專利名稱：一種孔徑填充裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種孔徑填充裝置技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實用新型涉及激光器相干合成領(lǐng)域，尤其是涉及一種利用疊加式分光干涉光路實現(xiàn)多路相干激光光束合成的孔徑填裝置及方法。
背景技術(shù)：
[0002]為了突破單個激光器功率瓶頸的限制，將多路激光器進行相干合成從而獲得更高的激光功率輸出受到越來越多研究者的重視。在主動相干合成技術(shù)中，采用相位檢測和控制技術(shù)可以使多路光束的相位保持高度相關(guān)，但是由于光路中的光場模式以及機械裝配等原因，各路光束排布不可能無限緊密，實際激光陣列的填充因子(填充因子指的是近場激光陣列有效出光面積占整個孔徑的比率)一般遠小于1，由此將造成激光陣列的合成光束具有多旁瓣結(jié)構(gòu)，相當部分的能量將分布在旁瓣中，能量集中度低。[0003]為了獲得遠場單一主瓣光束信號，研究者提出了幅相轉(zhuǎn)換、自成像波導、光束整形、衍射光學法、光束截斷法等孔徑填充技術(shù)。幅相轉(zhuǎn)換技術(shù)的關(guān)鍵是設(shè)計合適的相位板， 但是相位板很難承受透鏡聚焦導致的極高的激光功率密度；自成像波導利用的是多模波導的“自成像”效應(yīng)，但是波導的尺寸較小，容納的激光光束數(shù)量有限，另外耐高功率的自成像波導設(shè)計也是難點；光束整形通過非球面透鏡組把各路激光光束整形為振幅、相位均勻分布的平頂光束，但是具有整形功能的非球面透鏡組的設(shè)計非常困難，另外多路透鏡組的調(diào)節(jié)也非常麻煩；衍射光學法需要設(shè)計特殊的光柵，例如達曼光柵，但是該光柵還需要耐高功率激光輻照，且會因為引入熱變形等其他因素而破壞合成光束的光束質(zhì)量。實用新型內(nèi)容[0004]本實用新型所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種疊加式分光干涉光路實現(xiàn)多路激光光束相干合成的孔徑填充技術(shù)，通過多個相干光束經(jīng)過反射鏡、分光鏡、反饋電路等進行相位電壓誤差的控制，使多路相干光束合成為遠場單一主瓣光束信號，其中采用疊加式結(jié)構(gòu)不受相干合成光束數(shù)量的限制。[0005]本實用新型采用的技術(shù)方案如下[0006]一種孔徑填充裝置，包括第一合成干涉光路、第二合成干涉光路、合成干涉光路、 合成器、第一分光鏡、第一反饋電路，所述第一合成干涉光路輸出端、第二合成干涉光路輸出端分別與合成器第一輸入端、合成器第二輸入端連接，合成器輸出端輸出光信號經(jīng)過第一分光鏡透射和發(fā)射，所述經(jīng)過第一分光鏡透射的光信號輸入至第一反饋電路輸入端，所述第一反饋電路輸出端與合成器第三端口連接，其中第一合成干涉光路、第二合成干涉光路用于對輸入的兩路光信號進行功率合成；合成器用于對第一合成干涉光路、第二合成干涉光路輸出信號進行功率合成；第一分光鏡用于對合成器輸出的光信號進行反射和透射； 第一反饋電路用于將分光鏡反射的光信號進行反饋光信號調(diào)節(jié)。[0007]所述第一合成干涉光路、第二合成干涉光路分別包括第一光電相位調(diào)制器、第一反射鏡、第二分光鏡、第二反射鏡，所述第一光路通過第一電光相位調(diào)節(jié)器輸出的光信號經(jīng)過第一反射鏡發(fā)射至第二分光鏡，所述第二分光鏡同時將第一反射鏡發(fā)射的光信號透射和反射，第二光路的光信號透射和反射，其中第一光電相位調(diào)制器用于對輸入的第一光路信號進行相位調(diào)節(jié)；第一反射鏡用于反射第一電光相位調(diào)制器輸出的光信號給第二分光鏡； 第二分光鏡用于分別反射第一反射鏡折射的光信號，透射第二電光相位調(diào)制器的光信號形成第三光路；同時反射第二電光相位調(diào)制器的光信號給第二反射鏡，透射第一反射鏡折射的光信號給第二反射鏡；第二反射鏡用于折射第二分光鏡的折射光信號，同時折射第二分光鏡透射的信號形成第四光路；第三分光鏡用于對第三光路信號進行反射和透射；第二反饋電路用于對第三分光鏡反射的光信號進行反饋光、信號調(diào)節(jié)。[0008]所述合成器包括第二電光相位調(diào)制器、第三反射鏡、第四分光鏡，所述第一合成干涉光路輸出端與第二電光相位調(diào)節(jié)器地一輸入端連接，第二反饋電路輸出端與第二電光相位調(diào)節(jié)器第二輸入端連接，第二電光相位調(diào)節(jié)器輸出端輸出光信號通過第三反射鏡反射至第四分光鏡，第四分光鏡同時對第三反射鏡反射光信號、第二合成干涉光路輸出光信號進行透射和折射，其中第二電光相位調(diào)制器用于通過反饋電路輸出的誤差值調(diào)節(jié)第一合成干涉光路功率值；第三反射鏡用于反射第二電光相位調(diào)制器輸出的光信號；第四分光鏡用于對第三反射鏡反射的光信號、第二合成干涉光路輸出的光信號進行反射、折射，輸出至第一分光鏡。[0009]所述第一反饋電路、第二反饋電路包括光電探測器、誤差放大器，所述第一分光鏡或第三分光鏡投射的光信號發(fā)送至光電探測器輸入端，光電探測器輸出端與誤差放大器輸入端連接，誤差放大器參考端輸入?yún)⒖茧妷?，誤差放大器輸出端輸出電壓信號，其中光電探測器所述光電探測器用于將第一分光鏡或第三反光鏡反射的光信號轉(zhuǎn)換為電信號；誤差放大器用于將光電探測器輸出的電信號與參考電壓值進行比對，將比對的誤差值輸出至合成器第二電光相位調(diào)制器。[0010]一種孔徑填充裝裝置包括2n個第一合成干涉光路、合成器、反饋電路、分光鏡，所述每兩個第一合成干涉光路通過合成器進行光路信號的合成，經(jīng)過光路合成后的光信號通過分光鏡與反饋電路進行閉環(huán)控制后輸出，依次級聯(lián)2n個第一合成干涉光路，形成疊加式分光干涉光路，其中η大于等于I。[0011]綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本實用新型的有益效果是[0012](I)、兩路光路信號光束相干合成時，第一光路經(jīng)過分光鏡的透射光束與第二光路經(jīng)過兩個反射鏡和分光鏡處理后，使得第一光路、第二光路兩路相干合成光束根據(jù)光的干涉原理與光的半波反射現(xiàn)象，通過調(diào)節(jié)兩路光束的相位差獲得遠場單一主瓣光束信號；[0013](2)、本設(shè)計中第一合成光路、第二合成光路兩路輸出通過合成器進行光信號合成后，在通過反光鏡、反饋電路將合成輸出的光信號進行閉環(huán)調(diào)節(jié)誤差使得輸出光信號獲得遠場單一主瓣光束信號；[0014](3)、本設(shè)計通過誤差控制電路對輸出相干干涉光束能量形成閉環(huán)控制，具體過程是合成器輸出的光信號經(jīng)過分光鏡透射后，通過光電探測器將輸出光信號對應(yīng)的電信號反饋給誤差放大器，誤差放大器通過與參考電壓值進行比對，若輸出相干干涉光束能量的電壓值與參考值存在誤差值，則通過相位調(diào)制器補償輸出相干干涉光束能量。[0015](4)采用疊加式分光干涉光路，不受合成光路路數(shù)的限制；另外能夠?qū)崿F(xiàn)遠場單一主瓣光束信號相干合成，從而提高能量集中度；最后由于全反鏡和半透半反鏡可以承受很高的激光功率,因此相比其他孔徑填充技術(shù)有可能實現(xiàn)更高的激光合成功率輸出。


[0016]本實用新型將通過例子并參照附圖的方式說明，其中[0017]圖I是本設(shè)計光信號合成示意圖；[0018]圖2是第一合成干涉電路、第二合成干涉電路光干涉光路示意圖；[0019]圖3是合成器示意圖；[0020]圖4是反饋電路示意圖；[0021]圖5是疊加式分光干涉光路實現(xiàn)多路相干激光光束合成示意圖。
具體實施方式
[0022]為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，
以下結(jié)合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。[0023]本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。[0024]本說明書(包括任何附加權(quán)利要求、摘要和附圖)中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。[0025]電光相位調(diào)節(jié)器利用電光效應(yīng)制成的器件。某些光學介質(zhì)受到外電場作用時， 它的折射率將隨著外電場變化，介電系數(shù)和折射率都與方向有關(guān)，在光學性質(zhì)上變?yōu)楦飨虍愋裕@就是電光效應(yīng)。電光效應(yīng)有兩種，一種是折射率的變化量與外電場強度的一次方成比例，稱為泡克耳斯(Pockels)效應(yīng)；另一種是折射率的變化量與外電場強度的二次方成比例，稱為克爾(Kerr)效應(yīng)不能用。利用克爾效應(yīng)制成的調(diào)制器，稱為克爾盒，其中的光學介質(zhì)為具有電光效應(yīng)的液體有機化合物。利用泡克耳斯效應(yīng)制成的調(diào)制器，稱為泡克耳斯盒，其中的光學介質(zhì)為非中心對稱的壓電晶體。泡克耳斯盒又有縱向調(diào)制器和橫向調(diào)制器兩種，本設(shè)計中應(yīng)用泡克爾斯效應(yīng)制成的電光相位調(diào)節(jié)器。其中設(shè)電光相位調(diào)制器的半波電壓為Vji，施加在電光調(diào)制器的電壓為V，則電光相位調(diào)制器上的附加相位為V[0026]Φ= (―)*^(I)[0027]如果沒有施加電壓，就沒有附加相位，只有電光調(diào)制器本身的相位Φ0，不會發(fā)生變化。設(shè)輸入光信號的相位為Φ in,輸出光信號的相位為Φοιι ,則[0028]Hs =# + #0(2)[0029]本設(shè)計中光路信號通過電光相位調(diào)制器調(diào)節(jié)時，受到反饋電路反饋信號的影響。 反饋電路通過輸出的電壓信號來控制調(diào)節(jié)光信號的相位，使得輸入電光相位調(diào)節(jié)器的光信號的相位隨之進行閉環(huán)調(diào)節(jié)。[0030]本設(shè)計中的反射鏡采用全反鏡，分光鏡采用半透半反鏡可以承受更高的激光功率。其中合成器中的分光鏡的分光比為1:1。為反饋電路提供光信號的分光鏡只需反射小部分光給反饋電路，而透射絕大部分光用于功率合成，例如為反饋電路提供光信號的分光鏡分光比值可達I :99，甚至更低。[0031]如圖I、圖2所述，一種孔徑填充裝置，包括第一合成干涉光路、第二合成干涉光路用于對輸入的兩路光信號進行功率合成(其中第一合成干涉光路與第二合成干涉光路結(jié)構(gòu)都相同)；合成器用于對第一合成干涉光路、第二合成干涉光路輸出信號進行功率合成； 第一分光鏡用于對合成器輸出的光信號進行反射和透射；第一反饋電路用于將對光鏡反射的光信號進行反饋光信號調(diào)節(jié)。[0032]第一合成干涉光路、第二合成干涉光路包括第一光電相位調(diào)制器用于對輸入的第一光路信號進行相位調(diào)節(jié)；第一反射鏡用于反射第一電光相位調(diào)制器輸出的光信號給第二分光鏡；第二分光鏡用于分別反射第一反射鏡折射的光信號，透射第二電光相位調(diào)制器的光信號形成第三光路；同時反射第二電光相位調(diào)制器的光信號給第二反射鏡，透射第一反射鏡折射的光信號給第二反射鏡；第二反射鏡用于折射第二分光鏡的折射光信號，同時折射第二分光鏡透射的信號形成第四光路；第三分光鏡用于對第三光路信號進行反射和透射；第二反饋電路用于對第三分光鏡反射的光信號進行反饋光、信號調(diào)節(jié)。第一合成干涉光路、第二合成干涉光路光路結(jié)構(gòu)，工作原理都相同，簡稱合成干涉光路。[0033]合成干涉光路工作原理[0034]I)第一光路信號經(jīng)過第一電光相位調(diào)制器后通過第一反射鏡將調(diào)制后的第一光路信號反射至第二分光鏡，經(jīng)過第二分光鏡的透射光束與第二光路信號經(jīng)過第二分光鏡的反射光束重合；第二分光鏡的反射光束與第二光路經(jīng)過第二分光鏡的透射光束重合。其中第一光路信號和第二光路信號平行，第一反射鏡、第二反射鏡和第二分光鏡、第三分光鏡的角度為45度。[0035]設(shè)分光鏡的分光比為I :1，第一光路的光強為/I，第二光路的光強為一且I =/2 = i , Θ表示兩路光的相位差(不斷隨時間變化)，I表示光強。第三光路的光場由第一光路的反射光場和第二光路的透射光場組成，由于分光鏡的分光比為I :1，因此第一光路的反射光強為第二光路的透射光強為#。根據(jù)光的干涉原理，可得第三路光強13為公式(3)[0037]
權(quán)利要求1.一種孔徑填充裝置，其特征在于包括第一合成干涉光路、第二合成干涉光路、合成干涉光路、合成器、第一分光鏡、第一反饋電路，所述第一合成干涉光路輸出端、第二合成干涉光路輸出端分別與合成器第一輸入端、合成器第二輸入端連接，合成器輸出端輸出光信號經(jīng)過第一分光鏡透射和發(fā)射，所述經(jīng)過第一分光鏡透射的光信號輸入至第一反饋電路輸入端，所述第一反饋電路輸出端與合成器第三端口連接，其中第一合成干涉光路、第二合成干涉光路用于對輸入的兩路光信號進行功率合成；合成器用于對第一合成干涉光路、第二合成干涉光路輸出信號進行功率合成；第一分光鏡用于對合成器輸出的光信號進行反射和透射；第一反饋電路用于將分光鏡反射的光信號進行反饋光信號調(diào)節(jié)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種孔徑填充裝置，其特征在于所述第一合成干涉光路、第二合成干涉光路分別包括第一光電相位調(diào)制器、第一反射鏡、第二分光鏡、第二反射鏡，第一光路通過第一電光相位調(diào)節(jié)器輸出的光信號經(jīng)過第一反射鏡發(fā)射至第二分光鏡，所述第二分光鏡同時將第一反射鏡發(fā)射的光信號透射和反射，第二光路的光信號透射和反射，其中第一光電相位調(diào)制器用于對輸入的第一光路信號進行相位調(diào)節(jié)；第一反射鏡用于反射第一電光相位調(diào)制器輸出的光信號給第二分光鏡；第二分光鏡用于分別反射第一反射鏡折射的光信號，透射第二電光相位調(diào)制器的光信號形成第三光路；同時反射第二電光相位調(diào)制器的光信號給第二反射鏡，透射第一反射鏡折射的光信號給第二反射鏡；第二反射鏡用于折射第二分光鏡的折射光信號，同時折射第二分光鏡透射的信號形成第四光路；第三分光鏡用于對第三光路信號進行反射和透射；第二反饋電路用于對第三分光鏡反射的光信號進行反饋光、信號調(diào)節(jié)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種孔徑填充裝置，其特征在于所述合成器包括第二電光相位調(diào)制器、第三反射鏡、第四分光鏡，所述第一合成干涉光路輸出端與第二電光相位調(diào)節(jié)器地一輸入端連接，第二反饋電路輸出端與第二電光相位調(diào)節(jié)器第二輸入端連接，第二電光相位調(diào)節(jié)器輸出端輸出光信號通過第三反射鏡反射至第四分光鏡，第四分光鏡同時對第三反射鏡反射光信號、第二合成干涉光路輸出光信號進行透射和折射，其中第二電光相位調(diào)制器用于通過反饋電路輸出的誤差值調(diào)節(jié)第一合成干涉光路功率值；第三反射鏡用于反射第二電光相位調(diào)制器輸出的光信號；第四分光鏡用于對第三反射鏡反射的光信號、第二合成干涉光路輸出的光信號進行反射、折射，輸出至第一分光鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求I中所述的一種孔徑填充裝置，其特征在于所述第一反饋電路、第二反饋電路包括光電探測器、誤差放大器，所述第一分光鏡或第三分光鏡投射的光信號發(fā)送至光電探測器輸入端，光電探測器輸出端與誤差放大器輸入端連接，誤差放大器參考端輸入?yún)⒖茧妷海`差放大器輸出端輸出電壓信號，其中光電探測器所述光電探測器用于將第一分光鏡或第三反光鏡反射的光信號轉(zhuǎn)換為電信號；誤差放大器用于將光電探測器輸出的電信號與參考電壓值進行比對，將比對的誤差值輸出至合成器第二電光相位調(diào)制器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種孔徑填充裝裝置，其特征在于包括2n個第一合成干涉光路、合成器、反饋電路、分光鏡，每兩個第一合成干涉光路通過合成器進行光路信號的合成，經(jīng)過光路合成后的光信號通過分光鏡與反饋電路進行閉環(huán)控制后輸出，依次級聯(lián)2n個第一合成干涉光路，形成疊加式分光干涉光路，其中n大于等于I。
專利摘要本實用新型涉及激光器相干合成領(lǐng)域，尤其是涉及一種利用疊加式分光干涉光路實現(xiàn)多路光束合成的孔徑填充裝置及方法。本實用新型針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種孔徑填充裝置及方法實現(xiàn)多路激光光束相干合成，通過多個相干光束經(jīng)過反射鏡、分光鏡、反饋電路等進行相位電壓誤差的控制，使多路相干光束合成為遠場單一主瓣光束。本實用新型包括第一合成干涉光路、第二合成干涉光路用于對輸入的兩路光信號進行功率合成；合成器用于對第一合成干涉光路、第二合成干涉光路輸出信號進行功率合成；第一分光鏡用于對合成器輸出的光信號進行反射和透射；第一反饋電路用于將分光鏡反射的光信號進行反饋光信號調(diào)節(jié)。本實用新型主要應(yīng)用于激光器相干合成領(lǐng)域。
文檔編號G02B27/10GK202815322SQ201220303579
公開日2013年3月20日 申請日期2012年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月27日
發(fā)明者王德田, 陳光華, 周維軍, 溫偉峰, 王榮波, 彭其先, 李澤仁 申請人:中國工程物理研究院流體物理研究所