一种激光光路对准装置和激光光路对准方法与流程

[0001]
本发明实施例涉及激光技术领域，尤其涉及一种激光光路对准装置和激光光路对准方法。


背景技术：

[0002]
近年来，高光束质量、高峰值功率的近红外、绿光和紫外光成为激光领域的研究热点。基于多级放大结构的固体激光器以其简单紧凑的结构、良好的稳定性、较高的性价比得到了激光加工尤其是精细加工领域的青睐。
[0003]
在高功率多级激光放大器光路调试中，需要将前置激光预放大级输出的信号光精确耦合到后置放大系统当中，信号光需要与后置光学系统中增益介质等确定的光路轴心严格对准以避免效率低下甚至损坏光学晶体的可能性，因此，高功率激光光路对准装置和方法有着非常实用的价值。
[0004]
目前，常用的高功率激光光路对准方法是降低前置预放大级的输出功率，先将小功率信号光与后置放大器光路对准，再增加前置放大级功率实现最终高功率对准的目标。这种方案尽管调节方法简单，但存在其技术缺陷。因为在高功率激光放大系统中，不同功率运转情况下，激光器中光学元件的热负荷和热分布是不同的，热负荷和热分布的差异将通过热光效应直接影响到系统输出的光斑尺寸和光束指向性。如果仅通过降低前置预放大级的功率来实现后续的光路对准，那么当前置放大级功率提升到正常状态时，前置预放大级内光学元件的热变形将引起前置预放大级的光学晶体及镜片等器件热变形，影响输出光束光斑大小发生变化，导致后置放大级放大效率的下降；甚至，如果信号光在后置放大级晶体中的轴向偏移过大还可能会导致增益晶体的光学损伤。


技术实现要素：

[0005]
有鉴于此，本发明实施例提供一种激光光路对准装置和激光光路对准方法，以解决现有技术中因再次提高前置预放大级的输出功率造成的前置放大级腔内光学晶体及镜片等器件热变形在光路对准中的影响以及高峰值功率密度信号光对后置光学单元中激光增益晶体造成损伤的技术问题。
[0006]
第一方面，本发明实施例提供了一种激光光路对准装置，包括：前置激光模块、功率衰减模块和后置激光模块；
[0007]
所述前置激光模块用于出射第一激光光束，所述第一激光光束具备第一功率；
[0008]
所述功率衰减模块位于所述第一激光光束的传播路径上，用于至少调整所述第一激光光束形成第二激光光束，所述第二激光光束具备第二功率，所述第二功率小于所述第一功率；
[0009]
所述后置激光模块位于所述第二激光光束的传播路径上，所述后置激光模块包括激光增益晶体，所述增益晶体的几何中心位于所述第二激光光束的光轴方向上。
[0010]
可选的，第一激光光束为线偏振光束；
[0011]
所述功率衰减模块包括偏振调整单元和偏振分束单元；
[0012]
所述偏振调整单元位于所述第一激光光束的传播路径上，用于调整所述第一激光光束的偏转状态，形成调整偏振光束；
[0013]
所述偏振分束单元位于所述调整激光光束的传播路径上，用于将所述调整激光光束分束形成所述第二激光光束和第三激光光束，所述第三激光光束具备第三功率，所述第三功率大于所述第二功率。
[0014]
可选的，所述功率衰减模块包括起偏单元、偏振调整单元和偏振分束单元；
[0015]
所述起偏单元位于所述第一激光光束的传播路径上，用于调整所述第一激光光束为线偏振光束；
[0016]
所述偏振调整单元位于所述线偏振光束的传播路径上，用于调整所述线偏振光束的偏转状态，形成调整偏振光束；
[0017]
所述偏振分束单元位于所述调整偏转光束的传播路径上，用于将所述调整偏振光束分束形成所述第二激光光束和第三激光光束，所述第三激光光束具备第三功率，所述第三功率大于所述第二功率。
[0018]
可选的，所述偏振分束单元包括偏振分束器；
[0019]
所述偏振分束器包括格兰汤姆森棱镜或者偏振分束立方体。
[0020]
可选的，所述偏振分束单元包括第一偏振分光镜和第二偏振分光镜；
[0021]
所述第一偏振分光镜位于所述调整偏振光束的传播路径上，所述调整偏振光束以布儒斯特角入射至所述第一偏振分光镜，所述第一偏振分光镜用于将所述调整偏振光束分束形成第四激光光束和所述第三激光光束，所述第三激光光束具备第三功率，所述第三功率大于所述第二功率；
[0022]
所述第二偏振分光镜位于所述第四激光光束的传播路径上，所述第四激光光束以布儒斯特角入射至所述第二偏振分光镜，所述第二偏振分光镜用于调整所述第四激光光束的传播方向，以形成所述第二激光光束。
[0023]
可选的，后置激光模块还包括第一反射镜和第二反射镜；
[0024]
所述第一反射镜和所述第二反射镜依次位于所述第二激光光束的传播路径上，用于调整所述第二激光光束和的轴向偏移和角向指向，以使所述激光增益晶体的几何中心位于所述第二激光光束的光轴方向上。
[0025]
可选的，所述前置激光模块包括光纤激光器、固体激光器、振荡器、单级激光放大器或者多级激光放大器。
[0026]
可选的，所述第一功率w满足w≥10w。
[0027]
第二方面，本发明实施例还提供了一种激光光路对准方法，应用于第一方面所述的激光光路对准装置，包括：
[0028]
所述前置激光模块出射第一激光光束，所述第一激光光束具备第一功率；
[0029]
所述功率衰减模块位于所述第一激光光束的传播路径上，所述功率衰减模块至少调整所述第一激光光束形成第二激光光束，所述第二激光光束具备第二功率，所述第二功率小于所述第一功率；
[0030]
所述后置激光模块位于所述第二激光光束的传播路径上，所述后置激光模块包括激光增益晶体，所述增益晶体的几何中心位于所述第二激光光束的光轴方向上。
[0031]
可选的，所述增益晶体的几何中心位于所述第二激光光束的光轴方向上之后，所述激光光路对准方法还包括：
[0032]
移出所述功率衰减模块，以使所述增益晶体的几何中心位于所述第一激光光束的光轴方向上。
[0033]
本发明实施例提供的激光光路对准装置，通过在高功率光路对准中采用功率衰减模块，通过首先对激光进行功率衰减，可在不改变光束指向性及光斑大小的情况下实现光功率衰减及光路对准，避免由于改变激光光束光功率引起的光学晶体及镜片等器件热变形，引起光束指向性以及光斑大小发生变化。解决了现有技术中因再次提高前置预放大级的输出功率造成的前置放大级腔内光学晶体及镜片等器件热变形在光路对准中的影响以及高峰值功率密度信号光对后置光学单元中激光增益晶体造成损伤的技术问题，实现了光路的精确对准以及高效传输。
附图说明
[0034]
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0035]
图1为本发明实施例中的一种激光光路对准装置示意图；
[0036]
图2为本发明实施例中的又一种激光光路对准装置示意图；
[0037]
图3为本发明实施例中的又一种激光光路对准装置示意图；
[0038]
图4为本发明实施例中的又一种激光光路对准装置示意图；
[0039]
图5为本发明实施例还提供了一种激光光路对准方法的流程图；
[0040]
图6为本发明实施例还提供了又一种激光光路对准方法的流程图；
具体实施方式
[0041]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合本发明实施例中的附图，通过具体实施方式，完整地描述本发明的技术方案。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有其他实施例，均落入本发明的保护范围之内。
[0042]
实施例
[0043]
本发明实施例提供了一种激光光路对准装置，图1是本发明实施例中的一种激光光路对准装置示意图。如图1所示，一种激光光路对准装置，包括：前置激光模块1、功率衰减模块2和后置激光模块3；前置激光模块1用于出射第一激光光束a，第一激光光束a具备第一功率；功率衰减模块2位于第一激光光束a的传播路径上，用于至少调整第一激光光束a形成第二激光光束b，第二激光光束b具备第二功率，第二功率小于第一功率；后置激光模块3位于第二激光光束b的传播路径上，后置激光模块3包括激光增益晶体，增益晶体的几何中心位于第二激光光束b的光轴方向上。
[0044]
示例性的，本实施例中前置激光模块1为激光发光光源，包含光学晶体、镜片等光学器件，光学器件易受温度影响引起热变形，前置激光模块1发出第一束激光光束a，第一束激光光束a具有第一功率，第一功率为较大功率，本发明实施例对第一功率的数值不进行限定。进一步的，第一束激光光束a的偏振状态可以是线偏振光或非线偏振光，本发明施例对
此不进行限定。
[0045]
功率衰减模块2位于第一激光光束a的传播路径上，功率衰减模块2具有衰减第一激光光束a的功率和调整第一激光光束a偏振状态的作用，示例性的，将偏振状态为非线偏振光的第一束激光光束a调整为线偏振光的第二激光光束b输出。当第一激光光束a穿过功率衰减模块2，功率衰减模块2通过调整第一激光光束a形成第二激光光束b输出，获得第二激光光束b的第二功率小于第一激光光束a的第一功率，第二激光光束b用于后置激光模块3调节对准。
[0046]
后置激光模块3包括激光增益晶体，激光增益晶体的几何中心位于第二激光光束b的光轴方向上，激光增益晶体是后置激光模块3重要的工作物质，调整激光增益晶体几何中心位于第二激光光束b的光轴方向上，可以有效避免第二激光光束b穿过后置激光模块3的轴向偏移过导致的增益晶体的光学损伤。
[0047]
如此通过较小功率的第二激光光束b对整个激光光路进行对准，不会损伤后置激光模块3。在完成激光对准后，可以撤出功率衰减模块2，由于已经完成激光对准过程，增益晶体的几何中心同时位于第一激光光束a的光轴方向上，此时大功率的第一激光光束a不会对增益晶体造成损伤。并且，区别于现有技术中先降低前置激光模块1的光功率进行对准调节后再次提高光功率造成的前置激光模块1中光学元件热变形的方案，本发明实施例提供的技术方案无需调节前置激光模块1的光功率，不存在前置激光模块1中光学元件热变形的问题，不存在因前置激光模块1中光学元件热变形问题影响光路对准精度的问题。从而可以解决现有技术中通过降低前置激光模块1的光功率进行准直调节后再次提高光功率造成的前置激光模块1中光学元件热变形等引起的第一激光光束a指向性以及光斑大小改变，因光束指向性和光斑大小改变导致的后置激光模块3放大效率下降的问题。
[0048]
作为一种可行的实施例，图2为本发明实施例中的又一种激光光路对准装置示意图。如图2所示，第一激光光束a为线偏振光束；功率衰减模块2包括偏振调整单元21和偏振分束单元22；偏振调整单元21位于第一激光光束a的传播路径上，用于调整第一激光光束的偏转状态，形成调整偏振光束a
’
；偏振分束单元22位于调整激光光束a
’
的传播路径上，用于将调整激光光束分束形成第二激光光束b和第三激光光束c，第三激光光束c具备第三功率，第三功率大于所述第二功率。
[0049]
示例性的，前置激光模块1可以为多级激光放大器，多级激光放大器发出第一激光光束，第一激光光束a为线偏振光束，偏振调整单元21和偏振分束单元22设置在第一激光光束a传播路径上，偏振调整单元21具有改变线偏振光束偏振态的功能，偏振分束单元22具有选择偏振态的功能，偏振态包括沿光束传播方向振动的偏振态以及垂直光束传播方向振动的偏振态。偏振调整单元21可以为半波片，通过旋转半波片的角度θ实现旋转偏振光束的偏振方向，从而调整第一激光光束a的偏振态，形成与后置激光模块3对准所需要的调整偏振光束。偏振分束单元22选择调整偏振光束的偏振态，将调整偏振光束分束成第二激光光束b和第三激光光束c，同时第三激光光束c的光功率大于第二激光光束b的光功率，第三激光光束c传播方向与第二激光光束b传播方向存在夹角θ
’
，0
°
＜θ
’
＜180
°
，通过旋转半波片的角度θ可以改变θ
’
值，实现第二激光光束b无干扰输出，本实施例中通过偏振调整单元21和偏振分束单元22配合对第一激光光束a进行调整和分束的方式达到衰减功率的目的。
[0050]
作为另一种可行的实施例，图3本发明实施例中的又一种激光光路对准装置示意
图。参照图3，功率衰减模块2包括起偏单元23、偏振调整单元21和偏振分束单元22；起偏单元23位于第一激光光束a的传播路径上，用于调整第一激光光束a为线偏振光束a”；偏振调整单元22位于线偏振光束a”的传播路径上，用于调整线偏振光束a”的偏转状态，形成调整偏振光束a
’
；偏振分束单元位于调整偏转光束a
’
的传播路径上，用于将调整偏振光束a
’
分束形成第二激光光束b和第三激光光束c，第三激光光束c具备第三功率，第三功率大于所述第二功率。
[0051]
示例性的，前置激光模块1可以为多级激光放大器，多级激光放大器发出第一激光光束a，第一激光光束a为非线偏振光束，功率衰减模块2包括起偏单元23、偏振调整单元21和偏振分束单元22，起偏单元23设置第一激光光束a的传播路径上，起偏单元23可以为起偏器，具有将非线偏振光束调整成线偏振光束a”输出的功能，偏振调整单元21和偏振分束单元22再按照上述实施例详述的将调整偏振光束分束的方式达到衰减功率的目的，这里不再做详细的描述。
[0052]
基于上述实施例，偏振分束单元22是激光光束实现分束和衰减的重要单元，偏振分束单元22可以采用多种元器件组合的方式实现。
[0053]
可选的，继续参照图3，偏振分束单元22包括偏振分束器；偏振分束器包括格兰汤姆森棱镜或者偏振分束立方体。兰汤姆森棱镜或者偏振分束立方体作为一种偏振分束器可以将调整偏振光束分成两束光或者多束光，示例性的分束后各束光的光功率可以相同或者不同，示例性的，偏振分束立方体具有选择偏振态的功能，合理的旋转起偏单元中半波片的角度，实现偏振分束单元22分束输出光路。
[0054]
可选的，图4为本发明实施例中的又一种激光光路对准装置示意图，偏振分束单元22包括第一偏振分光镜221和第二偏振分光镜222；第一偏振分光镜221位于调整偏振光束的传播路径上，调整偏振光束以布儒斯特角入射至第一偏振分光镜221，第一偏振分光镜22用于将调整偏振光束分束形成第四激光光束d和第三激光光束c，第三激光光束c具备第三功率，第三功率大于第二功率；第二偏振分光镜222位于第四激光光束d的传播路径上，第四激光光束d以布儒斯特角入射至第二偏振分光镜222，第二偏振分光镜用于调整第四激光光束d的传播方向，以形成第二激光光束b。
[0055]
示例性的，偏振分束单元22包括第一偏振分光镜221和第二偏振分光镜222，第一偏振分光镜221和第二偏振分光镜222可以选用薄膜偏振片，薄膜偏振片的损伤阈值高，可以承受激光光束的高功率密度。将第一偏振分光镜221设置在调整偏振光束a
’
的传播路径光轴上，第一偏振分光镜221具有激光光束分束的功能，第一偏振分光镜221将调整偏振光束a
’
分束形成第四激光光束d和第三激光光束c，通过光束分束获得第三激光光束c的第三功率大于第四激光光束d的第四功率，再通过调整偏振调整单元21使第三激光光束偏转输出；设置第二偏振分光镜223位于第四激光光束d的传播路径光轴上，调整第四激光光束d以布儒斯特角入射第二偏振分光镜222，形成第二激光光束b输出，第二偏振分光镜223起到调整第四激光光束d传播方向的作用，以布儒斯特角入射可以使第四激光光束d传播方向沿着调整偏振光束a
’
的传播路径光轴传播，再通过布儒斯特角入射第二偏振分光镜222，使第四激光光束d与上述实施例所述的第二激光光束b的传播路径光轴相同，最终实现与前置激光模块1发射的第一激光束a传播路径光轴重合输出，可以有效避免由于激光光束传播方向发生偏移引起的后置激光装置3中激光增益晶体的损伤；第二功率为上述实施例中所述的用
于后置激光模块3调节准直的激光光束。
[0056]
可选的，继续参照图4，后置激光模块3还包括第一反射镜31和第二反射镜32；第一反射镜31和第二反射镜32依次位于第二激光光束b的传播路径上，用于调整第二激光光束b的轴向偏移和角向指向，以使增益晶体的几何中心位于第二激光光束的光轴方向上。
[0057]
示例性的，基于上述实施例，为进一步精确对准第二激光光束b，后置激光模块3中激光增益晶体31前端设置第一反射镜31和第二反射镜32，第一反射镜31和第二反射镜32表面镀有高反膜，可以调整第二激光光束b的轴向偏移和角向指向，使第二激光光束b的光轴穿过增益晶体的几何中心，实现了前置激光模块1和后置激光模块3光路轴心的直接对准，进一步避免了由于激光光束偏移导致的增益晶体的损坏以及提高了激光光束的传输效率。
[0058]
可选的，前置激光模块1包括光纤激光器、固体激光器、振荡器、单级激光放大器或者多级激光放大器。可选的，第一功率w满足w≥10w。本实施例中前置激光模块1的适用范围种类广，可以为光纤激光器、固体激光器、振荡器、单级或多级放大器，但不限于此，凡是能输出功率大于或者等于10w的高功率信号光的系统即可，该装置可进行信号光与后置光学器件的光路对准耦合调整，与各个信号光系统之间具有广泛的应用性和兼容性。
[0059]
需要说明的是，本发明中前置激光模块1作为激光发光光源，出射的第一激光光束可以为线偏振光束或者非线偏振光束，针对不同的激光光束偏振状态，功率衰减模块2中元器件设置不同，下面针对这对这两种激光光束偏振状态进行介绍，需要说明的是，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，功率衰减模块2的元器件设置不仅限于。
[0060]
综上所述，本发明结构简洁紧凑、可扩展性强、操作灵活、能够有效降低前置激光模块内光学晶体及镜片等器件热变形在光路对准中的影响以及激光光束轴向偏移引起的传输效率低和造成的增益晶体损伤的问题。
[0061]
基于上述实施例，图5为本发明实施例还提供了一种激光光路对准方法的流程图，参照图5，本发明实施例还提供了一种激光光路对准方法应用于上述实施例所述的激光光路对准装置，包括：
[0062]
s01、前置激光模块出射第一激光光束；第一激光光束具备第一功率。
[0063]
s02、功率衰减模块位于第一激光光束的传播路径上，功率衰减模块至少调整所述第一激光光束形成第二激光光束，第二激光光束具备第二功率，第二功率小于所述第一功率。
[0064]
s03、后置激光模块位于第二激光光束的传播路径上，后置激光模块包括激光增益晶体，增益晶体的几何中心位于所述第二激光光束的光轴方向上。
[0065]
示例性的，本发明实施例的激光光路对准方法，采用功率衰减模块对前置激光模块出射的第一激光光束进行分束和功率衰减得到小功率的第二激光光束，在不损伤激光增益晶体的情况下进行光路对准，设置后置激光模块位于第二激光光束的传播路径上，使增益晶体的几何中心位于所述第二激光光束的光轴方向上，再将功率衰减单元中所有光学器件撤出对准光路，从而实现了前置激光模块和后置激光模块光路轴心的直接对准。区别于现有技术中先降低前置激光模块的光功率进行对准调节后再次提高光功率造成的前置激光模块中光学元件热变形的方案，本方案在不改变光束指向性及光斑大小的情况下实现光功率衰减及光路对准，避免由于改变激光光束光功率引起的光学晶体及镜片等器件热变形
导致的增益晶体损坏等问题，从而实现了激光光路精确对准和光功率高效传输。本激光对准方法应用于上述实施例所述的激光光路对准装置，可参照上述实施例所述的详细描述，从而实现了激光光路精确对准和光功率高效传输。
[0066]
可选的，图6为本发明实施例还提供了一种激光光路对准方法的流程图，参照图6，本发明实施例提供的激光光路对准方法包括：
[0067]
s11、前置激光模块出射第一激光光束；第一激光光束具备第一功率。
[0068]
s12、功率衰减模块位于第一激光光束的传播路径上，功率衰减模块至少调整所述第一激光光束形成第二激光光束，第二激光光束具备第二功率，第二功率小于所述第一功率。
[0069]
s13、后置激光模块位于第二激光光束的传播路径上，后置激光模块包括激光增益晶体，增益晶体的几何中心位于所述第二激光光束的光轴方向上。
[0070]
s14、移出功率衰减模块，以使增益晶体的几何中心位于第一激光光束的光轴方向上。
[0071]
示例性的，基于上述实施例，当增益晶体的几何中心位于第二激光光束的光轴方向上之后，移出所述功率衰减模块，实现了前置激光模块和后置激光模块光路轴心的直接对准，适用于高功率多级激光放大器光路调试中，需要将前置激光预放大级输出的信号光精确耦合到后置放大系统当中的调试过程。
[0072]
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，本发明的各个实施方式的特征可以部分地或者全部地彼此耦合或组合，并且可以以各种方式彼此协作并在技术上被驱动。对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。