一种大口径激光系统及其光束质量诊断方法与流程

1.本发明属于高能激光技术领域，更具体地，涉及一种大口径激光系统及其光束质量诊断方法。


背景技术：

2.高能激光系统在激光毁伤、激光传能、激光通信等需远距离激光传输中得到广泛应用。高能激光系统主要由激光源装置、激光发射装置、能源管控装置等组成，其工作原理为激光源装置发射小口径准直光束，经激光发射装置的中继镜组件进行光路空间折转，进入望远镜组件进行扩束发射和变焦调节后大口径定向发射。为适应湿热、盐雾、霉菌、灰尘等恶劣环境，在激光源装置、激光发射装置末端安装窗口镜实现分段密封、洁净控制和内环境防护，保障高能激光系统的正常运行。
3.目前高能激光系统发射功率已达到数十千瓦甚至数百千瓦级，发射口径也达到米级大口径。光束质量是激光系统重要的技术指标之一，直接决定激光系统远距离传输后激光的聚焦能力。光束质量表征输出激光的光束质量偏离同一条件下理想光束质量的程度，定义为输出激光远场发散角与理想光束衍射极限角的比值：其中，θ1为输出激光远场发散角，θ0为理想光束衍射极限角， ， 。d
83.8%
为输出激光环围功率比83.8%的远场光斑直径，d为与输出激光对应的理想光束近场光束直径，λ为输出激光波长，f为测试装置等效焦距。
4.目前大口径激光系统发射光束质量的测试方法主要为相机测试法和靶斑仪测试法。相机测试法为输出激光经大口径楔镜衰减取样后进入大口径平行光管，采用相机在焦面处测试聚焦后的光斑尺寸，计算获得发射光束质量。靶斑仪测试法为在数百米至数千米处设置靶斑仪，输出激光经大气传输后到达靶斑仪测试到靶激光的光斑分布，同时经大气测量设备获取传输通道上的大气相干长度和大气能见度，计算获得激光系统发射功率和发射光束质量。
5.上述方法存在一定局限性，相机测试法需在激光系统外部架设大口径、高平面度取样楔镜和大口径平行光管，靶斑仪测试法需要测试场地具备长距离激光传输通道和靶斑仪等设备，均需要在外部测试条件及设备完备的基础上开展测试，这些测试系统与大口径激光系统无法集成，同时也无法实现发射激光光束质量在线诊断和实时监测。


技术实现要素：

6.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供如下技术方案：一种大口径激光系统，包括：激光源装置和激光发射装置；所述激光源装置包括激光源、第一光束质量测量设备及第一窗口镜；所述激光发射装置包括第二光束质量测量设备、中继镜组件、望远镜组件及第二窗口镜；激光源设于激光源装置首端，第一窗口镜以角度θ
第一窗口镜
安装在激光源装置末端，用于激光源装置的密封；激光源发射激光束，激光束经第一窗口镜透射区域的反射面反射得到第一取样光束，第一光束质量测量设备设于第一取样光束的光路上；中继镜组件和望远镜组件依次设于激光束的光路上，第二窗口镜以角度θ
第二窗口镜
安装在激光发射装置末端，用于激光发射装置的密封；激光束经第二窗口镜的反射面反射得到第二取样光束，第二取样光束重新返回至激光发射光路，再经望远组件、中继镜组件、第一窗口镜的反射区域反射进入第二光束质量测量设备，第二光束质量测量设备设于第二取样光束光路的末端。
7.一种光束质量诊断方法，包括如下步骤：s100：第一窗口镜以角度θ
第一窗口镜
安装在激光源装置末端，使激光源装置密封；第二窗口镜以角度θ
第二窗口镜
安装在激光发射装置末端，使激光发射装置密封；s200：激光源装置输出瓦级及以下功率的准直激光束，调节激光发射装置的望远镜组件的位置，使激光束以平行激光输出；根据第二光束质量测量设备中相机上的光斑位置微调中继镜组件，使光斑中心与相机中心重合；s300：激光源输出高功率准直激光束，经第一窗口镜的透射区域反射后形成第一取样光束，进入第一光束质量测量设备，第一光束质量测量设备测试得到第一取样光束的光束质量，即得到激光源装置输出激光束的光束质量β1；s400：激光束经第一窗口镜的透射区域进入激光发射装置，再经中继镜组件、望远镜组件、第二窗口镜后输出；激光束经第二窗口镜反射后，第二取样光束重新返回至激光发射光路，再经望远组件、中继镜组件、第一窗口镜的反射区域反射后，进入第二光束质量测量设备，第二光束质量测量设备测试得到，第二取样光束的光束质量β3；s500：激光束经两次激光发射装置传输后，进入第二光束质量测量设备，第二取样光束的光束质量β3的另一种表示方法为：其中，β2为激光发射装置等效光束质量，计算可得： ；s600：进而计算得到大口径激光系统发射光束质量β
发射
为： 。
8.进一步地，所述激光源装置输出小口径准直激光束。
9.进一步地，所述第一窗口镜用于激光源装置的密封；第一窗口镜采用分区域镀膜
方式，透射区域对激光源输出激光束透射，用透射区域的反射面对激光源输出激光束进行激光取样，得到第一取样光束；第二取样光束在中继镜组件的调节下在第一窗口镜的反射区域反射，不经透射区域返回激光源，实现对激光源的保护。
10.进一步地，所述第二窗口镜用于激光发射装置的密封，第二窗口镜对经激光发射装置的激光束透射，用第二窗口镜反射面对经激光发射装置的激光束进行激光取样，得到第二取样光束。
11.进一步地，所述中继镜组件包括第一中继镜，第二中继镜，第三中继镜及第四中继镜；所述中继镜组件中有不少于一片动镜用于第二取样光束的角度调节，实现第二取样光束精准在第一窗口镜的反射区域反射，保障第二光束质量测量设备对其光束质量的准确测量。
12.进一步地，所述望远镜组件包括望远主镜组件及望远次镜组件，进行出射激光的扩束发射和变焦调节；在光束质量测试过程中调节望远主镜组件和望远次镜组件的相对位置，使激光束平行出射。
13.进一步地，所述望远镜组件在调节相对位置过程中，第二光束质量测量设备中相机上光斑直径实时变化；激光束平行出射时光斑直径最小，对应激光发射装置处于焦点位置，以对大口径激光系统的焦点位置进行校正。
14.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：1.本发明一种大口径激光系统在不借助外部测试条件及设备的情况下在线测试大口径激光系统发射光束质量，增加测试的实时性、简便性。
15.2.本发明能够实现大口径激光系统的调焦检焦，复验传统发射光束质量测试法的准确性，为今后大口径激光系统设计、光束质量测试方法提供技术依据。
附图说明
16.图1为本发明实施例一种大口径激光系统的示意图；在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-激光源装置、2-激光源、3-第一光束质量测量设备、4-第一窗口镜、5-激光发射装置、6-第二光束质量测量设备、7-中继镜组件、7-1-第一中继镜、7-2-第二中继镜、7-3-第三中继镜、7-4-第四中继镜 、8-望远镜组件、8-1-望远次镜组件、8-2-望远主镜组件、9-第二窗口镜、10-第一取样光束、11-第二取样光束、12-激光束。
具体实施方式
17.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
18.请参考图1，本发明涉及一种大口径激光系统，包括：激光源装置1和激光发射装置5；所述激光源装置1包括激光源2、第一光束质量测量设备3及第一窗口镜4；所述激
光发射装置5包括第二光束质量测量设备6、中继镜组件7、望远镜组件8及第二窗口镜9；激光源2设于激光源装置1首端，第一窗口镜4以角度θ
第一窗口镜
安装在激光源装置1末端，用于激光源装置1的密封；激光源2发射激光束12，激光束12经第一窗口镜4透射区域的反射面反射得到第一取样光束10，第一光束质量测量设备3设于第一取样光束10的光路上；中继镜组件7和望远镜组件8依次设于激光束12的光路上，第二窗口镜9以角度θ
第二窗口镜
安装在激光发射装置5末端，用于激光发射装置5的密封；激光束12经第二窗口镜9的反射面反射得到第二取样光束11，第二取样光束11重新返回至激光发射光路，再经望远组件8、中继镜组件7、第一窗口镜4的反射区域反射进入第二光束质量测量设备，第二光束质量测量设备6设于第二取样光束11光路的末端。
19.基于上述系统，还涉及一种光束质量诊断方法，包括如下步骤：s100：第一窗口镜4以角度θ
第一窗口镜
安装在激光源装置1末端，使激光源装置1密封；第二窗口镜9以角度θ
第二窗口镜
安装在激光发射装置5末端，使激光发射装置5密封；其中θ
第一窗口镜
=d1/l1，d1为激光源装置1中激光束的光斑直径，l1为激光束在激光源装置1中的光程；θ
第二窗口镜
=d2/l2，d2为激光发射装置5中激光束的光斑直径，l2为激光束在激光发射装置5中的光程；s200：激光源装置1输出瓦级及以下功率的准直激光束12，调节激光发射装置5的望远镜组件8的位置，使激光束12以平行激光输出；根据第二光束质量测量设备6中相机上的光斑位置微调中继镜组件7，使光斑中心与相机中心重合；s300：激光源2输出高功率准直激光束12，经第一窗口镜4的透射区域反射后形成第一取样光束10，进入第一光束质量测量设备3，第一光束质量测量设备3测试得到第一取样光束10的光束质量，即得到激光源装置1输出激光束12的光束质量β1；s400：激光束12经第一窗口镜4的透射区域进入激光发射装置5，再经中继镜组件7、望远镜组件8、第二窗口镜9后输出；激光束12经第二窗口镜9反射后，第二取样光束11重新返回至激光发射光路，再经望远组件8、中继镜组件7、第一窗口镜4的反射区域反射后，进入第二光束质量测量设备6，第二光束质量测量设备6测试得到，第二取样光束11的光束质量β3；s500：激光束12经两次激光发射装置5传输后，进入第二光束质量测量设备6，第二取样光束11的光束质量β3的另一种表示方法为：其中，β2为激光发射装置等效光束质量，计算可得： ；s600：进而计算得到大口径激光系统发射光束质量β
发射
为： 。
20.所述第一光束质量测量设备3包含第一缩束系统，第一衰减片，第一光斑监测相机
等；所述第二光束质量测量设备6包含第二缩束系统，第二衰减片，第二光斑监测相机等；光束质量表征输出激光的光束质量偏离同一条件下理想光束质量的程度，定义为输出激光远场发散角与理想光束衍射极限角的比值：其中，θ1为输出激光远场发散角，θ0为理想光束衍射极限角， ， 。d
83.8%
为输出激光环围功率比83.8%的远场光斑直径，d为与输出激光对应的理想光束近场光束直径，λ为输出激光波长，f为测试装置等效焦距；上述参数均为已知量。
21.根据上述公式，得到第一取样光束10的光束质量β1（即激光源2输出激光束12的光束质量）和第二取样光束11的光束质量β3。
22.所述激光源装置1输出小口径准直激光束12。
23.所述第一窗口镜4用于激光源装置1的密封；第一窗口镜4采用分区域镀膜方式，透射区域对激光源输出激光束12透射，用透射区域的反射面对激光源2输出激光束12进行激光取样，得到第一取样光束10；第二取样光束11在中继镜组件7的调节下在第一窗口镜4的反射区域反射，不经透射区域返回激光源2，实现对激光源2的保护。
24.所述第二窗口镜9用于激光发射装置5的密封，第二窗口镜9对经激光发射装置5的激光束12透射，用第二窗口镜9反射面对经激光发射装置5的激光束12进行激光取样，得到第二取样光束11。
25.所述中继镜组件7包括第一中继镜7-1，第二中继镜7-2，第三中继镜7-3及第四中继镜7-4；所述中继镜组件7中有不少于一片动镜用于第二取样光束11的角度调节，实现第二取样光束11精准在第一窗口镜4的反射区域反射，保障第二光束质量测量设备6对其光束质量的准确测量。
26.所述望远镜组件8包括望远主镜组件8-2及望远次镜组件8-1，进行出射激光的扩束发射和变焦调节；在光束质量测试过程中调节望远主镜组件8-2和望远次镜组件8-1的相对位置，使激光束12平行出射。
27.所述望远镜组件8在调节相对位置过程中，第二光束质量测量设备6中相机上光斑直径实时变化；激光束12平行出射时光斑直径最小，对应激光发射装置5处于焦点位置，以对大口径激光系统的焦点位置进行校正。
28.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的结构关系及原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。