CN115016132A - 适用于高功率激光的模块化合束装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于高功率激光的模块化合束装置，其包括多个一级合束模块、多个反射装置、以及二级合束模块。每个一级合束模块用于将多束激光从第一位置反射至第二位置。每个反射装置和每个一级合束模块相对应，且每个反射装置用于将对应的一级合束模块的多束第二位置的激光反射至第三位置。所述二级合束模块用于接收来自所述反射装置反射的第三位置的激光，并将所述激光反射至第四位置。根据本发明的适用于高功率激光的模块化合束装置，二级合成光束阵列具有良好的适配特性，可以根据需求在排布规格上任意删减，形成多种排布形式。

Description

适用于高功率激光的模块化合束装置

技术领域

本发明是关于激光合束领域，特别是关于一种适用于高功率激光的模块化合束装置。

背景技术

高功率激光发射***能够满足材料加工与军事科研市场的指标需求。然而已有的解决方案大都***复杂、成本高昂，超过市场承受能力，根本其原因在于单模光纤激光器功率超过3kW以后，成本随功率的提高呈指数型上涨，并且超过10kW以后，技术接近天花板，无法做到商品化。

为解决这一问题，各国均采用光束合成技术。该技术是指采用多个激光器模块，通过调控各路激光的相位、光谱、时序和指向，来获得高功率、高光束质量激光输出的技术。光束合成可以分为相干合成和非相干合成两大类，非相干合成时，各路激光之间进行强度叠加。相干合成时，各路激光进行振幅叠加。原则上相干合成技术得到的能量密度更高，但其结构及其复杂，成本高昂，还处于研发状态，目前并不适合进行产品化。已交付并经过实测验证的非相干合成技术包括阵列合束、光谱合束和光纤功率合束三大类。

然而，阵列合束技术的最大缺点在于阵列光束截面的几何尺寸远大于其他合束方案，如何在给定的光路通道中容纳最多数量的光束是这一技术路线的关键所在。

在高功率激光合束技术中，能够长时间承受强光辐照的合束装置是核心器件。在此基础上，如何在有限的空间里排布最多数量的光束是高功率激光合束技术的关键指标。现有技术受散热能力、杂光防护能力限制，单个合束装置所能承载的光束数量有限，而一味追求增加合束路数只会导致***稳定性和功率承载上限下降。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于高功率激光的模块化合束装置，其能够在有限的空间内合成更多的激光光束。

为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种适用于高功率激光的模块化合束装置，其包括多个一级合束模块、多个反射装置以及二级合束模块。每个一级合束模块用于将多束激光从第一位置反射至第二位置。每个反射装置和每个一级合束模块相对应，且每个反射装置用于将对应的一级合束模块的多束第二位置的激光反射至第三位置。所述二级合束模块用于接收来自所述反射装置反射的第三位置的激光，并将所述激光反射至第四位置。

在本发明的一个或多个实施方式中，每个一级合束模块包括多个合束件，该多个合束件由多个高度不完全相同的棱柱制成，每个棱柱的顶面为斜面，所述斜面上具有镀膜面以供激光反射，且该斜面是每个合束件的唯一镀膜面，所述多个棱柱拼接形成单一底面且高度错落的适用于高功率激光的模块化合束装置。

在本发明的一个或多个实施方式中，每个棱柱均为正六棱柱且该多个六棱柱的底边边长均相等，所述多个正六棱柱拼接后形成具有中心孔的无缝隙底面。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述斜面通过沿着所述棱柱的顶面的对角线斜切或沿着顶面的内切圆的直径斜切而形成，斜切角度介于30-60度之间。

在本发明的一个或多个实施方式中，每个一级合束模块包括多个合束件，每个合束件由棱柱制成，每个棱柱的顶面为斜面，该斜面是每个合束件的唯一镀膜反射面，所述多个棱柱拼接且搭接形成多层的一级合束模块。

在本发明的一个或多个实施方式中，构成每层的多个棱柱为正棱柱，该多个正棱柱的高度相等且底边也相等，两个相邻棱柱拼合后，该相等的底边平行排列。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述二级合束模块包括多个合束件，该多个合束件由多个正棱台制成，所述多个正棱台拼接形成棱台状的二级合束模块，每个正棱台暴露在外的倾斜侧面为唯一反射面。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述二级合束模块包括多个合束件，该多个合束件由多个异型正六棱台制成，每个异型正六棱台的侧面的边缘具有曲面状的凹进和凸起，多个异型正六棱台拼接后形成棱台状的二级合束模块，相邻的两个异型六棱台拼接后，各自的凹进和凸起与相邻的凸起和凹进无缝对接。

在本发明的一个或多个实施方式中，还包括容纳所述二级合束模块的基座，所述基座包括支撑外壳、进气口、吹风喷嘴和激光通道，所述进气口用于输入冷却空气，所述吹风喷嘴用于向四周均匀喷射气流，沿所述二级合束模块的棱柱的斜面吹气以冷却该斜面。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述支撑外壳由金属制成并被配置成与外部水冷散热片接触。

本发明的另一方面提供了一种适用于高功率激光的模块化合束装置，其包括：多个一级合束模块，每个一级合束模块用于将多束激光从第一位置反射至第二位置；多个一级反射装置，每个一级反射装置用于将多束第二位置的激光反射至第三位置，每个一级反射装置和每个一级合束模块相对应；多个二级合束模块；用于接收来自所述反射装置反射的激光，并将所述激光反射至第四位置；多个二级反射装置，每个二级反射装置用于将多束第四位置的激光反射至第五位置，每个二级反射装置和每个二级合束模块相对应；以及三级合束模块，用于接收来自所述二级反射装置反射的激光，并将所述激光反射至第六位置。

本发明中的第一位置、第二位置等，均是针对每个一级合束模块或反射装置各自而言。亦即：每个一级合束模块的激光入射第一位置（或反射后的其它位置）可以相同或不同。例如，在斜面角度均为45度的情况下，每个棱柱的激光入射的第一位置均可以是水平方向，第二位置为竖直方向，第三位置均为水平方向等等。而在每个一级合束模块的棱柱倾斜角或反射装置角度设置不相同的情况下，每个一级合束模块对应的激光的第一位置（或其他位置）可以不相同。

与现有技术相比，根据本发明实施方式的适用于高功率激光的模块化合束装置，具有以下优点：

1. 排布灵活：二级合成光束阵列的截面依旧保持蜂窝状排布，具有良好的适配特性，可以根据需求在排布规格上任意删减，形成多种排布形式。例如，最典型的排布方式有30路、42路等，具有极大的自由度。

2. 模块化：两级合束模块均采用模块化加工，每个光学组件只有一个镀膜面，易于批量化生产。此外出现故障或损坏后，便于替换、维护。

3.可扩展：由于整体结构均采用模块化设计，可以很容易进一步升级为3级甚至4级合束，达到数百路至上千路的合束规模。

4. 可冷却：两级合束模块中都内含有镜面风冷和光阑基座水冷结构，全***可承受高功率激光的长时间辐照，实测42路合束***在单路5kW，总功率200kW的功率水平下，可稳定工作超过5分钟。

5. 结构紧凑：全***的横向尺寸只取决于单路激光发射装置紧密排列时的尺寸，额外增加的横向空间尺寸可以忽略不计，纵向仅增加1m以内的固定光路传输空间。

附图说明

图1是根据本发明一实施方式的适用于高功率激光的模块化合束装置的示意图；

图2A-2B是根据本发明一实施方式的单个合束件的示意图；

图3A是根据本发明一实施方式的多个合束件拼接成柱状的一级合束模块的示意图；

图3B是图3A的仰视图；

图4A是根据本发明一实施方式的多个合束件拼接成棱台状的一级合束模块的示意图；

图4B是图4A的俯视图；

图5A是根据本发明一实施方式的多个合束件拼接成棱台状的二级合束模块的示意图；

图5B是图5A的俯视图；

图5C是异型棱台的截面示意图；

图5D是42路激光光束在异型棱台构成的二级合束模块下排布的示意图。

图6是用于容纳二级合束模块的基座的示意图。

主要附图标记说明：

1-一级合束模块，11-棱柱，111-斜面，12-中心孔，2-反射装置，3-二级合束模块，31-六棱台，32-凹进，33-凸起，311-侧面，4-基座，41-进气口，42-吹风喷嘴，43-激光光阑。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

如图1所示，根据本发明优选实施方式的适用于高功率激光的模块化合束装置包括两级的合束模块。图1中示出了两个一级合束模块1布置在二级合束模块3的下方，每个一级合束模块1用于将多束激光A从第一位置反射至第二位置。每个一级合束模块1均对应配置有反射装置2，且每个反射装置2用于将多束第二位置的激光A反射至第三位置。反射至第三位置的激光A被投射至二级合束模块3的反射表面，且改二级合束模块3将多束激光A再次反射至第四位置，以获得大功率的合束激光。

需要说明的是，图1给出的仅仅是一个示例，一级合束模块的数量可以为多个，例如对称设置在二级合束模块3下方的四个一级合束模块。相应的可以配置四个反射装置2，从而将更多的激光光束反射至二级合束模块3，以获得更强的合束功率。

此外，图1中的示例是为了最终将激光A反射至竖直向上的方向，因此将一级合束模块1布置在二级合束模块3的下方。根据不同的最终反射光线的角度需求，也可以将一级合束模块1和二级合束模块3的定向设置在不同的位置。

如图2A至图4B所示，根据本发明一实施方式的一级合束模块1，包括多个合束件，该多个合束件由多个高度不完全相同的棱柱11制成。每个棱柱11的顶面111为斜面，所述斜面上设有镀膜以供激光光线反射，且该斜面111是每个合束件的唯一镀膜面。

如图2A和图2B所示，斜面111与竖直方向夹角α可以根据实际需求设计，一般为45度。镀膜面的面型可以是曲面也可以是平面。每个棱柱可以独立镀膜，也可以分组镀膜，满足不同技术需求。在一实施方式中，该斜面111可以通过沿着棱柱11的顶面的对角线斜切或沿着顶面的内切圆的直径斜切而形成，在一实施例中，所述夹角α可以介于30至60度之间。

以斜面夹角为45度为例，可以调节入射的激光A处于水平方向，则可以确保所有的反射激光A均竖直向上，保证了激光合束的大功率。如果斜面制成了其他角度，则可以通过调节激光A的入射方向，保证反射方向均竖直向上即可。

在本实施方式中，多个棱柱11的底面处在基本同一水平面上，但顶面（斜面）的高度可以不尽相同，通过不同的高度组合来形成所需的不同合束图案。通过这种方式，可以在仅形成单一层级的结构下容纳较大数量的合束件，大大节省了体积。

在一实施方式中，每个棱柱11具有多个底边，任意相邻的两个棱柱11中，每个棱柱的其中一个底边与相邻棱柱的至少一个底边长度相等，该两个相邻棱柱拼合后，该相等的底边平行排列。优选地，所述多个棱柱11拼接后形成具有中心孔12的无缝隙底面。如图3B所示，多个棱柱11对称拼接，可以在中心形成一个具有六棱柱空间，在其仰视图总显示为中心孔12。该中心可以直接投射竖直向上的光束，其它光束通过斜面111进行竖直向上的反射。本文中所指的“无缝隙底面”表示两个相邻的六棱柱之间由于底边长度相等，可以在理论上形成完整无明显空隙的拼接图案。由于实际工程操作误差导致的缝隙不在此列。这样可以在单一层级的结构下，由于棱柱之间紧密排列几乎无间隙，可以在有限的空间下结合更多的单个合束件，节省了整个设备的空间。

在一优选实施方式中，如图3A-3B所示，以19路光线为例，每个棱柱11均为正六棱柱且该多个六棱柱的底边边长均相等。所述多个正六棱柱拼接后形成无缝隙底面。在正六棱柱的情况下，该无缝隙底面类似于蜂巢状。在斜面夹角为45度角的情况下，由于每个合束件底面尺寸相同，因此可以使得所有入射激光均为水平方向，则保证了所有反射激光均为竖直向上的方向。

如图1所示，反射装置2可以是例如反射镜。反射镜可以设置成所需的角度，以向二级合束模块3提供一定方向的入射激光。

图4A和4B显示了根据本发明另一实施方式的一级合束模块1。在该实施例中，由斜棱柱制成的合束件不再是拼合成单一底面的形状，而是搭接形成多层级的一级合束模块。

具体而言，如图4A和4B所示，在一实施例中，所述层级为俩层，所述多个棱柱11包括四棱柱11A、五棱柱11B和六棱柱11C。构成每层的多个棱柱的高度相等，每个棱柱具有多个底边。任意相邻的两个棱柱中，每个棱柱的其中一个底边与相邻棱柱的至少一个底边长度相等，该两个相邻棱柱拼合后，该相等的底边平行排列且整体形成棱台结构。该棱台的中心保持空心，可以供一束激光直接向上发射进行合束而无需经过斜面反射，除了该中心以外，第一层（下层）棱柱拼接后在中部形成的空间，恰好被第二层（上层）的棱柱完整拼接。换言之，如图4B所示，除了中心处空心以外，从俯视图看，该多层级的适用于高功率激光的模块化合束装置构成了类似蜂窝式结构。需要说明的是，本实施例仅以两层为例，可以根据需要进行多层级的拼搭，以满足不同场合的需要。

在一实施例中，多层级的适用于高功率激光的模块化合束装置可以由具有相同底边的正六棱柱构成，这样从俯视图观察呈蜂巢结构。该蜂巢结构除中心孔为空心外，其余位置可以搭接成无缝隙的面。通过这种方式，可以在形成层级的基础上使得更多的合束件并列在一起，最大化的利用空间。

二级合束模块3可以采用与一级合束模块1相同的结构以及拼接方式拼合成柱状或棱台状。

可选的，在本发明一实施方式中，二级合束模块3可以采用多个棱台结构的合束件拼合成大的棱台状。例如六个六棱台组合在一起。每个六棱台中暴露在外的斜面为单一反射面。当然本发明不以此为限。四棱柱、五棱柱等也可以拼接成二级合束模块3。

优选地，在图5A-5D中显示了6个尺寸相同的异型六棱台31拼接成的棱台状的二级合束模块3。每个六棱台31的暴露在外的斜面（侧面）311为激光反射面。该反射面尺寸较大从而可以反射多束激光。具体而言，该异型六棱台的侧面311的边缘具有曲面状的凹进32和凸起33。相邻的两个异型六棱台拼合后，各自的凹进和凸起可以和相邻的凸起和凹进无缝对接。这样设置的好处是每个反射面上可以布置更多的蜂窝状的光阑而不互相干涉，例如如图5D所示，在每个反射面上布置有七个光阑（亦即反射了七束激光），处在每个反射面边缘上的圆形光阑的轮廓恰好和凸起相对应。两个圆形光阑边缘之间的缝隙恰好和凹进相对应。这样就可以使得每个异型棱台反射面上布置蜂窝状的光束而不与相邻反射面的光束造成干涉。

图6示出了用于容纳二级合束模块3的基座4。该基座4包括支撑外壳、进气口41、吹风喷嘴42和激光光阑43。冷却气流从进气口41进入中心通道并导入到伞盖式吹风喷嘴42。该吹风喷嘴42还起到定位、紧固棱台的作用。伞盖式吹风喷嘴42向四周均匀喷射气流，沿二级合束模块3的斜面311吹气冷却该斜面反射面。激光光阑43的作用是用于引导激光方向，避免投射（或反射）偏离造成烧伤或烫伤等。此外，该支撑基座的外壳采用金属制作，例如铜质基底，可以与外部水冷散热片接触，将杂光带来的废热带走。

在一实施例当中，可以具有多于两级的合束模块，例如设置多个二级合束模块，并将多个二级合束模块的光线反射至三级合束模块，以对更多路的光线进行合束。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (10)

1.一种适用于高功率激光的模块化合束装置，其特征在于，包括：

多个一级合束模块，每个一级合束模块用于将多束激光从各自的第一位置反射至第二位置；

多个反射装置，每个反射装置和每个一级合束模块相对应，且每个反射装置用于将对应的一级合束模块的多束第二位置的激光反射至第三位置；以及

二级合束模块；用于接收来自所述反射装置反射的第三位置的激光，并将所述激光反射至第四位置。

2.如权利要求1所述的适用于高功率激光的模块化合束装置，其特征在于，每个一级合束模块包括多个合束件，该多个合束件由多个高度不完全相同的棱柱制成，每个棱柱的顶面为斜面，所述斜面上具有镀膜面以供激光反射，且该斜面是每个合束件的唯一镀膜面，所述多个棱柱拼接形成单一底面且高度错落的模块化合束装置。

3.如权利要求2所述的适用于高功率激光的模块化合束装置，其特征在于，每个棱柱均为正六棱柱且该多个六棱柱的底边边长均相等，所述多个正六棱柱拼接后形成具有中心孔的无缝隙底面。

4.如权利要求2所述的适用于高功率激光的模块化合束装置，其特征在于，所述斜面通过沿着所述棱柱的顶面的对角线斜切或沿着顶面的内切圆的直径斜切而形成，斜切角度介于30-60度之间。

5.如权利要求1所述的适用于高功率激光的模块化合束装置，其特征在于，每个一级合束模块包括多个合束件，每个合束件由棱柱制成，每个棱柱的顶面为斜面，该斜面是每个合束件的唯一镀膜反射面，所述多个棱柱拼接且搭接形成多层的一级合束模块。

6.如权利要求5所述的适用于高功率激光的模块化合束装置，其特征在于，构成每层的多个棱柱为正棱柱，该多个正棱柱的高度相等且底边也相等，两个相邻棱柱拼合后，该相等的底边平行排列。

7.如权利要求1所述的适用于高功率激光的模块化合束装置，其特征在于，所述二级合束模块包括多个合束件，该多个合束件由多个正棱台制成，所述多个正棱台拼接形成棱台状的二级合束模块，每个正棱台暴露在外的倾斜侧面为唯一反射面。

8.如权利要求1所述的适用于高功率激光的模块化合束装置，其特征在于，所述二级合束模块包括多个合束件，该多个合束件由多个异型正六棱台制成，每个异型正六棱台的侧面的边缘具有曲面状的凹进和凸起，多个异型正六棱台拼接后形成棱台状的二级合束模块，相邻的两个异型六棱台拼接后，各自的凹进和凸起与相邻的凸起和凹进无缝对接。

9.如权利要求1所述的适用于高功率激光的模块化合束装置，其特征在于，还包括容纳所述二级合束模块的基座，所述基座包括支撑外壳、进气口、吹风喷嘴和激光光阑，所述进气口用于输入冷却空气，所述吹风喷嘴用于向四周均匀喷射气流，沿所述二级合束模块的棱柱的斜面吹气以冷却该斜面，且所述支撑外壳由金属制成并被配置成与外部水冷散热片接触。

10.一种适用于高功率激光的模块化合束装置，其特征在于，包括：

多个一级合束模块，每个一级合束模块用于将多束激光从第一位置反射至第二位置；

多个一级反射装置，每个一级反射装置用于将多束第二位置的激光反射至第三位置，每个一级反射装置和每个一级合束模块相对应；

多个二级合束模块；用于接收来自所述反射装置反射的激光，并将所述激光反射至第四位置；

多个二级反射装置，每个二级反射装置用于将多束第四位置的激光反射至第五位置，每个二级反射装置和每个二级合束模块相对应；以及

三级合束模块，用于接收来自所述二级反射装置反射的激光，并将所述激光反射至第六位置。

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