一种激光光束分束装置及其调控方法

本技术属于激光相关，更具体地，涉及一种激光光束分束装置及其调控方法。

背景技术：

1、在激光并行加工、激光雷达探测、激光均匀照明、生物医学探测等领域，需要多束均匀、平行的激光束共同作用于目标区域，以雷达探测为例，常需要数万束均匀且平行的激光光束形成探测阵面，分束的数量、均匀度、平行度都将影响探测准确性。在这样的巨量光束需求下，使用相同数量的激光器即激光光源成本高昂、体积庞大、均匀度低，需要利用一个或多个激光光源，通过激光分束装置形成巨量分束光束。

2、传统的激光分束装置及方法有基于微透镜阵列的激光分束、基于衍射光学元件的激光分束、基于液晶空间光调制器的激光分束、基于光纤耦合的激光分束等。

3、基于微透镜阵列的激光分束将准直入射的激光分辨划分为不同区域，每个区域内的激光经过透明基板上的微透镜阵列，分别聚焦，聚焦形成的阵列焦点再通过光学变换系统在目标区域形成激光束分束阵列，但是每束光束的强度受限于入射激光强度分布，无法调节，限制了其应用场景。

4、基于衍射光学元件的激光分束利用光栅衍射原理，在透明基板上蚀刻出闪耀光栅、达曼光栅等相位光栅，入射激光经过光栅后根据光栅衍射原理形成多级衍射光，通过算法优化获得均匀或特定强度分布的分束光，但是衍射光学元件一旦设计制造完毕就无法调整、校正分束参数，需要在外部光路上引入额外元件精细微调分束角度、分束强度，限制了其应用场景。

5、基于液晶空间光调制器的激光分束主要利用液晶对激光束的相位调节作用，利用gerchberg–saxton算法、模拟退火算法等全息相位搜索算法，在空间不同位置处对入射激光束引入不同的附加相位，经过傅里叶透镜变换后在傅里叶平面上产生目标分束阵列，这种方法可以借助光强度探测器反馈调节每束光束的能量与位置，但是由于液晶晶体损伤阈值低，这种方法不能承受大功率激光脉冲，同时由于液晶尺寸有限，整体分辨率有限，从原理上限制了空间傅里叶分辨率极限，将产生伪影、旁瓣等固有的劣化分束质量的副作用，难以应用在数万分束场景中。

6、基于光纤耦合的激光分束利用保偏光纤阵列，将入射激光通过光纤耦合镜耦合至光纤纤芯内部，再通过光纤输出镜独立输出准直光束，这种方法可以任意调节光纤阵列出射光的方向，但是保偏光纤的耦合损耗较高，不适合于大功率激光分束，同时光纤阵列出射光受到光纤头部固定公差的影响，难以调整光束使之平行，即使独立调整也要手动调整，难以应用在数万分束场景中。

7、综上所述，传统激光分束在巨量分束的场景中，存在分束精度差、强度调节难、角度调节难、损伤阈值低的问题，限制了其在巨量激光分束应用中的发展空间，难以应用在激光并行加工、激光雷达探测、激光均匀照明、生物医学探测等领域。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本技术提供了一种激光光束分束装置及其调控方法，其目的在于解决巨量激光束分束应用中分束精度差、强度调节难、角度调节难、损伤阈值低的问题。

2、为实现上述目的，按照本技术的一个方面，提供了一种激光光束分束装置，其包括声光预分束单元、准直扩束单元和偏振分束单元；

3、所述声光预分束单元包括具有布拉格衍射效应的两个声光器件，入射激光束依次经两个声光器件进行两个不同方向的分束后，生成传播方向不同的多束激光束，得到第一激光束阵列；

4、所述准直扩束单元包括聚焦透镜和准直扩束透镜组，所述聚焦透镜用于对所述第一激光束阵列的激光束进行聚焦，生成互不重合的多束激光束，得到第二激光束阵列，所述准直扩束透镜组用于增大第二激光束阵列中各激光束之间的间距以及各激光束的光斑面积，生成准直且互不重合的多束激光束，得到准直预分束阵列；

5、所述偏振分束单元包括由多个偏振分束子单元构成的反射分束阵列，各偏振分束子单元包括λ/2波片和偏振分光棱镜，各偏振分束子单元用于对其入射光进行透射和反射，λ/2波片用于调节透射和反射的能量比例，反射分束阵列中各偏振分束子单元对入射光进行反射的方向相同，来自所述准直预分束阵列的激光束入射至所述偏振分束单元，以所述反射分束阵列的最开始接收到来自准直预分束阵列激光的偏振分束子单元作为传播源，以传播源为起点、沿反射分束阵列的行和/或列的方向上，前一个偏振分束子单元的透射光束作为后一个偏振分束子单元的入射光束。

6、在其中一些实施例中，所述声光预分束单元还包括两个声光驱动源，每个所述声光驱动源对应控制一个所述声光器件；

7、每个所述声光驱动源包括由信号源、射频功率放大器和射频匹配电路，所述信号源产生驱动对应声光器件的驱动波形信号，所述射频功率放大器用于将所述波形信号放大至声光器件所需功率，所述射频匹配电路用于实现所述射频功率放大器的输出阻抗与所述声光器件负载阻抗之间的阻抗匹配。

8、在其中一些实施例中，偏振分束单元还包括由多个偏振分束子单元构成的分光组合，所述分光组合中的偏振分束子单元排成与所述反射分束阵列并列的一列，所述偏振分束单元中的所有偏振分束子单元位于同一平面；

9、所述分光组合中：位于首端的所述偏振分束子单元接收所述准直预分束阵列的激光束，前一个偏振分束子单元的反射光束入射至所述反射分束阵列中位于同一行的第一个偏振分束子单元、透射光束则作为后一个偏振分束子单元的入射激光束；

10、所述反射分束阵列中：第一列的各个偏振分束子单元作为传播源接收所述分光组合的反射光束，以传播源为起点、沿反射分束阵列的行方向上，前一个偏振分束子单元的透射光束作为后一个偏振分束子单元的入射光束，每个偏振分束子单元朝着垂直于阵列平面的方向对入射光进行反射。

11、在其中一些实施例中，所述偏振分束单元中的所有偏振分束子单元位于同一平面；

12、所述反射分束阵列中：第一列的各个偏振分束子单元作为传播源接收不同的准直预分束阵列的激光束，以传播源为起点、沿反射分束阵列的行方向上，前一个偏振分束子单元的透射光束作为后一个偏振分束子单元的入射光束，每个偏振分束子单元朝着垂直于阵列平面的方向对入射光进行反射。

13、在其中一些实施例中，所述偏振分束单元还包括由多个偏振分束子单元构成的分光组合，所述偏振分束单元中的偏振分束子单元位于相互平行的不同平面；

14、每个平面具有排列成一行的偏振分束子单元和排列成一列的偏振分束子单元且行列交汇形成l形队列，位于交汇点处的偏振分束子单元属于分光组合，其余偏振分束子单元属于反射分束阵列，位于交汇点处的偏振分束子单元用于接收准直预分束阵列的激光束并进行反射和透射以输出沿行方向的激光束和沿列方向的激光束；与交汇点处的偏振分束子单元相邻的两个偏振分束子单元分别作为位于行上的传播源和位于列上的传播源，以位于行上的传播源为起点、沿反射分束阵列的行方向上，前一个偏振分束子单元的透射光束作为后一个偏振分束子单元的入射光束，以位于列上的传播源为起点、沿反射分束阵列的列方向上，前一个偏振分束子单元的透射光束作为后一个偏振分束子单元的入射光束，反射分束阵列中每个偏振分束子单元朝着垂直于阵列平面的方向对入射光进行反射；

15、不同平面上的偏振分束子单元在沿垂直于平面的方向上互不重叠。

16、在其中一些实施例中，所述反射分束阵列行间距和列间隔相等。

17、在其中一些实施例中，还包括调控单元；

18、所述调控单元用于调控各所述声光器件的驱动波形信号；以及，调控所述λ/2波片快轴的角度。

19、按照本技术的另一个方面，提供了如上所述的激光光束分束装置的调控方法，其包括：

20、根据入射激光束以及第一激光束阵列所需的激光束数量、分离角度和强度确定各声光器件的驱动波形信号；

21、根据偏振分束子单元的透射和反射的能量比例调节偏振分束子单元中的λ/2波片快轴的角度。

22、在其中一些实施例中，第一激光束阵列的激光束数量为n1×n2，其中，n1和n2分别为第一激光束阵列的行数和列数，分离角度为δθ：第一个声光器件用于将入射激光束朝一个方向分束为n1个激光束；第二个声光器件用于将n1个激光束中的每个激光束朝另一个方向分束为n2个激光束；

23、两个声光器件的驱动波形信号均表示为：

24、

25、针对第一个声光器件：n为n1，表示第一个声光器件的驱动波形信号需要n1个不同的输入频率；针对第二个声光器件：n为n2，表示第二个声光器件的驱动波形信号需要n2个不同的输入频率；ai和分别为对应声光器件中每个输入频率fi对应的波形强度和相位；

26、针对每一个声光器件：

27、n个不同的输入频率fi分别为：

28、

29、式中，f0为对应声光器件所具有的工作中心频率，δf为对应声光器件的相邻输入频率之间的频率间隔；

30、

31、式中，v为对应声光器件中晶体的声速，λ0为入射激光束的波长。

32、在其中一些实施例中，采用随机搜索法确定每个声光器件中的n个相位，随机搜索法包括：

33、步骤s11：设定相位组合数量nset和均峰比参数parset，均峰比参数表示驱动波形信号的最大归一化峰值功率与平均功率的比值；

34、步骤s12：随机产生nset种相位组合，每种组合具有n个处于-π到π区间的相位；

35、步骤s13：计算每种组合的均峰比参数par，选择par最小的一组相位k表示当前随机搜索的次数；

36、步骤s14：判断所选择的par是否小于parset，若否，则执行步骤s15，若是，则跳转至步骤s16；

37、步骤s15：判断是否达到迭代上限，若是，则令k＝1，跳转至步骤s12重新随机搜索，若否，则令k＝k+1，继续随机产生nset种相位组合，每种组合的第i个相位处于到的区间内，f(k)为随随机搜索次数k单调递减的函数，跳转至步骤s13；

38、步骤s16：结束搜索，输出par最小的一组相位

39、总体而言，通过本技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，本技术提供的一种激光光束分束装置及其调控方法主要具有以下有益效果：

40、1.本技术所提供的激光光束分束装置，其包括声光预分束单元、准直扩束单元和偏振分束单元，其中，声光预分束单元和偏振分束单元可以实现激光分束的调节。对于系统分束精度，本发明基于声光器件进行预分束，控制精度由控制声光器件的声光驱动源的驱动波形精度保证，通过调节驱动波形频率组成可以调节分束数量与分束角度，通过调节驱动波形强度可以调节分束强度。由于声光器件的驱动波形是基于数字频率合成，基于数字频率合成的波形频率精度极高，从而预分束激光束具有极高的调节精度。同时偏振分束单元的分束角度是由偏振分光棱镜结构决定的，棱镜结构具有极高精度，因此保证了整体系统的高精度分束能力。

41、2.对于系统分束角度与分束强度的控制，预分束的角度与强度是由声光驱动源的波形信号控制的，波形频率组成决定分束数量与分束角度，波形强度决定分束强度，波形信号易于调节，可实时动态调整预分束的角度与强度。同时偏振分束单元的波片可以无极调节分束强度，偏振分光棱镜严格以特定的设计角度反射或透射相应偏振态的激光，从而保证再次分束的强度与角度可控。

42、3.对于系统损伤阈值，本发明无需采用液晶调控，可以采用的光学元件多为石英、氧化碲、锗等高损伤阈值晶体，可承受远高于液晶的连续或脉冲激光功率，具有极高的损伤阈值。