一种面入射排列激光的合束装置的制作方法

本发明涉及光谱合束，具体涉及一种面入射排列激光的合束装置。

背景技术：

1、在军事领域中，激光武器通常指可以摧毁敌方的来袭目标或来袭目标重要光电系统的武器，其主要特点包括攻击速度快、命中率高、转火灵活、附带损伤小。军用高能激光的功率需求已经达到数万w至几十万w的量级，而单模宽谱光纤激光器的理论极限输出功率只有几十kw，可见使用单根光纤激光器发展高能激光装备的方案在当前是无法实现的。因此，采用激光合束技术，有效合成多路光纤激光器的出射激光，实现在维持激光光束质量的前提下，获得更高的到靶激光功率，是发展高能激光装备的关键方向。

2、目前，使用双光栅进行光谱合束的激光分布通常具有线性排列、面入射排列两种形式。其中，采用激光线性排列进行非相干光谱合束的激光合束方案，激光入射至光栅表面上时，入射的激光是按照波长大小线性照射在光栅面上的，使用到的光栅区域仅为一条线段，存在光栅大面积未使用的情况，造成了很大的浪费。然而，缩短光栅宽度又会增加光栅的制造难度，降低光栅性能的稳定性。

3、其次，采用激光面入射排列进行非相干光谱合束的激光合束方案，往往只能将面光源合束成线光束，然后再使用其它合束方法，将线光束进一步合束成点光束。但是，在将线光束合束成点光束时，往往需要使用空间光耦合的方式，使得最终出射的合束光光束质量急剧恶化，且由于合束的线光束功率较大，对空间光耦合过程中使用到的器件也提出了更高的要求。

4、综上所述，激光合束技术是目前可以在保证激光光束质量的前提下，获得更高的到靶激光功率的高能激光实现方案。然而，现有技术方案中，激光线性排列会造成使用到的光栅区域长宽比不协调，出现光栅利用率低的问题，在实际应用中受到很大限制；而激光面入射排列虽然提高了光栅利用率，但合束光的光束质量无法保证。

技术实现思路

1、(一)解决的技术问题

2、针对现有技术所存在的上述缺点，本发明提供了一种面入射排列激光的合束装置，能够有效克服现有技术所存在的无法在提高光栅利用率的同时确保合束光光束质量的缺陷。

3、(二)技术方案

4、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

5、一种面入射排列激光的合束装置，包括激光器阵列、光栅和转向光学元件阵列；

6、激光器阵列，用于输出子束激光；

7、光栅，使各子束激光入射至转向光学元件阵列，并对转向光学元件阵列出射的各子束激光进行合束，生成合束光；

8、转向光学元件阵列，用于调整不同排激光器出射的子束激光的转向，并根据激光器阵列的位置排布情况，调整不同排激光器的光程。

9、优选地，所述激光器阵列由多个激光器按照一定的位置排布构成，所述激光器阵列包括多个不同波长、相近光斑大小和光谱宽度的激光器；

10、其中，所有激光器出射的子束激光相互平行，且以相同的入射方位角、入射极角入射至光栅。

11、优选地，所述激光器阵列由m排激光器按照位置排列顺序构成，每排所述激光器的数量分别为n1、n2、…、nm，将第i排激光器分别标记为li1、li2、…、lini，第i排激光器对应的波长分别为λi1、λi2、…λini，所述转向光学元件阵列由m块直角镜构成，所述直角镜的脊线与光栅的刻线平行；

12、第i块直角镜与光栅之间的垂直距离li为：

13、

14、其中，δxi1为第i排第一个激光器li1与第二个激光器li2出射的子束激光之间的间距，δλi1为第i排第一个激光器li1与第二个激光器li2出射的子束激光之间的波长差，θi1为第i排第一个激光器li1出射的子束激光对应的衍射极角，θ为所有激光器出射的子束激光的入射极角，d为光栅周期；

15、设第i排第一个激光器li1与第一排第一个激光器l11与之间的水平距离为ai，则第i块直角镜与第一块直角镜之间的水平距离bi为：

16、

17、其中，l1为第一块直角镜与光栅之间的垂直距离，θ11为第一排第一个激光器l11出射的子束激光对应的衍射极角，ai为预设值。

18、优选地，第i排第一个激光器li1与第一排第一个激光器l11与之间的水平距离为ai，第i排第一个激光器li1与第一排第一个激光器l11之间的垂直距离hi为：

19、

20、其中，为所有激光器出射的子束激光的入射方位角，为第i排第一个激光器li1出射的子束激光对应的衍射方位角，为第一排第一个激光器l11出射的子束激光对应的衍射方位角。

21、优选地，第i排激光器中，第n个激光器lin与第一个激光器li1之间的水平距离din为：

22、din＝li·cosθ·(tanθin-tanθi1)；

23、第n个激光器lin与第一个激光器li1之间的垂直距离hin为：

24、

25、其中，θ为所有激光器出射的子束激光的入射极角，θin为第i排第n个激光器lin出射的子束激光对应的衍射极角，θi1为第i排第一个激光器li1出射的子束激光对应的衍射极角，为所有激光器出射的子束激光的入射方位角，为第i排第n个激光器lin出射的子束激光对应的衍射方位角，为第i排第一个激光器li1出射的子束激光对应的衍射方位角。

26、优选地，所述光栅为双反射光栅、双透射光栅、一反一透光栅、一透一反光栅、单反射光栅、单透射光栅中的一种。

27、优选地，所述转向光学元件阵列包括直角棱镜组、直角反射镜组、五角棱镜组、角锥棱镜组中的任意一种。

28、(三)有益效果

29、与现有技术相比，本发明所提供的一种面入射排列激光的合束装置，具有以下有益效果：

30、1)光栅利用率高：通过控制每排激光器的相邻子束激光之间的波长差、间距，实现面阵列入射激光合束成单光束合束光输出，使得整个光栅面都得到了应用，与激光线性排列方式相比，大大提高了光栅利用率；

31、2)成本降低：面阵列入射激光的应用，缩短了所使用光栅的长度，极大地降低了合束成本；

32、3)有利于光栅制造，且保证了光栅具有较高的性能一致性：长条形的光栅制造较为困难，且无法保证光栅各个区域的性能一致，而方形光栅制造相对容易，且光栅具有较高的性能一致性；

33、4)极大地保证了合束光的光束质量：每排激光器的合束均可视为双光栅光谱合束，相较于现有技术方案中先将面光源合束成线光束，然后再使用其它合束方法将线光束进一步合束成点光束的方法，最大程度地保证了合束光的光束质量；

34、5)本方案原理简单、配置合理、可实施性强，由于采用了转向光学元件阵列，使得激光器阵列中的各激光器无需紧密排布就可以克服现有技术方案中的诸多缺点，同时实现了更高效率的激光合束；

35、6)模块系统小型化：激光阵列的面入射排列的使用以及转向光学元件阵列的使用，缩短了模块系统的长度和宽度。

技术特征：

1.一种面入射排列激光的合束装置，其特征在于：包括激光器阵列、光栅(2)和转向光学元件阵列(3)；

2.根据权利要求1所述的面入射排列激光的合束装置，其特征在于：所述激光器阵列由多个激光器按照一定的位置排布构成，所述激光器阵列包括多个不同波长、相近光斑大小和光谱宽度的激光器；

3.根据权利要求2所述的面入射排列激光的合束装置，其特征在于：所述激光器阵列由m排激光器按照位置排列顺序构成，每排所述激光器的数量分别为n1、n2、…、nm，将第i排激光器分别标记为li1、li2、…、lini，第i排激光器对应的波长分别为λi1、λi2、…λini，所述转向光学元件阵列(3)由m块直角镜构成，所述直角镜的脊线与光栅(2)的刻线平行；

4.根据权利要求3所述的面入射排列激光的合束装置，其特征在于：第i排第一个激光器li1与第一排第一个激光器l11与之间的水平距离为ai，第i排第一个激光器li1与第一排第一个激光器l11之间的垂直距离hi为：

5.根据权利要求4所述的面入射排列激光的合束装置，其特征在于：第i排激光器中，第n个激光器lin与第一个激光器li1之间的水平距离din为：

6.根据权利要求1所述的面入射排列激光的合束装置，其特征在于：所述光栅(2)为双反射光栅、双透射光栅、一反一透光栅、一透一反光栅、单反射光栅、单透射光栅中的一种。

7.根据权利要求1所述的面入射排列激光的合束装置，其特征在于：所述转向光学元件阵列(3)包括直角棱镜组、直角反射镜组、五角棱镜组、角锥棱镜组中的任意一种。

技术总结本发明涉及光谱合束，具体涉及一种面入射排列激光的合束装置，包括激光器阵列、光栅和转向光学元件阵列；激光器阵列，用于输出子束激光；光栅，使各子束激光入射至转向光学元件阵列，并对转向光学元件阵列出射的各子束激光进行合束，生成合束光；转向光学元件阵列，用于调整不同排激光器出射的子束激光的转向，并根据激光器阵列的位置排布情况，调整不同排激光器的光程；本发明提供的技术方案能够有效克服现有技术所存在的无法在提高光栅利用率的同时确保合束光光束质量的缺陷。技术研发人员：刘斌,时雷,马奎奎,陈火耀受保护的技术使用者：安徽中科光栅科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/11/14