一种脉冲激光光谱时序合成系统及方法

技术领域

本发明属于激光技术领域，更具体地，涉及一种脉冲激光光谱时序合成系统及方法。

背景技术

随着科技发展和经济增长，在工业制造加工等领域，对激光系统的亮度提出越来越高的要求。在诸多领域，激光的功率能量亮度已经不能满足应用需求。激光功率能量提升一方面受热效应、非线性效应等限制，另一方面功率提升过程中往往带来光束质量的劣化。将多路光束进行光谱合成是提升激光亮度、功率的重要途径；将多路脉冲激光，通过控制激光的出光时序，通过机械式的方法实现不同时序的脉冲激光在空间上共孔径输出即合成为一路，也可以实现功率/能量扩展，同时光束质量保持不变。将两种合成方式进行合成实现光谱时序合成，是一种高效可行的高功率、高光束质量激光方法。

现有技术中，利用偏振片对相同波长的脉冲时序合成成为脉冲组，然后利用对应的传动光栅实现不同脉冲组（波长不同）的光谱合成，需要多组偏振合成片和多个光栅，并采用两级合成。该方法利用的是偏振合成原理，传动装置复杂，

基于上述缺陷和不足，本领域亟需提出一种新的脉冲激光光谱时序合成方法，利用一片光栅同时实现在水平方向（波长）光谱合成，在竖直方向利用光栅摆动实现脉冲合成，结构上更加简单紧凑，避免了复杂的传动装置，更容易实现，鲁棒性更好。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种脉冲激光光谱时序合成的系统即方法，其中结合脉冲激光自身的特征及其光谱时序合成工艺特点，相应设计了保持高光束质量的同时提升激光功率/能量的装置，并对其关键组件如脉冲激光光源二维阵列、准直聚焦装置、光栅、快反镜以及控制装置的结构及其具体设置方式进行研究和设计，相应的本发明水平方向光源组在控制装置的控制下周期性的发射脉冲激光，将准直后的脉冲激光进行分离，根据衍射方程的一级衍射条件选择所述光栅入射脉冲激光的波长，使得水平方向光源组的单个脉冲激光的入射角度不同，而衍射角度相同，以此方式，使得每组水平方向光源组的单个脉冲激光按照同样的衍射角一级衍射输出，实现水平方向光源组脉冲激光的光谱合成，同时，调整每组水平方向光源组的光束指向，使得每组水平方向光源组经所述光栅后的光束指向与第一组水平方向光源组的光束指向相同，实现在竖直方向实现脉冲光源的时序合成。本发明在一个方向实现同步脉冲光谱合成，在另一个方向实现脉冲的时序合成，实现了保持高光束质量的同时提升激光功率/能量，方法简单，结构更加简单高效紧凑。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种脉冲激光光谱时序合成的系统，包括脉冲激光光源二维阵列、准直聚焦装置、光栅、快反镜以及控制装置，其中，

所述脉冲激光光源二维阵列包括沿多组水平方向光源组和竖直方向光源组，多组所述水平方向光源组和竖直方向光源组构成方形光源二维阵列，所述水平方向光源组在所述控制装置的控制下周期性的发射脉冲激光；

所述准直聚焦装置用于对水平方向光源组和竖直方向光源组中的单个脉冲激光进行准直，并使得准直后的脉冲激光以指定角度入射至所述光栅；

所述控制装置根据衍射方程的一级衍射条件选择所述光栅入射脉冲激光的波长，使得水平方向光源组的单个脉冲激光的入射角度不同，而衍射角度相同，以此方式，使得每组水平方向光源组的单个脉冲激光按照同样的衍射角一级衍射输出，实现水平方向光源组脉冲激光的光谱合成；

所述光栅与所述快反镜相应设置，且该快反镜的角度由所述控制装置控制驱动调整，用于调整每组水平方向光源组的光束指向，使得每组水平方向光源组经所述光栅后的光束指向与第一组水平方向光源组的光束指向相同，实现在竖直方向实现脉冲光源的时序合成。

作为进一步优选的，所述水平方向光源组和竖直方向光源组射出的脉冲激光的束腰位于所述准直聚焦装置靠近所述水平方向光源组和竖直方向光源组一侧的焦点处，所述光栅位于所述准直聚焦装置远离所述平方向光源组和竖直方向光源组一侧的焦点处。

作为进一步优选的，所述准直聚焦装置为多组凸透镜和凹面镜的组合，该准直聚焦装置用于实现水平方向光源组和竖直方向光源组中的单个脉冲激光的准直，并使得准直后的脉冲激光以指定角度入射至所述光栅。

作为进一步优选的，所述光栅为反射式光栅，所述光栅的刻线方向平行于竖直方向。

作为进一步优选的，还包括取样镜和光束指向测试装置，所述取样镜用于对光束指向相同的脉冲激光进行取样；所述光束指向测试装置用于探测所述取样镜的取样结果，并将探测信息反馈给所述控制装置。

作为进一步优选的，所述取样镜为高反镜或者高透镜。

作为进一步优选的，所述衍射方程为：

其中，

按照本发明的另一个方面，还提供了一种脉冲激光光谱时序合成方法，包括以下步骤：

S1将过个不同波长的脉冲激光源进行阵列排序，形成由多组水平方向光源组和竖直方向光源组构成方形光源二维阵列；

S2依次控制每组水平方向光源组射出同步脉冲激光，同时对脉冲激光进行准直聚集，使得脉冲激光以指定的角度间隔入射在光栅上，根据衍射方程的一级衍射条件选择入射脉冲激光的波长，使得水平方向光源组的单个脉冲激光的入射角度不同，而衍射角度相同，以此方式，使得每组水平方向光源组的单个脉冲激光按照同样的衍射角一级衍射输出，实现水平方向光源组脉冲激光的光谱合成；

S3在步骤S2中控制每组水平方向光源组射出同步脉冲激光时，根据第一组水平方向光源组经所述光栅后的光束指向信息，调整与所述光栅相应设置的快反镜的角度，使得后面每组水平方向光源组经所述光栅后的光束指向与第一组水平方向光源组的光束指向相同，以此方式，实现在竖直方向实现脉冲光源的时序合成。

作为进一步优选的，步骤S2中，采用准直聚焦装置对脉冲激光进行准直聚集，所述水平方向光源组和竖直方向光源组射出的脉冲激光的束腰位于所述准直聚焦装置靠近所述水平方向光源组和竖直方向光源组一侧的焦点处，所述光栅位于所述准直聚焦装置远离所述平方向光源组和竖直方向光源组一侧的焦点处。

作为进一步优选的，步骤S2中，所述衍射方程为：

其中，

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1．本发明水平方向光源组在控制装置的控制下周期性的发射脉冲激光，将准直后的脉冲激光进行分离，根据衍射方程的一级衍射条件选择所述光栅入射脉冲激光的波长，使得水平方向光源组的单个脉冲激光的入射角度不同，而衍射角度相同，以此方式，使得每组水平方向光源组的单个脉冲激光按照同样的衍射角一级衍射输出，实现水平方向光源组脉冲激光的光谱合成，同时，调整每组水平方向光源组的光束指向，使得每组水平方向光源组经所述光栅后的光束指向与第一组水平方向光源组的光束指向相同，实现在竖直方向实现脉冲光源的时序合成。本发明在一个方向实现同步脉冲光谱合成，在另一个方向实现脉冲的时序合成，实现了保持高光束质量的同时提升激光功率/能量，方法简单，结构更加简单高效紧凑。

2．本发明利用一片光栅同时实现在水平方向（波长）光谱合成，在竖直方向利用光栅摆动实现脉冲合成。本发明结构更加简单高效紧凑，稳定性好，避免了复杂的传动装置，更容易实现，鲁棒性更好。

3．本发明避开偏振合成中传动装置复杂难控制等问题，利用一片光栅同时实现在水平方向（波长）光谱合成，在竖直方向利用光栅摆动实现脉冲合成。结构更加简单高效紧凑，稳定性更好。

附图说明

图1是本发明优选实施例涉及的一种脉冲激光光谱时序合成系统的结构示意图；

图2是实施例1中涉及的脉冲激光光源二维阵列的结构示意图；

图3是实施例1中涉及的水平方向光源组出射激光的光路示意图；

图4是实施例1中涉及的竖直方向光源组出射激光的光路示意图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-脉冲激光光源二维阵列，2-准直聚焦装置，3-光栅，4-快反镜，5-取样镜，6-光束指向测试装置，7-控制装置，1-1-01、1-1-02、1-1-03、1-1-04、1-1-05、1-2-01、1-2-02、1-2-03、1-2-04、1-2-05、1-3-01、1-3-02、1-3-03、1-3-04、1-3-05-脉冲激光源。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例提供的一种脉冲激光光谱时序合成系统，包括脉冲激光光源二维阵列1、准直聚焦装置2、光栅3、快反镜4以及控制装置7，其中，所述脉冲激光光源二维阵列1包括沿多组水平方向光源组和竖直方向光源组，多组所述水平方向光源组和竖直方向光源组构成方形光源二维阵列，所述水平方向光源组在所述控制装置7的控制下周期性的发射脉冲激光；所述准直聚焦装置2用于对水平方向光源组和竖直方向光源组中的单个脉冲激光进行准直，并使得准直后的脉冲激光以指定角度入射至所述光栅3；所述控制装置7根据衍射方程的一级衍射条件选择所述光栅3入射脉冲激光的波长，使得水平方向光源组的单个脉冲激光的入射角度不同，而衍射角度相同，以此方式，使得每组水平方向光源组的单个脉冲激光按照同样的衍射角一级衍射输出，实现水平方向光源组脉冲激光的光谱合成；所述光栅3与所述快反镜4相应设置，且该快反镜4的角度由所述控制装置7控制驱动调整，用于调整每组水平方向光源组的光束指向，使得每组水平方向光源组经所述光栅3后的光束指向与第一组水平方向光源组的光束指向相同，实现在竖直方向实现脉冲光源的时序合成。

更具体的，本发明中，实现脉冲光谱时序合成功能：其中脉冲激光光源二维阵列1水平方向光源由多个不同波长的脉冲激光源一维排列组成一组，光源束腰位于准直聚焦装置2的一侧的焦点处，位于同一直线上且互相平行，光栅3放置于快反镜4上置于准直聚焦装置2另一侧焦点上，光栅3的刻线方向平行于竖直方向。控制装置7控制脉冲光源射出同步光束脉冲通过准直聚焦装置2，以一定的角度间隔入射在光栅3上；根据衍射方程的一级衍射条件选择入射激光束的波长，使得入射光束的入射角度不同，而衍射角度相同，使得单个脉冲激光光源阵列的入射激光完全按照同样的衍射角一级衍射输出，实现水平方向一组脉冲光源的光谱合成。在竖直方向，脉冲激光光源二维阵列1也位于准直聚焦装置2的一侧的焦点处，同一直线排列形成一列，且互相平行，光栅3放置于快反镜4上置于准直聚焦装置2另一侧焦点上，光栅3的刻线方向平行于竖直方向。控制装置7控制脉冲光源依次射出脉冲光束，通过准直聚焦装置2，以不同的角度入射在光栅3上，控制装置7同步控制脉冲光源与快反镜4，快速改变快反镜4的角度使得不同时间脉冲以相同的角度出射，在竖直方向实现一列脉冲光源的时序合成。

本发明中，所述的脉冲激光光源二维阵列如图2所示，在水平方向，以第一组为例，由多个不同波长的脉冲激光源1-1-01、1-1-02、1-1-03、1-1-04、1-1-05（第二排脉冲激光源1-2-01、1-2-02、1-2-03、1-2-04、1-2-05，第三排脉冲激光源1-3-01、1-3-02、1-3-03、1-3-04、1-3-05），一维排列组成一组，光源束腰位于准直聚焦装置2的一侧的焦点处，位于同一直线上且互相平行，总共3组；在竖直方向，以第一列为例，脉冲光源1-1-01、1-2-01、1-3-01同一直线排列形成一列，且互相平行，共5列。也位于准直聚焦装置2的一侧的焦点处，实现脉冲光谱时序合成步骤如下：

第一步：先在水平方向实现光谱合成，如图3所示，以第1组为例，多个不同波长的脉冲激光源一维排列组成一组1-1-01、1-1-02、1-1-03、1-1-04、1-1-05。控制装置7控制脉冲光源射出同步光束脉冲通过准直聚焦装置2，以一定的角度间隔入射在光栅3上，光栅3的刻线方向平行于竖直方向。根据衍射方程：

其中，

第二步：在竖直方向实现时序合成，如图4所示，图示以第1列为例，脉冲激光源1-1-01、1-2-01、1-3-01同一直线排列形成一列，且互相平行，位于准直聚焦装置2的一侧的焦点处，控制装置7控制脉冲光源1-1-01、1-2-01、1-3-01依次射出同步光束脉冲通过准直聚焦装置2，会以不同的角度入射在光栅上。

具体的：控制装置7控制第1组1-1-01、1-1-02、1-1-03、1-1-04、1-1-05同步出光，快反镜4保持静止不动，脉冲光束以一定的角度反射，光束经过取样镜入射至光束指向探测装置6，测出光束指向信息反馈至控制装置7；脉冲光源1-1-01、1-1-02、1-1-03、1-1-04、1-1-05停止出光后，控制装置7控控制第2组1-2-01、1-2-02、1-2-03、1-2-04、1-2-05同步出光，控制装置7根据反馈的光束指向信息及探测到的1-2-01的指向位置信息，控制快反镜的角度，使得脉冲光源第1组与第2组脉冲光束具有相同光束指向；第2组脉冲光源停止出光后，控制装置7控制第3组脉冲光源1-3-01、1-3-02、1-3-03、1-3-04、1-3-05同步出光，控制装置7根据第1组反馈的指向信息及探测到的1-3-01、1-3-02、1-3-03、1-3-04、1-3-05的光束指向信息，控制快反镜的角度，使得第3组与第1组具有相同光束指向；以上动作，依次往复，实现脉冲的时序合成。

在本发明中，脉冲激光光源二维阵列1在水平和竖直方向直线排列，且互相平行，其排数和列路数可以是任意的，激光体制可以是但不限于固体激光器、光纤激光器等，其出光方式为脉冲形式。但是，无论方形光源二维阵列如何排列，每排水平方向光源组的光源都是一样的。同时相邻之间的光源具有一定间隔，该间隔可以根据需要进行设定。另外本发明中脉冲激光的输出不限于固体激光器、光纤激光器等，其出光方式为脉冲形式均可满足本发明要求。

在本发明中，准直聚焦装置2、其可以但不限于透镜、凹面镜、或多组镜片的组合，但是其功能为实现激光光源输出光束的准直并以一定的角度入射至光栅3。在本发明的一个实施例中，准直聚焦装置2包括准直部件和光路转换部件。其中，准直部件包括第一镜片和第二镜片，所述第一镜片与所述第二镜片相对设置，第一镜片位于激光源与第二镜片之间，第一镜片的热膨胀系数小于第二镜片的热膨胀系数，激光源发射的激光依次经第一镜片和第二镜片折射后形成准直光线。更具体的额，在本实施例中，第一镜片具有相背设置的第一曲面和第二曲面，第二镜片具有相背设置的第三曲面和第四曲面，第二曲面与第三曲面相对，激光源发射的激光依次经第一曲面、第二曲面、第三曲面及第四曲面的折射后形成准直光线，第一镜片的第一曲面和第二曲面为球面，第二镜片的第三曲面和第四曲面为非球面。或者第一镜片具有相背设置的第一曲面和第二曲面，第二镜片具有相背设置的第三曲面和第四曲面，第二曲面与第三曲面相对，激光源发射的激光依次经第一曲面、第二曲面、第三 曲面及第四曲面的折射后形成准直光线，第一镜片的第一曲面和第二曲面为非球面，第二镜片的第三曲面和第四曲面为非球面。在本发明的另一个实时例中，准直聚焦装置2包括从左至右依次设置的第一透镜与第二透镜和第三透镜。第一透镜与第二透镜呈弯月形，第三透镜为平凸透镜。第一透镜与第二透镜弯月形凹面为光的入射面，弯月形凸面为光的出射面，第三透镜平凸透镜的平面为光的入射面，平凸透镜的凸面为光的出射面。

在本发明中，光栅3可以但不限于反射式光栅，也可以是反射式光栅。在本发明的一个实施例中，光栅3由多个各自具有一被两条直线和一条曲线中的任何一个围绕的横截面形状的衍射光栅构件构成；该衍射光栅还包括多个光屏蔽构件，每一个均在该些衍射光栅构件中相应的一个上在所述衍射光栅构件沿该横截面形状的该直线和该曲线中的任何一个的一侧面上形成。其中，光屏蔽元件减小了相对于入射光的零级透射光。光屏蔽构件是通过在该衍射光栅构件上在该衍射光栅构件沿该横截面形状的该直线和该曲线中的任何一个的一侧面上从一倾斜方向蒸镀金属而形成的。在本发明的另一实施例中，光栅3为三棱镜，该三棱镜采用透明树脂制备而成。在本发明的另一个实施例中，光栅3为衍射光栅，该衍射光栅包括一树脂层以及位于该树脂层内的多个金属表面，该些金属表面是周期性设置的，每个金属表面具有一与该薄膜表面成一给定的闪耀角的倾角。

在本发明中，快反镜4用以对光栅的指向进行快速调整。

在本发明中，取样镜5用于对光束指向相同的脉冲激光进行取样。一般而言，取样镜5为高反镜或者高透镜。所述光束指向测试装置6用于探测所述取样镜5的取样结果，并将探测信息反馈给所述控制装置7。即光束指向探测装置6可以对脉冲激光的光束指向信息进行快速探测，并将信息反馈至控制装置7。

本发明还提供了一种脉冲激光光谱时序合成方法，包括以下步骤：

（1）将过个不同波长的脉冲激光源进行阵列排序，形成由多组水平方向光源组和竖直方向光源组构成方形光源二维阵列；

（2）依次控制每组水平方向光源组射出同步脉冲激光，同时对脉冲激光进行准直聚集，使得脉冲激光以指定的角度间隔入射在光栅3上，根据衍射方程的一级衍射条件选择入射脉冲激光的波长，使得水平方向光源组的单个脉冲激光的入射角度不同，而衍射角度相同，以此方式，使得每组水平方向光源组的单个脉冲激光按照同样的衍射角一级衍射输出，实现水平方向光源组脉冲激光的光谱合成。

其中，本步骤采用准直聚焦装置2对脉冲激光进行准直聚集，所述水平方向光源组和竖直方向光源组射出的脉冲激光的束腰位于所述准直聚焦装置2靠近所述水平方向光源组和竖直方向光源组一侧的焦点处，所述光栅3位于所述准直聚焦装置2远离所述平方向光源组和竖直方向光源组一侧的焦点处。

所述衍射方程为：

其中，

（3）在步骤（2）中控制每组水平方向光源组射出同步脉冲激光时，根据第一组水平方向光源组经所述光栅3后的光束指向信息，调整与所述光栅3相应设置的快反镜4的角度，使得后面每组水平方向光源组经所述光栅3后的光束指向与第一组水平方向光源组的光束指向相同，以此方式，实现在竖直方向实现脉冲光源的时序合成。在本步骤中，采用取样镜5对光束指向相同的脉冲激光进行取样；采用光束指向测试装置6探测所述取样镜5的取样结果，并将探测信息反馈给所述控制装置7。

本发明在一个方向实现同步脉冲光谱合成，在另一个方向实现脉冲的时序合成，提出了一种保持高光束质量的同时提升激光功率/能量的方法。同时，将多路脉冲激光光谱时序合成为一路共孔径输出，从而实现功率能量提升，同时保持高光束质量，具有结构简单，稳定可靠等优点。

实施例1

如图2和图3所示，在水平方向，以第一组为例，由多个不同波长的脉冲激光源1-1-01、1-1-02、1-1-03、1-1-04、1-1-05，位置间隔为10mm，一维排列组成一组，光源束腰位于准直聚焦装置2的一侧的焦点处，位于同一直线上且互相平行，总共3组；在竖直方向，以第一列为例，脉冲光源1-1-01、1-2-01、1-3-01同一直线排列形成一列，位置间隔为40mm，且互相平行，共5列。也位于准直聚焦装置2的一侧的焦点处，准直聚焦装置为焦距为1.06m的透镜：

第1组脉冲激光器1-1-01、1-1-02、1-1-03、1-1-04、1-1-05的平均脉冲能量约为10mJ，脉冲宽度均为10ms、光束质量近衍射极限，重复频率为10Hz，波长分别为1064nm、1066nm、1068nm、1070nm、1072nm；

第2组脉冲激光器1-2-01、1-2-02、1-2-03、1-2-04、1-2-05的平均脉冲能量约为10mJ，脉冲宽度均为10ms、光束质量近衍射极限，重复频率为10Hz，波长分别为1064nm、1066nm、1068nm、1070nm、1072nm；

第3组脉冲激光器1-3-01、1-3-02、1-3-03、1-3-04、1-3-05的平均脉冲能量约为10mJ，脉冲宽度均为10ms、光束质量近衍射极限，重复频率为10Hz，波长分别为1064nm、1066nm、1068nm、1070nm、1072nm；

在水平方向实现光谱合成，以第1组为例，多个不同波长的脉冲激光源一维排列组成一组1-1-01、1-1-02、1-1-03、1-1-04、1-1-05。控制装置7控制脉冲光源射出同步光束脉冲通过准直聚焦装置2，以一定的角度间隔入射在光栅3上，光栅3的刻线方向平行于竖直方向。根据衍射方程为：

其中，

竖直方向实现时序合成，以第1列为例，脉冲光源1-1-01、1-2-01、1-3-01同一直线排列形成一列，且互相平行，位于准直聚焦装置2的一侧的焦点处，控制装置7控制脉冲光源1-1-01、1-2-01、1-3-01依次射出同步光束脉冲通过准直聚焦装置2，会以不同的角度入射在光栅上。

具体的：控制装置7控制第1组1-1-01、1-1-02、1-1-03、1-1-04、1-1-05同步出光，快反镜4保持静止不动，脉冲光束以一定的角度反射，光束经过取样镜入射至光束指向探测装置6，测出光束指向信息反馈至控制装置7；脉冲光源1-1-01、1-1-02、1-1-03、1-1-04、1-1-05停止出光后，控制装置7控控制第2组1-2-01、1-2-02、1-2-03、1-2-04、1-2-05同步出光，控制装置7根据反馈的光束指向信息及探测到的1-2-01的指向位置信息，控制快反镜的角度，使得脉冲光源第1组与第2组脉冲光束具有相同光束指向；第2组脉冲光源停止出光后，控制装置7控制第3组脉冲光源1-3-01、1-3-02、1-3-03、1-3-04、1-3-05同步出光，控制装置7根据第1组反馈的指向信息及探测到的1-3-01、1-3-02、1-3-03、1-3-04、1-3-05的光束指向信息，控制快反镜的角度，使得第3组与第1组具有相同光束指向；以上动作，依次往复，实现脉冲的时序合成。

通过对合成激光的能量、光束质量进行测试，合成激光的脉冲能量约为50mJ、脉冲宽度为10ms、重频为30Hz，光束质量约为1.5，将脉冲能量由10mJ提升至50mJ，频率由10Hz提升至30Hz，光束质量几乎保持不变。表明良好的合成效果。

该实施例表明，本发明具有结构简单，稳定可靠等优点。适用于各种类型的脉冲激光合成，实现高光束质量的功率/能量提升。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。