一种共孔径混合光束合成系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于强激光领域，特别是涉及基于偏振相关型双色镜和偏振合束器的共孔 径混合光束合成系统。
【背景技术】
[0002] 受限于热效应、非线性效应、高亮度泵浦技术等因素，单路激光的输出功率不可能 无限提升。为了克服单路激光功率提升的瓶颈，国内外研宄人员提出了光束合成技术，并且 已经应用到气体激光、化学激光、半导体激光、全固态激光等领域。
[0003] 目前，从合成方式上，光束合成技术大体可以分为三种：相干合成、非相干合成和 光谱合成；从合成形式上，光束合成技术可以分为分孔径合成（分孔径相干合成、非相干合 成）和共孔径合成（共孔径相干合成、光谱合成）两种形式。综合而言，相干合成技术（分 孔径、共孔径相干合成技术）对单路光束特性（线宽、偏振、功率一致型、波前分布等）的 要求要比非相干合成和光谱合成严格，且相干合成技术需要复杂的主动锁相或被动锁相过 程，因此其系统结构相对复杂、实现难度相对较大。此外，从系统稳定性而言，非相干合成和 光谱合成的系统稳定性优于相干合成。然而，与非相干合成相比，光谱合成又体现出一些特 有的优势。具体而言，非相干合成技术从理论上只能提升整个系统的输出功率，而无法提升 系统的亮度，而光谱合成技术在提升系统输出功率的同时，整个系统的亮度也会随之提升。 因此，从合成系统的亮度提升能力、实现方式的复杂性、稳定性等各方面综合考虑，光谱合 成技术具有其独特的优势。实际上，随着光栅等色散元件设计制作工艺的不断提升，光谱合 成作为一种重要的共孔径合成方式，目前已经得到了迅猛的发展。以光纤激光光谱合成的 发展历程为例：从2006年至2014年，光纤激光光谱合成已经实现了从十瓦级到万瓦级的 飞跃。值得注意的是：目前高功率的光谱合成系统大都基于光栅（体布拉格光栅或电解质 光栅）进行光谱合成。由于光栅本身对入射光束波长具有一定的要求，因此，基于光栅的光 谱合成系统对单路光源的谱宽要求相对较高，限制了其应用范围。具体而言，对于电介质光 栅，由于入射激光波长需要满足光栅衍射方程，因此，单路光源的谱线展宽会导致光束质量 的退化 ]。而对于体布拉格光栅而言，由于入射的激光波长需要满足布拉格条件，因此，单路 光源谱线的展宽会导致合成效率的降低；与光栅相比，采用双色镜进行光谱合成时，由于没 有采用光栅进行光谱合成理论上的局限性，因此，通过合理的镀膜设计，谱线的适当展宽并 不会引起合成效率的降低和光束质量的退化。然而，完全采用双色镜进行光谱合成，谱线展 宽必然会导致可合成路数的减少。此外，对于双色镜本身而言，要想实现完全的偏振非相关 (即s光和P光的反射-透射谱完全一致），在工程实现上具有很大的难度。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术采用光栅和双色镜进行光谱合成的不足，本发明的目的是提供一种 共孔径混合光束合成系统，以解决采用光栅进行合束时谱线展宽引起的合成效率降低或光 束质量退化，弥补采用单纯双色镜进行光谱合成时路数拓展受限等不足，实现多链路的共 孔径光束合成。
[0005] 一种共孔径混合光束合成系统，该系统是基于偏振相关型双色镜和偏振合束器的 共孔径混合光束合成系统，首先对本发明所用关键器件特性进行说明：
[0006] 本发明中：设所采用的偏振相关型双色镜对s光和p光的透射谱如附图1所示； 其中，通过镀膜设计，将s光的透射谱范围设计到λ 3~λ 6，将p光的透射谱设计到 λ 7;考虑到实际镀膜的不理想，设p光透射谱短波的下降沿为λ ，其长波的下降沿为 λ 7-λ 5，同理，设s光透射谱短波的下降沿为λ 4-λ 3，其长波的下降沿为λ 6-λ 5。设s光 和P光的透射谱分布为Τ，若不考虑镀膜和基质材料本身的吸收，则s光和ρ光的反射谱分 布（用R表示）为R = I-T ;值得注意的两个核心问题是：（1)在本发明中，s光和ρ光的 反射-透射谱不是完全重叠的；具体而言，其透射谱在λ4~λ 5之间完全重叠，反射谱在 Atl~λ ρ λ7~λ 8之间完全重叠；这种偏振相关型双色镜的膜系设计大大降低了完全偏 振非相关双色镜的镀膜设计难度和加工制作难题；此外，与光栅光谱合成和偏振非相关双 色镜光谱合成相比，这种膜系设计大大降低了对入射光束角度的严格要求；在本发明的具 体实施方式部分，会详细说明如何利用s光和ρ光膜系之间的差别拓展合成路数；（2)对于 偏振相关型双色镜而言，其透射-反射谱的整体分布会随着入射角度的变化沿长波或短波 方向移动，这种特性是实现多路光谱合成的基础。
[0007] 本发明中偏振合束器的中心波长和带宽选择根据参与偏振合成的两路激光的光 谱分布决定；就目前技术水平而言，偏振合束器的带宽可以达到80-100nm，完全能够满足 本发明技术方案的需求；
[0008] 本发明中所用偏振合束器的形状不限，可以是片状结构，也可以是立方结构；偏振 合束器的材料有多种选择，可以是熔石英材料、K9材料、钒酸钇、方解石、偏硼酸钡等不同晶 体材料；本发明中偏振相关型双色镜的材料有多种选择，可以是熔石英、K9材料等。
[0009] 本发明一种共孔径混合光束合成系统，该系统是基于偏振相关型双色镜和偏振合 束器的共孔径混合光束合成系统，该系统包括四种实现方案。下面对四种实现方案详细叙 述：
[0010] 技术方案一：
[0011] 一种共孔径混合光束合成系统，该系统是基于偏振相关型双色镜和偏振合束器 的共孔径混合光束合成系统，该系统首先基于偏振合束器进行偏振合成，再利用偏振相关 型双色镜进行谱合成的共孔径混合光束合成，该系统包括偏振合成阵列模块和光谱合成模 块；
[0012] 所述的偏振合成阵列模块包括N个偏振合成子模块；每个偏振合成子模块中包含 两路偏振态分别为s偏振和ρ偏振且两偏振方向垂直的光束和一个偏振合束器；N个偏振 合成子模块分别对应于N个不同中心波长的激光L li，其中i = 1、2…N;
[0013] 所述的光谱合成模块包括N-I个偏振相关型双色镜和若干个全反镜组合件，全反 镜组合件的个数根据具体光轴调节所需确定；N-I个偏振相关型双色镜实现对偏振合成阵 列模块1输出的N束不同中心波长激光的光谱合成；偏振相关型双色镜对s光和ρ光的反 射-透射谱根据偏振合成阵列模块1输出的N路光束的中心波长和入射角度确定；全反镜 组合件用来调节各个不同波长激光注入到相应偏振相关型双色镜上的角度，完成高效的光 谱合成；
[0014] 参与整个合成的激光光源包括N路偏振态为s偏振、中心波长分别为Lli的激光光 源，N路偏振态为p偏振、中心波长分别为L li的激光光源；偏振合成阵列模块1包括N个偏 振合成子模块，分别对应于N个不同中心波长的激光Lli;对于任意一个偏振合成子模块，通 过一个偏振合束器将两路偏振方向分别为s偏振和p偏振的光束合成为一束激光；这样， 由N个偏振合成子模块构成的偏振合成阵列模块首先对2N路光束实现了偏振合成；经过 偏振合成后，各个偏振合成子模块输出激光的偏振态为s+p的混合态；经过偏振合成阵列 模块后，根据N路偏振合成后激光的光谱分布，设计不同入射角度下偏振相关型双色镜的 透射-反射谱；利用全反镜组合件对N路激光注入到相应偏振相关型双色镜上的角度进行 调节，采用N-I个不同角度分布的偏振相关型双色镜，完成对N路偏振合成后激光的光谱合 成，最终将2N路光束合成为一束激光输出。
[0015] 技术方案二：
[0016] 一种共孔径混合光束合成系统，该系统是基于偏振相关型双色镜和偏振合束器的 共孔径混合光束合成系统，该系统首先基于多个偏振相关型双色镜进行光谱合成，再利用 偏振合束器进行偏振合成，系统包括一级光谱合成模块、偏振态旋转模块、二级光谱合成模 块、全反镜组合件、偏振旋转器和偏振合束器；
[0017] 一级光谱合成模块包含两个一级光谱合成子模块；第一一级光谱合成子模块包含 M个光谱合成子系统，第二一级光谱合成子模块包含K个光谱合成子系统；每个光谱合成子 系统中均包含X路不同中心波长的s偏振激光，这样，对于整个合成系统而言，参与合成的 总激光路数H = MXX+KXX ;H路s偏振激光的中心波长选择根据偏振相关型双色镜的透 射-反射谱确定；对于每一个光谱合成子系统，通过利用偏振相关型双色镜的s光透射-反 射谱，完成一级光谱合成；
[0018] 经过一级光谱合成模块后，H路s偏振的激光光束合成为M+K路s偏振的激光束； 通过偏振态旋转模块对各路光束的偏振态进行调整，将M+K路s偏振的激光转变为M+K路p 偏振的激光；所述的偏振态旋转模块包括两个偏振旋转子模块，第一偏振旋转子模块和第 二偏振旋转子模块；对于两个偏振旋转子模块，又分别包含M个和K个偏振旋转器，第一偏 振旋转子模块对第 级光谱合成子模块输出的M路光束的偏振态进行调整，第二偏振旋 转子模块对第二一级光谱