转轴反射式脉冲激光合束器及脉冲合束激光系统技术方案

本发明专利技术涉及一种转轴反射式脉冲激光合束器及脉冲合束激光系统。为克服现有脉冲时序合束中存在的需要透射型元件难以适应高功率激光的不足或者其他合束方法对合束后的光束质量产生影响的缺陷，本发明专利技术提出一种用于脉冲激光的合束器，包括转轴和固定在其上的反射镜，转轴的轴心线与合束后光束平行，反射镜沿转轴轴心线方向间隔排布，且沿以轴心为圆心圆径向错位排布；多束脉冲激光经对应的反射镜反射，并在空间合束后沿输出光路出射。本发明专利技术还提出一种脉冲合束激光系统，利用上述合束器、多只脉冲激光器及多只折返镜组成，脉冲激光器按照设定的时序出射激光，经过折返镜折返后入射至反射镜形成合束激光出射。

Rotary Shaft Reflective Pulse Laser Combiner and Pulse Combiner Laser System

The invention relates to a rotating axis reflective pulse laser combiner and a pulse laser system. In order to overcome the shortcomings of the existing pulse timing beam combination which requires transmission elements to be difficult to adapt to high power lasers or other beam combination methods to influence the beam quality after beam combination, the present invention proposes a beam combination for pulsed lasers, including a rotating axis and a mirror fixed on it, the axis of the rotating axis is parallel to the beam after beam combination, and the mirror is along the axis axis of the rotating axis. Directional spacing and radial dislocation are arranged along the axis as the center of the circle; multi-beam pulsed laser is reflected by the corresponding mirror, and emits along the output optical path after spatial beam combination. The invention also proposes a pulsed beam combining laser system, which is composed of the laser combiner, a plurality of pulsed lasers and a plurality of reentrant mirrors. The pulsed laser emits the laser according to a set time sequence, and after the reentrant mirror is reentrated, the laser is incident to the mirror to form a combined beam emitting.

【技术实现步骤摘要】
转轴反射式脉冲激光合束器及脉冲合束激光系统
本专利技术属于激光
，具体涉及一种转轴反射式脉冲激光合束器及脉冲合束激光系统。
技术介绍
随着激光技术的不断发展和成熟，高功率激光具有越来越广泛的应用，深刻地影响了多个行业的发展。按工作方式划分，高功率激光主要分为高峰值功率激光(即高能脉冲激光)和高平均功率激光。对于高能脉冲激光，在多种应用领域要求激光具有一定的重复频率，然而直接提高高能脉冲激光器运行的重复频率，将会产生严重的热效应，从而影响激光器的性能，甚至导致激光器输出脉冲能量下降或者不能工作。对于高平均功率激光，应用需求对激光输出功率不断提出更高要求，而单路激光功率提升有限，难以实现较高的平均输出功率。因此，无论是对于高能脉冲激光还是对于高平均功率激光，提高脉冲激光的重复频率都是亟需解决的问题。单台激光实现高功率、高光束质量和高效率特性的输出，会由于功率升高，光束质量出现非线性下降，且非线性的关系非常复杂，因此，在特定基础条件下，单台输出的能力总是有限的，但人们对“三高”激光输出的需求是无止境的，要实现更大功率的输出，则最佳途径就是多光束合成技术。现有的光束合束方法包括相干合束、光谱合束和脉冲激光分时合束。2015年3月在《激光技术》上发表的“脉冲激光的非相干合成技术研究”公开了一种基于转盘旋转实现脉冲激光合束的方法，将不同时序的激光斜入射至不同厚度的晶体后发生偏移，经晶体折射后共轴线输出，实现脉冲激光的合束，达到提高激光输出重复频率和平均功率的目的。这种方案存在的问题是，强激光需要经过晶体透射，光学元件承受激光功率的能力有限，难以满足高功率高能量激光的入射要求。中国专利技术专利申请“一种脉冲激光合束方法”(公开号：201210078189.7)，提出了一种采用旋转反射镜的方式，将多束较低重复频率脉冲激光束合成为一束高重复频率脉冲激光束，该方法采用的反射型光学元件、光路结构简单，合成光束可以具有很高的功率。根据其技术效果描述，多棱镜系统的所有光学元件都可以是反射光学元件，该装置可以承受任意高功率激光器，只要输入的激光功率足够高，就可以输出任意高功率脉冲激光束。但是这种方案存在的问题是，在脉冲激光出光期间，由于反射镜的不断运动带来合成光束质量的下降，比如当脉冲持续时间为毫秒(ms)量级时，该系统由于反射镜不断运动带来的合成光束质量下降1/10量级，影响了其推广应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于为克服现有脉冲时序合束中存在的需要透射型元件难以适应高功率激光的不足或者其他合束方法对合束后的光束质量产生影响的缺陷，而提出一种转轴反射式脉冲激光合束器及脉冲合束激光系统，大大提高了单只激光的平均输出功率和重复频率，且基本保持原有激光的光束质量不变，并具备良好的功率和激光器数量可扩展性。本专利技术的技术方案是：一种转轴反射式脉冲激光合束器，包括一只旋转的转轴和固定在转轴上的若干只反射镜，转轴的轴心线与合束后的输出光束平行设置，反射镜沿转轴的轴心线方向间隔排布，且沿转轴轴线为中心的外圆方向错位排布；按照设定时序发射的多束脉冲激光经对应的不少于一只的反射镜反射，并在空间合束后沿输出光路出射。进一步地，上述转轴反射式脉冲激光合束器中，反射镜依靠支杆或空心转筒结构固定在转轴上。进一步地，上述转轴反射式脉冲激光合束器中，所述反射镜的镜面为部分圆锥面，所述的圆锥面以转轴的轴心线为回转轴线。进一步地，上述转轴反射式脉冲激光合束器中，圆锥面的锥角为30-60°。进一步地，上述转轴反射式脉冲激光合束器中，圆锥面的锥角为45°。进一步地，上述转轴反射式脉冲激光合束器中，反射镜与转筒一体化成型加工，镜面采用金刚石车床镜面抛光。进一步地，上述转轴反射式脉冲激光合束器中，转筒或转轴上设置有若干配重块或减重孔。一种脉冲合束激光系统，其特殊之处在于：包括n只脉冲激光器、和i×n只反射镜，脉冲激光器按照设定的时序出射激光，入射至反射镜形成合束激光出射，所述的折返镜为抛物面反射镜，其中n为大于1的正整数，i为正整数。进一步地，还包括n只折返镜脉冲激光器经过折返镜折返后入射至反射镜。本专利技术的有益效果：1、本专利技术通过在转轴上设置若干只沿转轴轴向和周向方向间隔错位排布的圆锥面反射镜，反射镜按照与脉冲激光发射时序相匹配时序进行移出和移入，实现了脉冲激光合束，在不改变原有激光器光束质量的前提下，大大提高了输出激光的功率和重复频率，并可进行数量的扩展，理论上这种合束的方式没有功率上限，在工业和其他领域具有重要的应用价值；2、本专利技术通过将反射镜及其他光路器件采用全反射方式，避免采用透射型光学元件时存在的器件耐受功率有限、且对光束质量产生影响的不足，热容易传至空心转筒导出或便于采用多种热管理措施，提高反射镜的耐受激光能力，特别适用于大功率、长时间出光的情况，且可以通过改变转轴的转速来实现高重频的脉冲激光合束；3、本专利技术采用金属基底上直接机械倒角加工圆锥面的方式制造反射镜，可采用金刚石车床直接加工而成，具有加工简单、表面光洁度高、应用可靠，工程化实施容易等特点；4、本专利技术采用专用的抛物镜作为折返镜实现入射激光与圆锥面反射镜之间的匹配耦合，匹配圆了锥面反射镜的光学特性，从而确保了入射激光束和合束后的激光束在横截面形状保持一致。附图说明图1是本专利技术脉冲合束器的工作原理及思路示意图；图2是本专利技术合束前n只脉冲激光的时序图；图3是图2脉冲合束后激光的输出功率示意图；图4是本专利技术第一种实施例的反射镜移位原理示意图；图5是本专利技术转轴反射式合束器的三维结构示意图；图6是图5合束器的剖视图；图7是涂5合束器的侧视图；图8为本专利技术转轴式合束器的合束原理示意图；图9为本专利技术反射镜重叠时的转筒侧视图；图10为本专利技术多组反射镜的转轴反射式合束器结构示意图；图11为本专利技术圆锥面反射镜及相匹配的折返镜在垂直于转轴方向结构示意图；图12为本专利技术圆锥面反射镜及相匹配的折返镜在平行于转轴方向结构示意图；图13为本专利技术脉冲合束激光系统组成示意图。附图标记为：1—移位装置，2—反射镜，21—空心转筒，22—镜体，23—转轴，24—镜面，25—折返镜，3-移镜方向，30—激光器，31—入射激光束，32—出射激光束，33—聚焦光斑，4—输出光路，5—移位控制单元，6—电控位移台，7—激光时序控制单元，8—同步触发信号；。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本专利技术作详细说明。如图1、图2和图3所示，本专利技术脉冲合束的原理思路是：在同一输出光路4上倾斜设置有n只反射镜2，每只反射镜2设置在移位装置1上，并可沿使得反射镜2沿图中的移镜方向3移出合束光路及再移回至合束光路上，合束光路即为输出光路4；移位装置1可以是一个整体机构或分体机构，可实现每只反射镜2的独立移进移出。每只反射镜2与入射激光束3相对应，其中激光为重频输出的脉冲激光，每只激光的出光时序如图2所示，可以采用
技术介绍
中“脉冲激光的非相干合成技术研究”的方案，由可编程逻辑阵列产生脉宽、频率和时延均符合要求的电信号，再以此电信号驱动种子激光器并进行放大或驱动脉冲泵浦激光的方式，使得每只激光器输出的光脉冲保持不同的时延，以符合脉冲合束的要求。图1中当n只激光器入射至对应反射镜2的同时，移位装置1按照入射时序将反射镜2按照设定的时序移走和移回原位，使得本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种转轴反射式脉冲激光合束器，其特征在于：包括一只旋转的转轴(23)和固定在转轴(23)上的若干只反射镜(2)，转轴(23)的轴心线与合束后的输出光束平行设置，反射镜(2)沿转轴(23)的轴心线方向间隔排布，且沿转轴轴线为中心的外圆方向错位排布；按照设定时序发射的多束脉冲激光经对应的不少于一只的反射镜(2)反射，并在空间合束后沿输出光路(4)出射。

【技术特征摘要】
1.一种转轴反射式脉冲激光合束器，其特征在于：包括一只旋转的转轴(23)和固定在转轴(23)上的若干只反射镜(2)，转轴(23)的轴心线与合束后的输出光束平行设置，反射镜(2)沿转轴(23)的轴心线方向间隔排布，且沿转轴轴线为中心的外圆方向错位排布；按照设定时序发射的多束脉冲激光经对应的不少于一只的反射镜(2)反射，并在空间合束后沿输出光路(4)出射。2.根据权利要求1所述的转轴反射式脉冲激光合束器，其特征在于：反射镜(2)依靠支杆或空心转筒结构固定在转轴(23)上。3.根据权利要求1或2所述的转轴反射式脉冲激光合束器，其特征在于：所述反射镜的镜面(24)为部分圆锥面，所述的圆锥面以转轴(23)的轴心线为回转轴线。4.根据权利要求3所述的转轴反射式脉冲激光合束器，其特征在于：圆锥面的锥角为30-60°。5.根据权利要求4所述的转轴反射式脉冲激光合束器，其特征在于：圆锥...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈绍武，杨鹏翎，王振宝，吴勇，冯刚，闫燕，武俊杰，谢贤忱，
申请(专利权)人：西北核技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61