CN111552087A - 一种将环形光束与共轴反射式光学***耦合的方法 - Google Patents

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Abstract

一种将环形光束与共轴反射式光学***耦合的方法，涉及一种光束耦合方法。光纤激光器输出光束通过扩束镜组进行扩束，用于匹配光纤激光器输出光束直径与相位调制器口径关系，相位调制器将扩束后的光束调制为环形光束，环形光束经合束镜合成与分光后折射向快反镜，经快反镜在物方空间快速扫描后，由背侧表面穿过共轴主反射镜中心开设的穿孔折射向共轴次反射镜正侧表面，共轴次反射镜与共轴主反射镜均为凹抛物面镜，采用二次成像设计构成开普勒望远结构，经共轴次反射镜正侧表面折射向共轴主反射镜正侧表面，最后由共轴主反射镜正侧表面输出。将相位调制的环形光束与共轴反射式光学***光瞳匹配，提高了口径利用率。

Description

一种将环形光束与共轴反射式光学***耦合的方法
技术领域
本发明涉及一种光束耦合方法，尤其是一种将环形光束与共轴反射式光学***耦合的方法，属于高功率激光光束发射技术领域。
背景技术
高功率激光装备是利用光束发射***将高能量激光发射到目标体上，实现对目标的毁伤。激光光束发射***是高功率激光装备中的重要部分，其主要作用是实现激光光束高倍率扩束和压缩激光的空间发散角，实现远距离激光汇聚。
高功率激光的激光光束发射***有透射式光学***、共轴反射式光学***和离轴反射式光学***。相比其他方式，共轴反射式光学***的优点是体积小、重量轻、结构对称、稳定性高，如美国车载激光***采用的就是共轴反射式光束发射方案。而共轴反射式光学***的缺点是存在中心遮拦，影响激光传输效率，而且快反镜扫描过程中占用较大口径，口径利用率低。
基于相位调制等方法产生的空心光束，具有在传播方向上中心光强为零的特点，恰好可与共轴反射式光学***匹配使用，解决共轴反射式光学***存在的低传输效率和口径利用率问题。
因此，需要一种能够充分发挥共轴反射光学***的技术优势，瞄准高功率激光***小型化、轻量化需求，在此基础上基于光瞳匹配技术，将空心光束与共轴反射结合，解决快反镜扫描引起的口径损失和遮挡，加强口径利用率和激光传输效率，提高激光***作用效能的方法。
发明内容
为解决背景技术存在的不足，本发明提供一种将环形光束与共轴反射式光学***耦合的方法，将相位调制的环形光束与共轴反射式光学***光瞳匹配，采用二次成像的光瞳耦合设计，提高了口径利用率，避免共轴反射式光学***的中心遮拦对传输效率的影响，激光传输效率高。
为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种将环形光束与共轴反射式光学***耦合的方法，组成结构包括光纤激光器、扩束镜组、相位调制器、合束镜、快反镜、共轴次反射镜以及共轴主反射镜，共轴次反射镜与共轴主反射镜组成共轴反射式光学***，所述方法包括如下步骤：
所述光纤激光器输出光束通过所述扩束镜组进行扩束，用于匹配光纤激光器输出光束直径与相位调制器口径关系，所述相位调制器将扩束后的光束调制为环形光束，环形光束经所述合束镜合成与分光后折射向快反镜，经所述快反镜在物方空间快速扫描后，由背侧表面穿过所述共轴主反射镜中心开设的穿孔折射向共轴次反射镜正侧表面，所述共轴次反射镜与共轴主反射镜均为凹抛物面镜，采用二次成像设计构成开普勒望远结构，经共轴次反射镜正侧表面折射向共轴主反射镜正侧表面，最后由共轴主反射镜正侧表面输出。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明保留共轴反射式光学***结构稳定、小型化、轻量化的优点，并将相位调制的环形光束与有中心遮拦的共轴反射式光学***光瞳匹配，采用二次成像的光瞳耦合设计，满足扩束倍率、视场范围、波像差、结构对称，提高了口径利用率，避免共轴反射式光学***的中心遮拦对传输效率的影响，激光传输效率高，可满足机载吊舱等平台对结构尺寸的小型化要求。
附图说明
图1是本发明的组成结构原理图；
图2是本发明的光纤激光器输出的高斯光束轮廓示意图；
图3是本发明的相位调制器调制后的环形光束轮廓示意图；
图4是本发明的共轴反射式光学***的光束折射示意图。
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，所描述的实施例仅是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做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。
本发明公开了一种将环形光束与共轴反射式光学***耦合的方法，组成结构包括光纤激光器1、扩束镜组2、相位调制器3、合束镜4、快反镜5、共轴次反射镜6以及共轴主反射镜7，共轴次反射镜6与共轴主反射镜7组成共轴反射式光学***，
参照图1所示，光纤激光器1输出光束通过扩束镜组2进行扩束，用于匹配光纤激光器1输出光束直径与相位调制器3口径关系，参照图2所示，光纤激光器1输出光束强度分布为高斯光束，其他分布也适用，但对于高斯光束更为明显，相位调制器3为衍射光学元件，将扩束后的光束调制为环形光束，参照图3所示，为采用傅里叶空间纯相位编码方法产生的圆对称艾里光束，环形光束经合束镜4合成与分光后折射向快反镜5，经快反镜5在物方空间快速扫描后，参照图4所示，由背侧表面穿过共轴主反射镜7中心开设的穿孔折射向共轴次反射镜6正侧表面，共轴次反射镜6与共轴主反射镜7均为凹抛物面镜，采用二次成像设计构成开普勒望远结构，经共轴次反射镜6正侧表面折射向共轴主反射镜7正侧表面，最后由共轴主反射镜7正侧表面输出，共轴反射式光学***通过二次成像实现光瞳耦合，入瞳设计在快反镜5位置，出瞳耦合到共轴主反射镜7位置，快反镜5扫描过程中光束在***出口位置不变，增加***口径利用率，在光学表面均镀有介质膜，其中扩束镜组2为透射膜，合束镜4、快反镜5和共轴反射式光学***为高反膜，透射膜材料组合为氧化铪和二氧化硅高低折射率组成，高反膜材料组合为***和二氧化硅高低折射率组成。
实施例：
光纤激光器1，输出光束直径为15mm，波长1064nm，光束质量M2＜1.2，功率1KW，光束强度分布为高斯光束，其他分布也适用，但对于高斯光束更为明显；
扩束镜组2，扩束倍率为3倍，输入口径为20mm，输出口径为60mm，用于匹配光纤激光器1输出光束直径与相位调制器3口径关系，基于伽利略望远结构，采用透射式熔石英材料，表面镀有氧化铪和二氧化硅高低折射率组成的透射膜，单层膜激光光学透过率优于99.9％，扩束镜组2整体激光传输效率优于99.2％；
相位调制器3，为衍射光学元件，调制后的光束为环形光束，材料为熔石英，采用傅里叶空间纯相位编码方法产生的圆对称艾里光束，参照图3所示，相位调制器3整体激光传输效率为96％；
合束镜4，作用是激光光束与其他成像光束合成与分光，采用透射式熔石英材料，表面镀有***和二氧化硅高低折射率组成的高反膜；
快反镜5，作用是实现激光光束在物方空间快速扫描，镜体材料为微晶玻璃，表面镀有***和二氧化硅高低折射率组成的高反膜；
共轴反射式光学***，输入口径为60mm，输出口径为360mm，共轴主反射镜7焦距为540mm，共轴次反射镜6焦距为90mm，材料均为微晶玻璃，且均为凹抛物面镜，采用二次成像设计构成开普勒望远结构，表面均镀有***和二氧化硅高低折射率组成的高反膜，膜层激光传输效率优于99.9％；
总扩束倍率为18，其中扩束倍率为3倍，共轴反射式光学***为6倍，单层膜激光传输效率99.5％以上，总的激光传输效率达95％以上，各部分激光传输效率如表1所示。
表1激光传输效率表
组件 激光传输效率
扩束镜组 99.2％
相位调制器 96％
合束镜 99.5％
快反镜 99.9％
共轴主反射镜 99.9％
共轴次反射镜 99.9％
合计激光传输效率 95.2％
相对于常规的输入口径为60mm、输出口径为360mm的共轴反射式光学***，对于高斯光束来讲，由于共轴反射式光学***中心遮拦造成的传输效率仅为80％左右。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种将环形光束与共轴反射式光学***耦合的方法，其特征在于：组成结构包括光纤激光器(1)、扩束镜组(2)、相位调制器(3)、合束镜(4)、快反镜(5)、共轴次反射镜(6)以及共轴主反射镜(7)，共轴次反射镜(6)与共轴主反射镜(7)组成共轴反射式光学***，所述方法包括如下步骤：
所述光纤激光器(1)输出光束通过所述扩束镜组(2)进行扩束，用于匹配光纤激光器(1)输出光束直径与相位调制器(3)口径关系，所述相位调制器(3)将扩束后的光束调制为环形光束，环形光束经所述合束镜(4)合成与分光后折射向快反镜(5)，经所述快反镜(5)在物方空间快速扫描后，由背侧表面穿过所述共轴主反射镜(7)中心开设的穿孔折射向共轴次反射镜(6)正侧表面，所述共轴次反射镜(6)与共轴主反射镜(7)均为凹抛物面镜，采用二次成像设计构成开普勒望远结构，经共轴次反射镜(6)正侧表面折射向共轴主反射镜(7)正侧表面，最后由共轴主反射镜(7)正侧表面输出。
2.根据权利要求1所述的一种将环形光束与共轴反射式光学***耦合的方法，其特征在于：所述光纤激光器(1)输出光束强度分布为高斯光束。
3.根据权利要求1所述的一种将环形光束与共轴反射式光学***耦合的方法，其特征在于：所述相位调制器(3)调制的环形光束为采用傅里叶空间纯相位编码方法产生的圆对称艾里光束。
4.根据权利要求1所述的一种将环形光束与共轴反射式光学***耦合的方法，其特征在于：所述扩束镜组(2)基于伽利略望远结构，采用透射式熔石英材料，表面镀有氧化铪和二氧化硅高低折射率组成的透射膜。
5.根据权利要求1所述的一种将环形光束与共轴反射式光学***耦合的方法，其特征在于：所述共轴次反射镜(6)与共轴主反射镜(7)材料均为微晶玻璃，表面均镀有***和二氧化硅高低折射率组成的高反膜。
6.根据权利要求1所述的一种将环形光束与共轴反射式光学***耦合的方法，其特征在于：所述合束镜(4)采用透射式熔石英材料，表面镀有***和二氧化硅高低折射率组成的高反膜。
7.根据权利要求1所述的一种将环形光束与共轴反射式光学***耦合的方法，其特征在于：所述快反镜(5)镜体材料为微晶玻璃，表面镀有***和二氧化硅高低折射率组成的高反膜。
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