴轴线为中心的外圆方向错位排布。

图5-7中只给出了反射镜2依靠空心转筒固定在转轴上的结构。图中反射镜2通过镜体22固定在转筒21外圈上，n只反射镜2沿转筒21的轴线方向间隔排布，同时沿转筒21的外圆方向错位排布，反射镜2的镜面24不再是实施例一中的平面，而是一段以转轴23轴心线为回转轴线的圆锥面的一部分。圆锥的锥角为30-60°，优选45°。这是因为通过理论分析表明，如果反射镜的反射面为平面，则在转动过程中会发生光束扩散，影响到合束后的光束质量。

如图8所示，当转筒21高速旋转时，每只反射镜2依次通过输出光路4，此时对应的激光器输出光脉冲，等该反射镜移动转出输出光路4时，光脉冲停止；此时另一只反射镜转动进入输出光路4，对应的激光器输出光脉冲，依次类推，最终实现n只激光的合束输出，并循环往复，实现下一组脉冲序列的输出。由于反射镜2错位排布在转筒21的外圆方向，因而并不会阻挡后面的脉冲激光的合束输出。图8中显示的是1#反射镜处在输出光路4的情形，同样转筒21转到另一个位置时1#反射镜移出输出光路4，2#反射镜则进入光路，依次类推……，只要激光脉冲时序匹配，即可完成激光的空间合束输出。反射镜2在错位排布时，相邻的反射镜2可以有少许重叠，如图9所示，此时只要控制脉冲激光的时序，仍可以达到脉冲激光合束效果。

在实际加工时，反射镜可采用机械加工倒角的方式，由金刚石车床在金属或非金属的镜体22上镜面抛光而成，根据需要在镜面上镀反射膜以延缓镜面的氧化，实现反射镜的长期工作。反射镜2可以和转筒21一体化加工而成，这样的目的在于可保证反射镜2的面型精度和安装精度，从而确保反射后的光束质量，而且利于散热，适用于高功率和长时间的激光出光。也可以加工后采用支杆将反射镜2固定在转轴23上的方式，此外转轴23或转筒21上设置有若干配重块或减重孔，使得转轴转动惯量平衡，减小高速转动时带来的振动。

如图10所示，反射镜2可采用一组，也可以采用多组结构，图10与图5的区别在于，在同一只转筒上，图5布置了六只反射镜2，呈单螺旋线形状分布；而图10布置了十二只反射镜2，呈双螺旋线形状分布。也就是说，在转轴转动一周时，会有两只反射镜与同一只激光器相对应。这样的目的在于减小机构的转动速率，或满足高重频激光的合束要求，只要脉冲时序匹配得当，即可实现正常的脉冲激光合束。

如图11和图12所示，由于实施例二中的镜面24为圆锥面，当光束横截面为圆形的激光束入射至圆锥面的镜面24时，会造成垂直于转轴中心线方向的光斑发生扩散，而平行于转轴中心线方向的光斑不发生扩散，相当于锥角方向进行了镜面折返，比如45°镜面只是进行了方向变化，并不发生扩束或缩束。

为了克服这个问题，在激光器出口与反射镜2之间增加了折返镜25，每只激光器对应一只折返镜25，对入射至反射镜的激光光束参数进行校正，使得入射至折返镜25的光束截面参数与经合束器合束后的光束截面参数相一致，该折返镜25采用异形的抛物面结构，具体结构参数需要根据入射光束的光斑参数和反射镜2的参数经过光学设计后确定。

图13给出了脉冲合束激光系统的组成原理图，由于折返镜25固定在激光器30出口，并不随转轴转动，因此可以通过设置的多维光学调节架对折返镜25进行精确调节后，实现对合束光束的校正，同时系统便于在垂直于合束光束方向布局实施，使得整个系统结构紧凑，实现更多脉冲激光的合束。