[发明专利]一种基于双折射晶体的高占空比合束系统

说明书

技术领域

本发明涉及光束合成领域，是一种基于双折射晶体的高占空比合束系统。

背景技术

目前，随着半导体技术的快速发展和半导体激光器件性能的大幅提升，单链路全固态激光器已经取得了显著的发展，并且衍生出诸如圆棒激光器、板条激光器、薄片激光器、光纤激光器、热容激光器等不同结构的激光器。但是，由于受激光介质本身的热效应、非线性效应、材料特性、泵浦源亮度等因素的限制，单链路全固态激光的输出功率存在极限。为了克服单链路全固态激光功率提升的瓶颈，国内外研究者提出了光束合成技术，并且已经成为目前强激光领域的研究热点。

目前，光束合成技术主要包括谱合成、非相干合成和相干合成。与非相干合成相比，对于不同波长、不同数目的激光阵列，相干合成的光束在自由空间及强度较弱的湍流大气中传输时，远场能量集中度明显优于非相干合成。2009年，美国Northrop Grumman公司的研究者进行了七路万瓦级板条激光的相干合成，其输出功率达105.5kW。2010年底，国防科技大学研究者们利用主动锁相相干合成技术，在国际上首次实现了光纤激光千瓦级合成输出。2011年，美国林肯实验室实现八路500W保偏光纤激光相干合成，输出功率突破4kW，是目前光纤激光相干合成的最高输出功率。然而，目前相干合成技术大都基于阵列排布结构，存在占空比问题，导致远场能量向旁斑分散，降低了合成光束的亮度和能量集中度。Northrop Grumman公司百千瓦级合成方案中，随着合成路数的增加，合成光束主瓣内的功率占总功率的比例越来越少，105.5kW激光输出时，主瓣功率仅占总功率的11％。美国林肯实验室采用微透镜阵列提高合成光束的能量集中度，在一维分布上，其合成光束中央主瓣内的功率占总功率的58％。然而，微透镜阵列本身具有其局限性，主要表现在:(1)微透镜阵列的制造和加工较为复杂，成本昂贵；(2)由于微透镜阵列的子孔径尺寸在微米量级，因此，当系统输出功率不断提升时，整个微透镜阵列需要承受很大的功率密度，不利于在高功率相干合成系统中使用。

基于上述考虑，探索低成本、通用性强、制作相对简单的有效孔径填充方法，从而提高相干合成系统中央主瓣内的功率是非常有必要的。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于双折射晶体的高占空比合束系统。本发明基于晶体的双折射特性，是一种可以实现多路光束高占空比拼接的合束系统，可以进行多路光束的高占空比合成。该方案可以有效实现一维高占空比孔径合成。通过设计，该方案还可以拓展到二维高占空比孔径合成系统，对合成光束的类型(光纤激光、板条激光等)、分布特性、实验环境和仪器设备等没有特殊的要求，并且系统设计比较简单，性能可靠，成本较低。

本发明的技术方案是，

一种基于双折射晶体的高占空比合束系统，包括偏振态旋转系统、准直器排布系统和高占空比合成系统；

从各链路准直输出的光束经过偏振态旋转系统进行偏振态旋转，保证各路入射光束的偏振方向与高占空比合束系统中的光轴切割方向一致，实现可控的光束偏折和位移量；从偏振态旋转系统输出的光束经过准直器排布系统后，将入射的光束排布成所需的孔径阵列；随后，阵列排布的光束经过高占空比合束系统；基于各路光束的尺寸和光强分布、阵列排布的形式、各路光束之间的距离，设计高占空比合束系统的尺寸、各个子模块的光轴切割方向，将阵列排布的光束拼接在一起，从而实现高占空比的孔径填充。

本发明中，所述高占空比合成系统由具有一定长度的多级台阶的双折射晶体构成；其设计方法为：

设经过准直器排布系统后各路光束之间的间隔相等且间隔设为c，各路光束的光斑尺寸为d,高占空比合束系统上边沿长度为a，每个台阶的宽度为b，设θ为所采用双折射晶体的walk-off角度，则对于第i路光束，经过高占空比合束系统后，光束的偏折位移X_i表示为：

X_i＝[a+(i-1)b]·tan(θ)

设双折射晶体选定即双折射晶体的walk-off角度θ确定，则设计高占空比合束系统时光束之间的间隔c与每个台阶的长度b之间满足关系式：

c＝b·tan(θ)。

在实际中，各路光束之间的距离不一定相等，此时，可以通过光斑之间不同的间距设计不同的台阶长度。此外，在高占空比合束系统输出端，每个台阶的高度设计与准直器的尺寸相等。

所述的偏振态旋转系统由半波片、带旋转平台的布鲁斯特窗或其他偏振态旋转装置构成，其构成材料可以是石英材料、K9材料等，视具体使用的功率水平进行选择。