光学相控阵轴向焦点调控方法及系统

本发明主要涉及到光纤激光相干合成，尤其是一种光学相控阵轴向焦点调控方法及系统。

背景技术：

1、光纤激光器已经广泛应用于激光切割、焊接、医疗、激光三维打印等领域。在某些特定的应用场景中，如生物医学成像、三维体成像、激光加工等，激光的轴向焦点位置需要快速可调。例如，在生物医学成像的应用中，快速可调聚焦深度可以将光功率沿光轴分散到不同的焦点上，从而避免光毒性。而在先进制造中，使用高功率激光对厚金属进行切割时，可调聚焦深度可使切割面更光滑，提高加工效率。

2、变焦光学元件通常基于机械运动、电机械、折射率梯度和布拉格衍射等原理。传统方法采用机械装置移动透镜的位置来改变焦点，会降低光学系统的动态响应。非机械或微机电系统的轴向焦点调控方法使缩短响应时间成为可能，包括液晶透镜、可调谐声学梯度指数透镜、可变形反射镜等。这些器件的速度可以达到亚毫秒和微秒量级。这些方法虽然具有较优的性能，但在实际应用中仍存在元件尺寸、高功率吸热、对准精度等局限性。此外，由于非线性效应和模式不稳定性，单片光纤激光器的输出功率受到限制，而激光加工对光纤激光器的输出功率以及灵活性要求越来越高。

3、因此，需要一种轴向焦点快速可调、高功率适用、热性能好以及调节方便精准的调控方法。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的缺陷，本发明提出一种光学相控阵轴向焦点调控方法及系统。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一方面，本发明提供一种光学相控阵轴向焦点调控方法，包括：

4、对阵列激光中各路单元光束之间的相位差和相位噪声进行补偿，使各路单元光束之间相位控制到一致；

5、确定阵列激光在加工工件上的焦点深度；

6、根据期望等效焦距计算阵列激光的期望阵列分布；

7、对阵列激光施加所述期望阵列分布，改变阵列激光聚焦在加工工件的位置。

8、进一步地，本发明所述阵列激光经聚焦透镜后聚焦在加工工件上，焦点与聚焦透镜的之间的距离为f，设焦点每次的轴向步进距离为dz，则第n次步进对应的期望等效焦距为fequ＝f+n·dz,n＝0,1,2…。

9、进一步地，本发明一优选实施方案中：根据期望等效焦距计算阵列激光的期望阵列分布，包括：

10、将阵列激光、聚焦透镜等效为由两个透镜组成的透镜组合，透镜组合中等效透镜的相位与阵列激光相位对应，等效透镜的焦距为f2，聚焦透镜的焦距为f，等效透镜和聚焦透镜之间的距离为s；

11、根据期望等效焦距以及透镜组合的等效焦距，计算等效透镜的焦距f2；

12、根据等效透镜的焦距f2得出期望的激光阵列相位分布。

13、进一步地，本发明一优选实施方案中：所述等效透镜的焦距f2由下式确定：

14、

15、进一步地，本发明一优选实施例中，所述期望的激光阵列相位分布为：

16、

17、其中x和y分别表示激光在x方向和y方向分布的空间坐标，k＝2π/λ为波数，λ为阵列激光波长。

18、另一方面，本发明提供一种光学相控阵轴向焦点调控系统，包括：

19、阵列激光相干合成光路，用于实现多路单元光束相干合成并输出；

20、高反镜，设置在阵列激光相干合成光路的输出路径上，阵列激光相干合成光路输出的激光大部分经高反镜反射出去，小部分经高反镜透射出去；

21、聚焦透镜，从高反镜反射出的阵列激光经聚焦透镜后聚焦在加工工件上；

22、信号采集模块，用于采集从高反镜透射出来的光信号并转换为电信号；

23、数据处理模块，一方面基于信号采集模块输出的电信号实现对阵列激光中各路单元光束之间的相位差和相位噪声进行补偿，使各路单元光束之间相位控制到一致；在各路单元光束相位控制到一致之后，确定阵列激光在加工工件上的焦点深度；根据期望等效焦距计算阵列激光的期望阵列分布；对阵列激光施加所述期望阵列分布，改变阵列激光聚焦在加工工件的位置。

24、进一步地，本发明一优选实施方案中：所述阵列激光相干合成光路包括种子激光器、1×n分束器、n个相位调制器、n个光纤放大器和激光合束装置；种子激光器输出的激光经1×n分束器分为n路单元光束，各路单元光束分别经对应的相位调制器、光纤放大器进行相位调制、放大，经相位调制、放大后的n路单元光束由激光合束装置合成并输出。

25、进一步地，本发明一优选实施方案中：所述数据处理模块与各路单元光束的相位调制器控制连接。

26、进一步地，本发明一优选实施方案中：从高反镜反射出的阵列激光经聚焦透镜后聚焦在加工工件上，焦点与聚焦透镜的之间的距离为f，设焦点每次的轴向步进距离为dz，则第n次步进对应的期望等效焦距为fequ＝f+n·dz,n＝0,1,2…；

27、将阵列激光、聚焦透镜等效为由两个透镜组成的透镜组合，透镜组合中等效透镜的相位与阵列激光相位对应，等效透镜的焦距为f2，聚焦透镜的焦距为f，等效透镜和聚焦透镜之间的距离为s；

28、根据期望等效焦距以及透镜组合的等效焦距，计算等效透镜的焦距f2；

29、根据等效透镜的焦距f2得出期望的激光阵列相位分布。

30、本发明利用阵列激光相位分布模拟透镜相位分布，与长焦的聚焦透镜组合实现等效可变焦距的透镜组合，使阵列激光干涉后焦点深度在加工工件上发生偏移，从而提高激光切割等工艺的加工效率。

31、本发明利用多束高功率光纤激光组成阵列，通过对激光阵列的活塞相位进行高速调控，实现快速、准确、快速的激光焦点调控。与现有技术相比，本发明方法较传统方法无机械移动部件，能够适用高功率输出、提高焦点深度调控速度，能够提高高功率激光在工业切割等应用场景中的加工效率。

技术特征：

1.光学相控阵轴向焦点调控方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的光学相控阵轴向焦点调控方法，其特征在于，阵列激光经聚焦透镜后聚焦在加工工件上，焦点与聚焦透镜的之间的距离为f，设焦点每次的轴向步进距离为dz，则第n次步进对应的期望等效焦距为fequ＝f+n·dz,n＝0,1,2…。

3.根据权利要求2所述的光学相控阵轴向焦点调控方法，其特征在于，根据期望等效焦距计算阵列激光的期望阵列分布，包括：

4.根据权利要求3所述的光学相控阵轴向焦点调控方法，其特征在于，所述等效透镜的焦距f2由下式确定：

5.根据权利要求3所述的光学相控阵轴向焦点调控方法，其特征在于，所述期望的激光阵列相位分布为：

6.光学相控阵轴向焦点调控系统，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的光学相控阵轴向焦点调控系统，其特征在于，所述阵列激光相干合成光路包括种子激光器、1×n分束器、n个相位调制器、n个光纤放大器和激光合束装置；种子激光器输出的激光经1×n分束器分为n路单元光束，各路单元光束分别经对应的相位调制器、光纤放大器进行相位调制、放大，经相位调制、放大后的n路单元光束由激光合束装置合成并输出。

8.根据权利要求7所述的光学相控阵轴向焦点调控系统，其特征在于，所述数据处理模块与各路单元光束的相位调制器控制连接。

9.根据权利要求6或7或8所述的光学相控阵轴向焦点调控系统，其特征在于，从高反镜反射出的阵列激光经聚焦透镜后聚焦在加工工件上，焦点与聚焦透镜的之间的距离为f，设焦点每次的轴向步进距离为dz，则第n次步进对应的期望等效焦距为fequ＝f+n·dz,n＝0,1,2…；

10.根据权利要求9所述的光学相控阵轴向焦点调控系统，其特征在于，所述等效透镜的焦距f2由下式确定：

技术总结
本发明提出一种光学相控阵轴向焦点调控方法及系统，首先对阵列激光中各路单元光束之间的相位差和相位噪声进行补偿，使各路单元光束之间相位控制到一致；确定阵列激光在加工工件上的焦点深度；根据期望等效焦距计算阵列激光的期望阵列分布；最后对阵列激光施加所述期望阵列分布，改变阵列激光聚焦在加工工件的位置。本发明无机械移动部件，能够适用高功率输出、提高焦点深度调控速度，能够提高高功率激光在工业切割等应用场景中的加工效率。

技术研发人员：张雨秋,常洪祥,殳博王,粟荣涛,冷进勇,吴坚,李灿,姜曼,周朴
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13