CN103364957B - Fp腔并合倾斜旋转对称放置的偶数倍多光束的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布一种偶数倍多光束并合的装置和方法，属光学工程领域，提供一种利用FP腔并合偶数数目的多束倾斜入射旋转对称放置的激光光束的装置和方法。本发明的装置采用两块正对的镀膜平行平板构成FP腔，用自由调节角度的调节装置放置激光器。通过本发明的装置并合的输出光束的光斑具有旋转对称分布、能量更高、光斑较大的特点，调节入射光束的入射角和入射高度，可以调节光斑形状。本发明可以实现小功率和中高功率光束并合。本发明实现的小功率并合光束可以用于激光生物科学研究，中高功率并合光束可以用于国防比如拦截或打击等方面。

Description

FP腔并合倾斜旋转对称放置的偶数倍多光束的装置及方法

技术领域

本发明涉及光学工程领域，主要是采用FP腔来实现对倾斜旋转对称放置的偶数倍数的多束激光光束并合的装置和方法。

背景技术

在光学工程领域，常采用两大类方法来获得更高能量的激光光束，一类是从激光器本身出发，通过设计各种新型的激光器或改进制造激光器的各个组成部分，从而获得更高的能量输出；另一类是通过对已有激光光束进行合并。对已有激光光束进行合并的方法可以充分利用现有技术和设备，从而实现资源的合理再利用。对已有激光光束进行合并的方法包括MOPA***、缺角棱镜合束、透镜组束等等，这些方法存在的缺陷可以归为两类，第一是由于采用光学元件较多，因此，能量损失较大；第二是为了最求更高能量，光束并合位置光斑较小，因而可以使用的距离范围有限。

发明内容

本专利针对上述现象发明的适宜旋转对称倾斜放置的激光光束的合并的方法和装置，目的在于构建和提供一种通过FP腔的合理设置和多束激光光束合理放置的方式对多光束进行合成。本发明的装置采用两平行放置的镀膜平行平板构成FP腔以及输出光束倾斜入射FP腔的彼此间旋转对称放置的多个激光器。合理设计FP腔的参数以及入射FP腔的光束参数，可以实现对输出光束合理调控、有效合并。本发明采用的合束光学元件只有一个FP腔，光学元件少，能量损失小；而且，本发明由于采用FP腔，继承了FP腔在满足相长干涉时具有多光束干涉的特点，因而输出光束的能量损失小；本发明由于入射光束倾斜入射，该入射光束经FP腔多次透射，出射光束光斑变长，从而增加了各出射光束之间的重叠面积，可以使用的光束并合的有效距离较大；本发明由于入射光束旋转对称放置，入射光束束为偶数，每一束入射光束及其透射光束均有相对于光轴成180°对称的自己的镜像光束，合理设置透射光束和其镜像光束的位置，可以实现并合光束光斑强度较为均匀。该发明可以实现小功率合并也可以实现中高功率合并；可以实现显著提高能量，也可以实现并合光束的匀化。本发明实现的合并可以用于需要更高功率特殊波长的激光光动力医学、对光束偏振性和相干性要求不高的工业应用等需要简单方式即可以获得大功率大光斑的地方。

本发明的目的是由以下措施实施的：设置两块镀膜平行平板，正对平行放置，构成FP腔，设置一激光器的输出光束为模型光束倾斜入射FP腔，调节入射角、FP腔两极板间的间距、接收屏到FP腔第二块极板间的间距，得到经FP腔多次透射的输出光束的场分布，根据多光束干涉原理，得到输出光束的强度分布，由于透射的输出光束实际上由多次出射光束构成，根据彼此相邻光束间距与入射角、FP腔两极板间的间距以及接收屏到第二块极板间的间距的关系，通过调节各种参数，根据需要得到输出光束的合理分布，设置其余激光器的输出光束与模型光束一共为偶数束光束，且绕垂直于FP腔的光轴z轴旋转对称放置，因此，各倾斜的旋转对称分布的入射光束经FP腔后的透射光束的叠加，可以看做是由模型光束经FP腔后的多次出射构成的透射光束绕光轴旋转相应角度叠加后构成。其中每一束入射光束和其透射光束均有自己的相对于光轴z轴成180°对称放置的镜像光束，合理设置该透射光束和其镜像光束之间的镜像点，可以得到较为均匀的输出光斑强度分布。

FP腔的极板材料以及镀膜材料均应与该入射激光波长相适应。

附图说明图1为FP腔并合多束倾斜旋转对称分布激光光束的装置示意立体图，图2为激光器及激光器底部调节支架的背面示意图，图3为激光器及激光器顶部调节支架的正面示意图，图4为模型光束经FP腔的光路与光轴关系的纵剖面示意图，图5为模型光束的经FP腔后的模型透射光束的强度分布及每次透射强度峰，图6为模型光束的经FP腔后的模型透射光束光强分布和其镜像模型透射光束光强分布及其它们的强度叠加图。

在附图1-4中，1是激光器底部调节支架，2是激光器顶部调节支架，3是激光器，4是FP腔的第一极板，5是FP腔的第二极板，6是光束接收屏，即并合光束的工作面，7是整个装置的光轴，也是入射光束的旋转对称轴，8是激光器顶部调节支架2的调节旋钮，9是激光器顶部调节支架2的调节叶片，10是激光器底部调节支架1的调节旋钮，11是激光器底部调节支架1的调节叶片，12是激光器3的底部，13是激光器3的顶部，即激光器的输出端。图2是激光器及激光器底部调节支架背面的示意图，通过顺时针旋转背部调节旋钮10，可以减小支架1支架圆的半径，从而减小激光器底部12的中心与旋钮10的中心之间的距离，反之所述操作，可以增加所述距离，图3是激光器及激光器顶部调节支架正面的示意图，通过逆时针旋转顶部调节旋钮8，可以减小支架2支架圆的半径，从而减小激光器顶部13的中心与旋钮8的中心之间的距离，同样，反之所述操作，可以增加所述距离。图4是模型光束经FP腔的光路与光轴关系的纵剖面示意图，FP腔两极板间的间距为d，FP腔第二极板5与接收屏6间的间距为L，图中模型光束以入射角θ从左向右倾斜入射FP腔的第一极板4，入射点为o ₁，E ₁为模型光束在o ₁点的场分布，模型光束经极板5第一次透射到达接收屏处6的场分布为E ₁₁，该模型光束经极板5第二次透射到达接收屏处6的场分布为E ₁₂，以此类推，模型光束经极板5第n次透射到达接收屏处6的场分布为E _1n ，该模型光束经FP腔的总的透射光束在接收屏处的场分布为E _1O =E ₁₁+E ₁₂+…+E _1n ，n→∞。图4中，模型光束在极板4上的中心位置为点o ₁，多束旋转对称分布的光束在极板4上的对称中心为点o’，点o ₁与点o’之间的距离为h，称为激光的入射高度。所述图1设置的8只激光器，每个激光器的位置绕光轴z轴旋转±45°角，即可得到相邻位置的两激光器的位置，该8只激光器的输出光束经所述FP腔的总的透射光束在接收屏处的场分布，可以用图4中的模型光束的输出场分布E _1O 绕光轴7旋转7次叠加获得，且每次旋转均增加一个45°角。图5为模型光束的经FP腔后的模型透射光束的强度分布及每次透射强度峰，14为所述模型光束经FP腔后第一次透射在接收屏处的光斑直径2ω ₁₁(z ₁₁)，15为模型光束的每相邻两次透射的中心位置在接收屏处的间距为2dtanθ，16为所述模型光束经FP腔后第n次出射光束在接收屏的光斑直径为2ω _1n (z _1n )，17为所述模型光束的透射光束强度分布，称为模型透射光束的强度分布，18为所述模型透射光束的每次透射强度峰。所述图4中，所述模型光束的第n次透射的中心位置与接收屏之间的交点距离模型光束传输起点o ₁的光程为z _1n =[(2n-1)d+L]/cosθ(本专利的讨论忽略FP腔极板的厚度和折射率，认为传输空间的折射率为1)，该模型光束总的输出光束的光斑直径为(2n-1)dtanθ+ω ₁₁(z ₁₁)+ω _1n (z _1n )，如果需要该模型光束的相邻次透射光束之间具有较好的相干性，应满足2dtanθ＜ω ₁₁(z ₁₁)+ω ₁₂(z ₁₂)，通常该模型光束在第10次出射时，由于强度远远低于前面n-1次强度之和，所以当n=1，后面的透射光束强度可以忽略。图6为模型光束的经FP腔后的模型透射光束光强分布和其镜像模型透射光束光强分布及其它们的强度叠加图，19为模型透射光束光强分布，20为模型透射光束的镜像透射光束强度分布，镜像透射光束与模型透射光束之间的镜像位置随模型光束的入射高度变化，为了清楚的表达这个问题，20称为镜像透射光束1的强度分布，21为模型透射光束和其镜像透射光束1的并合叠加强度分布，称为并合光束1的强度分布，改变入射高度，22为镜像透射光束2的强度分布，23为该镜透射光束2与模型透射光束的并合叠加光束，称为并合光束2的强度，24为镜像透射光束3的强度分布，25为该镜像透射光束3与模型透射光束的并合叠加光束，称为并合光束3的强度，因此，多个倾斜旋转对称放置的入射光束经FP腔后的透射光束在接收屏处的并合光束的光斑半径为Max{|h-(d+L)tanθ+ω ₁₁(z ₁₁)|，|(2nd+L)tanθ+ω _1n (z _1n )–h|}，适当调节h的值，利用镜像透射光束的强度分布和模型透射光束的强度分布相互互补叠加的特点，合理设置旋转对称放置的入射光束的入射高度、入射角度可以获得强度相对均匀、旋转对称分布的更高能量的大光斑。

具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。

本发明采用的激光器如果为He-Ne激光器输出为可见光，FP腔极板的基质材料采用玻璃，小功率CO₂激光器输出为红外光，FP腔极板的基质材料采用NaCl、KCl、Ge平片，中高功率CO₂激光器输出的红外光，FP腔极板的基质材料采用ZnSe平片。约定光轴从左到右，对FP腔第一极板4的左面镀入射光的增透膜，第一极板4的右面先蒸镀入射光的增透膜，再镀从右往左传的高反膜，对第二极板5的左面镀高反膜，右面镀增透膜，对FP腔的两极板置于可以沿光轴方向调节水平距离以及在水平方向可以调节角度的支架上，用平行光管或He-Ne激光调节两极板平行。本发明放置激光器的支架分为激光器底部调节支架和顶部调节支架两个独立调节部分，两调节支架均通过调节旋钮来改变支架圆的半径，从而改变支架边缘附着物之间的距离，两调节支架之间距离略小于激光器的长度平行放置并通过连杆将两调节支架的圆心同轴嵌套放置，分别通过激光器底部调节支架调节激光器底部中心与调节旋钮的中心之间的距离以及通过激光器顶部调节支架调节激光器顶部中心与顶部调节旋钮的中心之间的距离来设定入射到FP腔的入射光束的入射角以及入射高度。

在本发明的装置组装过程中，将本发明的FP腔两极板固定在可以水平旋转和沿光轴平动的底座上，将底座固定放置在水平防震台的轨道上，将激光器调节支架的顶部调节支架和底部调节支架用连杆间隔略小于一个激光器的长度的距离同轴嵌套，用监控光路监测两支架平面垂直连杆并相互正对平行后固定，将固定好后的调节支架置于底座上，设置所述调节支架的连杆与FP腔的中心轴线共线后，将调节支架及其底座固定于FP腔第一极板的左边，将一激光器置于调节支架上，所述激光器的底部位于底部调节支架，所述激光器的顶部位于顶部调节支架，开启所述激光器，让该激光器的输出光束与光轴共面，调节顶部调节支架和底部调节支架的旋钮，根据激光器顶部的中心与顶部支架旋钮的中心之间距离以及激光器底部中心与底部支架旋钮中心之间的距离计算出光束入射角，根据激光器入射光束在FP腔的位置计算出入射高度，调节顶部支架旋钮和底部支架旋钮，得到需要的光束入射角和光束入射高度后，将其余激光器按照所有需要并合的偶数激光光束数目等分圆周的办法置于调节支架上，需要并合的偶数光束数目即是等分圆周的数目。

装置组装好后，开启所有激光器，在FP腔的右面的接收屏上，即可获得旋转对称分布的并合光束，移动接收屏的距离、调节FP两极板间的间距、调节入射光束的入射角、入射光束的入射高度，均可以得到不同的并合光束光斑分布。

实施例采用8只波长为632.8纳米的功率为5毫瓦的He-Ne激光器，腰斑半径为0.5毫米，入射角为10毫弧度，入射高度为4毫米，FP腔两极板间间距d为16.07毫米，接收屏位于第二极板后的距离L为16.07毫米，得到光束半径为4.179毫米的并合光束，接收屏位于32.14毫米，得到光束半径为4.018毫米的并和光束。

用FP腔并合倾斜旋转对称放置的偶数激光束的装置，包括激光器，激光器底部调节支架，激光器顶部调节支架，FP腔，接收屏，参照图1-3，激光器底部调节支架1的中心设置调节旋钮10，激光器顶部调节支架2的中心设置顶部调节旋钮8，将1和2同轴放置，将激光器3置于所述支架1和2上，所述激光器的输出光束的中心轴线与光轴7共面，顺时针或逆时针旋转调节旋钮10(或8)，调节叶片11(或9)相应顺时针或逆时针转动，调节支架1(或2)的支架圆的半径相应减小或增加(增加或减小)，激光器底部12(激光器顶部13)的中心与底部旋钮10(顶部旋钮8)的中心之间的距离相应减小或增加(增加或减小)，按照需要并合的偶数激光束数量等分调节支架1和2的圆周，将其余激光器等圆周间距的置于支架1和2上，将FP的第一极板4和第二极板5依次放置在设置好的激光器的输出端面13的左边，调节极板4与5之间的距离d，将接受屏置于极板5的左边距离L处，其特征在于每个激光器的输出光束作为FP腔的入射光束为倾斜入射光束，所述入射光束彼此间相对于光轴7旋转对称，所述所有入射光束经FP腔多次反射后透射的并合输出光束，可以看做是其中一束倾斜入射光束经FP腔多次反射后的多束透射光束相干叠加后绕光轴7旋转与需要并合的入射光束数量相等的次数叠加后获得，且每次旋转均增加一个所述入射光束数量分之一个圆周角的角度，其特征还在于每束入射光束及其透射光束均有相对于光轴7成镜像对称设置的镜像光束，所述入射光束的透射光束的透射强度分布与所述镜像光束的透射光束的透射强度分布相对于光轴7对称，根据所述透射光束与其镜像透射光束的强度互补叠加，合理设置所有旋转对称设置的入射光束的入射高度和入射角，可以得到较为均匀、旋转对称分布、能量更高的并合光束大光斑。

本发明同现有光束合成方案相比，优点在于：

1、本发明采用FP腔作为并合光学元件，继承了FP腔对入射光束多次来回反射后的透射光束之间满足多光束干涉的原理，减小了能量损耗；

2、本发明将需要并合的光束倾斜设置，回避了已有光束合成方案追求被并合光束尽量靠近却由于激光器的实际尺寸而无法靠得更近的问题，以及为了追求被并合光束共线而不得不损失部分能量的问题；

3、本发明将需要并合的光束数目设置为偶数并旋转对称放置，使得每一束入射光束以及所述入射光束经过FP腔后的透射光束均有自己的镜像光束，合理设置透射光束和其镜像光束的镜像位置，可以实现并合光束光斑强度较为均匀。

Claims (2)

1.一种FP腔并合倾斜旋转对称放置的偶数倍多光束的方法,其特征在于需要并合的入射光束为偶数束，所述入射光束旋转对称放置，所述入射光束倾斜入射FP腔，所述入射光束为每个激光器(3)的输出光束，所述入射光束彼此间相对于光轴(7)旋转对称放置，所述所有入射光束经FP腔多次反射后透射的并合输出光束，可以看做是由其中一束入射光束经FP腔多次反射后的透射光束，与该透射光束绕光轴(7)旋转后的光束叠加得到，所述透射光束绕光轴(7)旋转的次数与需要并合的入射光束数量相等，且所述透射光束每次旋转均增加一个相等的角度，所述角度等于一个圆周角的角度除以所述所有入射光束的数量，其特征还在于每束入射光束及该入射光束的透射光束均有相对于光轴(7)成镜像对称设置的镜像光束,所述入射光束的透射光束的透射强度分布与所述镜像光束的透射光束的透射强度分布相对于光轴(7)对称，所述透射光束与其镜像透射光束的强度互补叠加。

2.一种用FP腔并合倾斜旋转对称放置的偶数倍多光束的装置，包括激光器(3)，激光器底部调节支架(1)，激光器顶部调节支架(2)，FP腔第一极板(4)、第二极板(5)，接收屏(6)，激光器底部调节支架(1)的中心设置调节旋钮(10)，激光器顶部调节支架(2)的中心设置顶部调节旋钮(8)，将激光器底部调节支架(1)和激光器顶部调节支架(2)同轴放置，将激光器(3)置于所述激光器底部调节支架(1)和激光器顶部调节支架(2)上，所述激光器(3)的输出光束的中心轴线与光轴(7)共面，顺时针或逆时针旋转调节旋钮(10)，调节激光器底部调节支架(1)的调节叶片(11)相应顺时针或逆时针转动，调节激光器底部调节支架(1)的支架圆的半径相应减小或增加，激光器底部(12)的中心与底部旋钮(10)的中心之间的距离相应减小或增加，顺时针或逆时针旋转激光器顶部调节支架(2)的中心设置顶部调节旋钮(8)，调节激光器顶部调节支架(2)的调节叶片(9)相应顺时针或逆时针转动，调节激光器顶部调节支架(2)的支架圆的半径相应增加或减小，激光器顶部(13)的中心与顶部旋钮(8)的中心之间的距离相应增加或减小，按照需要并合的偶数激光束数量等分激光器底部调节支架(1)和激光器顶部调节支架(2)的圆周，将其余激光器等圆周间距的置于激光器底部调节支架(1)和激光器顶部调节支架(2)上，将FP腔的第一极板(4)和第二极板(5)依次放置在设置好的激光器顶部(13)的左边，调节第一极板(4)与第二极板(5)之间的距离d，将接收屏(6)置于极板(5)的左边距离L处，其特征在于每个激光器(3)的输出光束作为FP腔的入射光束为倾斜入射光束，所述所有入射光束彼此间相对于光轴(7)旋转对称，所述所有入射光束为偶数束，所述所有入射光束经FP腔多次反射后透射的并合输出光束，可以看做是由其中一束入射光束经FP腔多次反射后的多束透射光束(18)相干叠加得到的模型透射光束的强度分布(17)，与该模型透射光束的强度分布(17)绕光轴(7)旋转后的光束叠加得到，所述透射光束的强度分布(17)绕光轴(7)旋转的次数与需要并合的入射光束数量相等，且所述透射光束的强度分布(17)每次旋转均增加一个相等的角度，所述角度等于一个圆周角的角度除以所述所有入射光束的数量，其特征还在于每束入射光束均有相对于光轴(7)成镜像对称设置的镜像光束，所述入射光束的透射光束(19)的透射强度分布与所述镜像光束的透射光束(20)的透射强度分布，相对于光轴(7)对称，根据所述透射光束(19)的透射强度分布与其镜像透射光束(20)的透射强度分布互补叠加，得到两光束的并合光束强度分布(21)，改变所述入射光束入射高度，所述入射光束的透射光束(19)的透射强度分布与改变所述入射光束入射高度得到的所述入射光束的镜像透射光束(22)的强度分布，相对于光轴(7)对称，根据所述透射光束(19)的透射强度分布与改变所述入射光束入射高度得到的所述入射光束的镜像透射光束(22)的强度分布互补叠加，得到改变所述入射光束入射高度两光束的并合光束强度分布(23)，再次改变所述入射光束入射高度，所述入射光束的透射光束(19)的透射强度分布与再次改变所述入射光束入射高度得到的所述入射光束的镜像透射光束(24)的强度分布，相对于光轴(7)对称，根据所述透射光束(19)的透射强度分布与再次改变所述入射光束入射高度得到的所述入射光束的镜像透射光束(24)的强度分布互补叠加，得到再次改变所述入射光束入射高度两光束的并合光束强度分布(25)，合理设置所有入射光束的入射高度和入射角，可以得到较为均匀、旋转对称分布、能量更高的并合光束大光斑。