一种多光束合束器的制作方法

本发明涉及光束合成技术领域，具体是一种级联型多光束合束器，可用于合成孔径成像等其他需要进行阵列光束合成的领域。

背景技术：

通过对阵列光束进行光束合成，是突破单束激光功率限制，提升总的激光功率的有效途径。光束合成就是实现单元光束的高效拼接，其目的是提高合成光束的能量集中度。光束合束器是实现光束合成的关键器件，其主要功能是减小光束之间的间距，提升阵列光束的占空比。

现有的多光束合束器能够合成的光束数量相对较少，通常为7路(正六边形排布)或9路(正方形排布)，若想实现更多光束参与合成，结构上非常复杂，难于实现。

技术实现要素：

本发明提供一种多光束合成器，用于克服现有技术中大数量光束合成器结构复杂、难于实现等缺陷，实现大数量光束合成，且简化合成器结构，易于实现，方便调节。

为实现上述目的，本发明提供一种多光束合成器，至少包括：

入射光束阵列，包括若干平行的入射光束，在垂直于所述入射光束的平面上，入射光束按照从中心到边缘逐层阵列，每层光束在垂直平面上均排列呈封闭形状；

一级合成装置，包括一级支撑板及安装在所述一级支撑板上的一级合成单元，所述一级合成单元用于将经过与中心光束相邻且包围所述中心光束的第一层光束在径向上压缩，以聚集在所述中心光束周围；

二级合成装置，包括二级支撑板及安装在所述二级支撑板上的二级合成单元，所述二级合成单元用于将经过与第一层光束相邻且包围所述第一光束的第二层光束在径向上压缩，以聚集在所述第一层光束周围；

所述一级支撑板、二级支撑板均与入射光束阵列垂直设置；

所述一级合成单元、二级合成单元均包括：

数量与所述第一层光束或第二层光束数量相同的外反射镜面，固定在所述一级支撑板或二级支撑板上，并围绕所述一级支撑板或二级支撑板的中心孔布置；且所述中心孔与所述中心光束的中心重合；

数量与所述外反射面数量相同的内反射镜面，固定在所述一级支撑板上或二级支撑板上，并围绕所述一级支撑板或二级支撑板的中心孔布置；且在径向上位于外反射镜面与中心孔之间。

本发明提供的多光束合成器，入射光束阵列也可经与其对应的准直器阵列准直后，其中，靠近中心光束(也可经中心光束准直器准直)的第一层光束(也可经第一层光束准直器准直)经一级合成装置后，在径向上向中心光束移动，以缩小第一层光束与中心光束在径向上的距离，减小局部占空比；同样，经二级合成装置将第二层光束(也可经第二层光束准直器准直)在径向上向第一层光束移动，以缩小第二层光束与第一层光束在径向上的距离，减小局部占空比；通过多级合成装置，将逐层排列的光束一层一层聚集在中心光束周围，从而减小光束之间的间距，提升阵列光束的占空比；此外，本方案中通过每级合成装置对应将每层阵列光束进行聚集，而每级合成装置的结构相同，不会因为级数的多而带来结构上的变化，故而可将大数量包括百、千、万数量级的光束进行合束，相对于现有技术，本发明在结构上能够实现大数量光束的合成，大大提高了合成光束的能量集中度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的多光束合束器的原理图；

图2为本发明具体实施例一提供的反射式级联型多光束合束器的立体图；

图3为图2中光束准直器阵列的主视图；

图4为图3的右视图；

图5为图2中一级合成装置的主视图；

图6为图5的右视图；

图7为图5中内结构件的主视图；

图8为图7的右视图；

图9为图2中二级合成装置的右视图；

图10为图9中内结构件的主视图；

图11为图10的右视图；

图12为图2中三级合成装置的右视图；

图13为图12中内结构件的主视图；

图14为图13的右视图；

图15为本发明具体实施例二提供的透射式级联型多光束合束器的立体图；

图16为图15中一级合成装置的立体图；

图17为图16中一级支撑板的主视图；

图18为图15中二级合成装置的立体图；

图19为图18中二级支撑板的主视图；

图20为图15中三级合成装置的立体图；

图21为图20中三级支撑板的主视图；

图22为图15中形成一级合成装置、二级合成装置及三级合成装置的棱形光束透射体的主视图；

图23为图22的右视图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

实施例

如附图1所示，一种多光束合束器，至少包括：光束准直器阵列0和n级光束合成装置，n为大于1的整数。例如包括：一级合成装置1、二级合成装置2；

参见图3、图4，光束准直器阵列0，包括若干光束准直器0-1、用于为光束准直器0-1提供安装支撑的在准直器支撑板0-0、多个倾斜调节架0-2用于调节光束准直器0-1角度、位置，并按照从中心到边缘逐层阵列，每层光束准直器在所述准直器支撑板0-0上均排列呈封闭形状；每层光束准直器在所述准直器支撑板0-0上均排列呈正多边形或圆形；为提高最终光束聚集的集中度，每层光束准直器的阵列形状大致相同或相似，如果相邻两光束准直器之间采用直线连接，则形成正多边形，正多边形的边数与光束准直器阵列的数量相同，由内到外每层的参与阵列的光束准直器的数量越来越多，也可以按照一定的规律进行设置；如果相邻两光束准直器之间采用弧线连接，例如形成同心圆形或同心椭圆形；

准直器支撑板0-0为圆形板，直径为：d0＝(2n+1)l，l为相邻准直器之间的最短距离；其中一个准直器0-1位于准直器支撑板0-0的圆心；其余准直器0-0等间距安装于以准直器支撑板0-0的圆心为圆心、以nl为半径的圆周上，n为1到n的整数；第n个圆周上的准直器数目kn满足：2nsin(π/kn)＞＞1＞＞2nsin[π/(kn+1)]，n为1到n的整数。典型值：k1＝6，k2＝12，k3＝18；

参见图5、图6、图16、图17，一级合成装置1包括一级支撑板1-0及安装在所述一级支撑板1-0上的一级合成单元，所述一级合成单元用于将经过与中心光束准直器100相邻且包围所述中心光束准直器100的第一层光束准直器100a输出的第一层光束100a’在径向上压缩，以形成在所述中心光束准直器100输出的中心光束100’周围；

参见图7、图8、图18、图19，二级合成装置2包括二级支撑板2-0及安装在所述二级支撑板2-0上的二级合成单元，所述二级合成单元用于将经过与第一层光束准直器相邻且包围所述第一光束准直器100a的第二层光束准直器100b输出的第二层光束100b’在径向上压缩，以形成在所述第一光束准直器100a输出的第一层光束100a’周围；

所述准直器支撑板0-0、一级支撑板1-0、二级支撑板2-0均平行设置；所述准直器支撑板0-0、一级支撑板1-0、二级支撑板2-0为正多边形或圆形；

一级合成单元包括：

数量与所述第一层准直器100a数量相同的外反射镜面5，固定在所述一级支撑板上1-0；并围绕所述一级支撑板的中心孔布置；且所述一级支撑板的中心孔与所述准直器支撑板上的中心光束准直器的中心重合；

数量与所述外反射面5数量相同的内反射镜面5’，固定在所述一级支撑板1-0上，并围绕所述一级支撑板的中心孔布置；且在径向上位于外反射镜面5与一级支撑板的中心孔之间；

二级合成单元包括：

数量与所述第二层准直器100b数量相同的外反射镜面5，固定在所述二级支撑板2-0上；并围绕所述二级支撑板的中心孔布置；且所述二级支撑板的中心孔与所述准直器支撑板上的中心光束准直器的中心重合；

数量与所述外反射面数量相同的内反射镜面5’，固定在所述二级支撑板2-0上，并围绕所述二级支撑板的中心孔布置；且在径向上位于外反射镜面5与二级支撑板的中心孔之间；

内反射镜面5’可以设置为一个整体结构，外反射镜面5单独设置，有利于安装过程中的调整；还可以将一组外反射镜面5和内反射镜面5’设置为一个整体构件，作用同上，也有利于安装过程中的调整，均可通过多级合成装置的级联设置，能够实现大数目光束的有效合成、结构紧凑、易于实现、光路调节方便。通过多级光束合成装置，能够实现大数目光束的高占空比光束拼接。该合束器设计方法原理简单、实现方便、结构紧凑，适用于阵列光束合成、合成孔径等需要提升阵列光束占空比的应用领域。

优选的，所述一级支撑板1-0位于所述准直器支撑板0-0与所述二级支撑板2-0之间，所述第一支撑板的中心孔用于供经中心光束穿过；

所述第二支撑板的中心孔用于供经一级合成装置后聚合的第一层光束穿过。这种结构能够缩小多光束合成器的体积，结构紧凑，有效利用空间。

优选地，为进一步提高参与合成的光束的数目，还包括：

三级合成装置3，包括三级支撑板3-0及安装在所述三级支撑板上的三级合成单元，所述三级合成单元用于将经过与第二层光束准直器100b相邻且包围所述第层二光束准直器100b的第三层光束准直器100c输出的第三层光束100c’在径向上压缩，以形成在所述第二层光束准直器100b输出的100b第二层光束100b’周围；

所述三级支撑板3-0与所述准直器支撑板0-0、一级支撑板1-0、二级支撑板2-0均平行设置；且在轴向上所述准直器支撑板0-0、一级支撑板1-0、二级支撑板2-0及三级支撑板3-0顺次排列；

所述三级合成单元包括：

数量与所述第三层准直器100c数量相同的外反射镜面5，固定在所述三级支撑板上3-0；并围绕所述三级支撑板的中心孔布置；且所述三级支撑板的中心孔与所述准直器支撑板上的中心光束准直器100的中心重合；

数量与所述外反射面数量相同的内反射镜面5’，固定在所述三级支撑板3-0上，并围绕所述三级支撑板的中心孔布置；且在径向上位于外反射镜面5与三级支撑板的中心孔之间。

再次参见图1，首先，经第一层光束准直器100a输出的第一层光束100a’先经外反射镜面5反射后改变方向(优选由轴向改变为径向)，在径向上向中心光束100’靠近，在中心光束100’周围经内反射镜面5’再次改变方向(由径向改变为轴向)，使得第一层光束100a’聚拢在中心光束100’周围，完成第一层光束100a’的合成；然后，经第二层光束准直器100b输出的第二层光束100b’先经外反射镜面5反射后改变方向(优选由轴向改变为径向)，在径向上向第一层光束100a’靠近，在第一层光束100a’周围经内反射镜面5’再次改变方向(由径向改变为轴向)，使得第二层光束100b’聚拢在第一层光束100a’周围，完成第二层光束100b’的合成；最后，经第三层光束准直器100c输出的第三层光束100c’先经外反射镜面5反射后改变方向(优选由轴向改变为径向)，在径向上向第二层光束100b’靠近，在第二层光束100b’周围经内反射镜面5’再次改变方向(由径向改变为轴向)，使得第三层光束100c’聚拢在第二层光束100b’周围，完成第三层光束100c’的合成。

根据需要还可设置四级以上的合成装置，以实现更大数目光束的合成。

根据光束合成装置的不同，有另种实现方式，分别是反射式级联型多光束合束器和透射式级联型多光束合束器。

优选实施例一

参见图2-图14，本实施例公开一种反射式级联型多光束合束器，在上述实施例的基础上，所述一级合成单元、二级合成单元、三级合成单元均包括若干(与外反射镜面5数量相同)可调基体，每个所述可调基体均包括：

可调基座7，安装在所述第一支撑板或第二支撑板或第三支撑板上背离所述准直器支撑板0-0的一面，在设置有供所述光束准直器输出光束穿过的中心孔；

镜面安装板，一端铰接在可调基座7上，另一端通过可调螺柱安装在所述可调基座7上，以调节所述镜面安装板与所述可调基座7的倾斜角度；所述外反射镜面5安装在所述镜面安装板靠近所述可调基座7的一面。

每一级光束合成装置n均包含：第n支撑板n-0，kn个45度外反射镜面5(为高反射镜，反射率大于99％)，一个正kn棱台6-n(本实施例中：一级合成装置中包括正六棱台6-1、二级合成装置中包括正12棱台6-2、三级合成装置中包括正十八棱台6-3)，kn+1个可调基座7，n为1到n的整数，内反射镜面5’集成在正kn棱台6-n的侧面上，正kn棱台6-n通过一个可调基座7安装在第n支撑板n-0上，以调节正kn棱台6-n与第n支撑板n-0或与外反射镜面5的角度。

第n支撑板n-0为环形板，外圆直径为dn＝(2n+1)l，内圆直径大于等于(2n-1)d，d为光束直径。在以nl为半径的圆周上打kn个通光圆孔，圆孔直径大于等于光束直径d。

正kn棱台6-n位于第n支撑板n-0的中心；

kn个45度外反射镜面5等间距排列于以第n支撑板n-0的圆心为圆心、以nl为半径的圆周上；镜面与支撑板成45度角。

正kn棱台6-n和45度外反射镜面5和第n支撑板n-0之间可以安装可调基座7，便于对正kn棱台6-n和45度外反射镜面5的倾斜角度进行调节。

可调基座7为圆形中空结构，安装45度外反射镜面5的可调基座7的空心直径大于等于d，安装正kn棱台6-n的可调基座7的空心直径大于等于(2n-1)d。

正kn棱台6-n的高度等于d，侧面与底面夹角为45度，顶面为正kn边形，其内接圆直径hn＝(2n-1)d。

为了便于其他光束透过棱台，可以以正kn边形的内接圆为基准，在棱锥上打通孔；也可以正棱锥的顶部或底部镀增透膜。

优选地，所述可调基座7包括：

底座，可拆卸地安装在第n支撑板上，包括所述第一支撑板1-0、第二支撑板2-0和第三支撑板3-0等；

旋转架，旋转连接在所述底座上，所述镜面安装板一端铰接在所述旋转架上；所述可调螺柱可操作的一端与所述镜面安装板旋转连接，另一端与所述旋转架螺纹连接；

外镜面限位机构，安装在第n支撑板上(包括所述第一支撑板1-0、第二支撑板2-0和第三支撑板3-0等)朝向所述准直器支撑板0-0的一面，用于限定所述旋转架与所述底座之间的相对转动。

正kn棱台6-n，通过可调基座7旋转安装在第n支撑板上背离所述准直器支撑板0-0的一面，棱台的每个侧面上安装有一个内反射镜面5’，侧面与中心轴之间呈45°角；

内镜面限位机构，安装在第n支撑板上朝向所述准直器支撑板0-0的一面，用于限定所述正kn棱台6-n与第n支撑板之间的相对转动。结构参照外镜面限位机构，例如通过沿光束轴线设置的调节螺柱与旋转架的抵触实现限位。

优选实施例二

本实施例提供一种透射式级联型多光束合束器，参见图15，每一级光束合成装置n均包含：第n光束合成支撑板n-0，kn个棱形光束透射体8-n：本实施例中为三级级联，n＝3。

参见图16-21，所述一级支撑板1-0、二级支撑板2-0、三级支撑板3-0的中心位置均设有中心孔，一级棱形光束透射体8-1围绕所述一级支撑板1-0的中心孔沿径向呈辐射状布置，二级棱形光束透射体8-2围绕所述二级支撑板2-0的中心孔沿径向呈辐射状布置，三级棱形光束透射体8-3围绕所述三级支撑板3-0的中心孔沿径向呈辐射状布置；

所述棱形光束透射体两端具有倾斜端面，两倾斜端面平行，并与所述棱形光束透射体长度方向呈45°角，两所述倾斜端面上均设置有反射膜，其中靠近所述中心孔的倾斜端面形成内反射镜面5’，远离所述中心孔的倾斜端面形成外反射镜面5；

所述棱形光束透射体8-n嵌设在所述一级支撑板1-0、二级支撑板2-0、三级支撑板3-0上。棱形光束透射体8-n与第n支撑板之间的连接关系为固定连接，具体的方式包括胶粘，也可以通过机械结构连接。

第n光束合成支撑板n-0为环形板，外圆直径为dn＝(2n+1)l，内圆直径等于en＝2nd，d为光束直径。沿圆周方向均匀打kn个长方形孔，长方形孔宽为d，一个短边与支撑板边沿距离为(l-d)/2，另一个短边与圆心重合。棱形光束透射体长宽均为d，高为fn＝nl+(n-1)d。在棱柱的顶端和低端分别切一个45度角的斜面，在低端的斜面上切一个直径为d的半圆面。

本实施例相对于优选实施例一的区别在于，光束在径向上的传输是在棱形光束透射体8-n内部透射完成的，结构更为简单，但是内、外反射镜面角度不能调整，对于安装和结构要求较高，但仅涉及到长方形孔与棱形光束投射体的安装，内、外反射镜面的配合通过对棱形光束透射体两端的倾斜端面的加工精度进行控制，相对容易实现，为提高安装要求，可以在配合结构上进行改进，例如：将棱形光束透射体固定在调节架上，便于通过对棱形光束透射体的位置进行调节以达到对合成光束进行调节的目的。

优选地，为方便安装，所述棱形光束透射体为四棱柱，其中三个侧面为矩形，一个侧面在靠近所述中心孔的一端呈半圆形。半圆形的边缘使得输出的光束排布更为紧密。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。