专利名称：一种孔径填充装置及方法
技术领域：
本发明涉及激光器相干合成领域，尤其是涉及一种利用叠加式分光干涉光路实现多路相干激光光束合成的孔径填装置及方法。
背景技术：
为了突破单个激光器功率瓶颈的限制，将多路激光器进行相干合成从而获得更高的激光功率输出受到越来越多研究者的重视。在主动相干合成技术中，采用相位检测和控制技术可以使多路光束的相位保持高度相关，但是由于光路中的光场模式以及机械装配等原因，各路光束排布不可能无限紧密，实际激光阵列的填充因子(填充因子指的是近场激光阵列有效出光面积占整个孔径的比率)一般远小于1，由此将造成激光阵列的合成光束具有多旁瓣结构，相当部分的能量将分布在旁瓣中，能量集中度低。为了获得远场单一主瓣光束信号，研究者提出了幅相转换、自成像波导、光束整 形、衍射光学法、光束截断法等孔径填充技术。幅相转换技术的关键是设计合适的相位板，但是相位板很难承受透镜聚焦导致的极高的激光功率密度；自成像波导利用的是多模波导的“自成像”效应，但是波导的尺寸较小，容纳的激光光束数量有限，另外耐高功率的自成像波导设计也是难点；光束整形通过非球面透镜组把各路激光光束整形为振幅、相位均匀分布的平顶光束，但是具有整形功能的非球面透镜组的设计非常困难，另外多路透镜组的调节也非常麻烦；衍射光学法需要设计特殊的光栅，例如达曼光栅，但是该光栅还需要耐高功率激光辐照，且会因为引入热变形等其他因素而破坏合成光束的光束质量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的问题，提供一种叠加式分光干涉光路实现多路激光光束相干合成的孔径填充技术，通过多个相干光束经过反射镜、分光镜、反馈电路等进行相位电压误差的控制，使多路相干光束合成为远场单一主瓣光束信号，其中采用叠加式结构不受相干合成光束数量的限制。本发明采用的技术方案如下
一种孔径填充装置，包括第一合成干涉光路、第二合成干涉光路，用于对输入的两路光信号进行功率合成；合成器，用于对第一合成干涉光路、第二合成干涉光路输出信号进行功率合成；第一分光镜，用于对合成器输出的光信号进行反射和透射；第一反馈电路，用于将分光镜反射的光信号进行反馈光信号调节。所述第一合成干涉光路、第二合成干涉光路分别包括第一光电相位调制器，用于对输入的第一光路信号进行相位调节；第一反射镜，用于反射第一电光相位调制器输出的光信号给第二分光镜；第二分光镜用于分别反射第一反射镜折射的光信号，透射第二电光相位调制器的光信号形成第三光路；同时反射第二电光相位调制器的光信号给第二反射镜，透射第一反射镜折射的光信号给第二反射镜；第二反射镜，用于折射第二分光镜的折射光信号，同时折射第二分光镜透射的信号形成第四光路；第三分光镜，用于对第三光路信号进行反射和透射；第二反馈电路，用于对第三分光镜反射的光信号进行反馈光、信号调节。所述第一合成干涉光路、第二合成干涉光路中 B = l+i*ms(d)(4)
14 - I + r*cos(d+Tl)(6)
其中13是第三光路信号的光强，14是第四光路信号的光强，0表示第一光路信号、第二光路信号两路光的相位差；若9 =0，可得13=21，14=0，则第一合成干涉光路、第二合成干涉光路的输出光信号为第三光路；若0 =Ji，可得13=0，14=21，则第一合成干涉光路、第二合成干涉光路的输出光信号为第四光路。所述合成器包括第二电光相位调制器，用于通过反馈电路输出的误差值调节第一合成干涉光路功率值；第三反射镜，用于反射第二电光相位调制器输出的光信号；第四分 光镜，用于对第三反射镜反射的光信号、第二合成干涉光路输出的光信号进行反射、折射，输出至第一分光镜。所述第一反馈电路、第二反馈电路包括光电探测器，用于将第一分光镜或者第三分光镜透射的光信号转换为电信号；误差放大器，用于将光电探测器输出的电信号与参考电压值进行比对，将比对的误差值输出至合成器第二电光相位调制器。所述步骤包括
步骤一，第一合成干涉光路、第二合成干涉光路分别将两路输入光信号进行功率合
成；
步骤二 合成器将第一合成干涉光路、第二合成干涉光路输出的光信号进行功率合
成；
步骤三合成器输出的光信号进过反馈电路进行闭环控制后输出。所述的步骤一中所述第一合成干涉光路、第二合成干涉光路分别包括第一光电相位调制器，用于将输入的光信号进行相位调节；第一反射镜，用于反射第一电光相位调制器输出的光信号给分光镜；第二分光镜用于分别反射第一反射镜折射的光信号，透射第二电光相位调制器的光信号形成第三光路；同时反射第二电光相位调制器的光信号给第二反射镜，透射第一反射镜折射的光信号给第二反射镜；第二反射镜，用于折射第二分光镜的折射光信号，同时折射第二分光镜透射的信号形成第四光路；
第三分光镜，用于对第三光路信号进行反射和透射。所述第一合成干涉光路、第二合成干涉光路中 13-1 -hlT ^cos (5)(4)
14 = I + /木cos(5+jt)(6)
其中13是第三光路信号的光强，14是第四光路信号的光强，0表示第一光路信号、第二光路信号两路光的相位差；若9 =0，可得13=21，14=0，则第一合成干涉光路、第二合成干涉光路的输出光信号为第三光路；若0 =Ji，可得13=0，14=21，则第一合成干涉光路、第二合成干涉光路的输出光信号为第四光路。所述合成器包括第二电光相位调制器，用于通过反馈电路输出的误差值调节第一合成干涉光路功率值；第三反射镜，用于反射第二电光相位调制器输出的光信号；第四分光镜，用于对第三反射镜反射的光信号、第二合成干涉光路输出的光信号进行反射、折射，输出至第一分光镜；
所述第一反馈电路、第二反馈电路包括光电探测器、误差放大器，所述光电探测器，用于将第一分光镜或第三反光镜反射的光信号转换为电信号；误差放大器，用于将光电探测器输出的电信号与参考电压值进行比对，将比对的误差值输出至合成器第二电光相位调制器。一种孔径填充装置包括2n个第一合成干涉光路、合成器、反馈电路、分光镜，所述每两个第一合成干涉光路通过合成器进行光路信号的合成，经过光路合成后的光信号通过分光镜与反馈电路进行闭环控制后输出，依次级联2n个第一合成干涉光路，形成叠加式分光干涉光路，其中n大于等于I。综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是 (1)、两路光路信号光束相干合成时，第一光路经过分光镜的透射光束与第二光路经过两个反射镜和分光镜处理后，使得第一光路、第二光路两路相干合成光束根据光的干涉原理与光的半波反射现象，通过调节两路光束的相位差获得远场单一主瓣光束信号；
(2)、本设计中第一合成光路、第二合成光路两路输出通过合成器进行光信号合成后，在通过反光镜、反馈电路将合成输出的光信号进行闭环调节误差使得输出光信号获得远场单一主瓣光束信号；
(3)、本设计通过误差控制电路对输出相干干涉光束能量形成闭环控制，具体过程是合成器输出的光信号经过分光镜透射后，通过光电探测器将输出光信号对应的电信号反馈给误差放大器，误差放大器通过与参考电压值进行比对，若输出相干干涉光束能量的电压值与参考值存在误差值，则通过相位调制器补偿输出相干干涉光束能量。(4)采用叠加式分光干涉光路，不受合成光路路数的限制；另外能够实现远场单一主瓣光束信号相干合成，从而提高能量集中度；最后由于全反镜和半透半反镜可以承受很高的激光功率,因此相比其他孔径填充技术有可能实现更高的激光合成功率输出。
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中
图I是本设计光信号合成示意 图2是第一合成干涉电路、第二合成干涉电路光干涉光路示意 图3是合成器不意 图4是反馈电路示意 图5是叠加式分光干涉光路实现多路相干激光光束合成示意图。
具体实施例方式本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。电光相位调节器利用电光效应制成的器件。某些光学介质受到外电场作用时，它的折射率将随着外电场变化，介电系数和折射率都与方向有关，在光学性质上变为各向异性，这就是电光效应。电光效应有两种，一种是折射率的变化量与外电场强度的一次方成比例，称为泡克耳斯(Pockels)效应；另一种是折射率的变化量与外电场强度的二次方成比例，称为克尔(Kerr)效应不能用。利用克尔效应制成的调制器，称为克尔盒，其中的光学介质为具有电光效应的液体有机化合物。利用泡克耳斯效应制成的调制器，称为泡克耳斯盒，其中的光学介质为非中心对称的压电晶体。泡克耳斯盒又有纵向调制器和横向调制器两种，本设计中应用泡克尔斯效应制成的电光相位调节器。其中设电光相位调制器的半波电压为Vji，施加在电光调制器的电压为V，则电光相位调制器上的附加相位为
权利要求
1.ー种孔径填充装置，其特征在于包括 第一合成干渉光路、第二合成干渉光路，用于对输入的两路光信号进行功率合成； 合成器，用于对第一合成干渉光路、第二合成干渉光路输出信号进行功率合成； 第一分光镜，用于对合成器输出的光信号进行反射和透射； 第一反馈电路，用于将分光镜反射的光信号进行反馈光信号调节。
2.根据权利要求I所述的ー种孔径填充装置，其特征在于所述第一合成干渉光路、第ニ合成干渉光路分别包括 第一光电相位调制器，用于对输入的第一光路信号进行相位调节； 第一反射镜，用于反射第一电光相位调制器输出的光信号给第二分光镜； 第二分光镜用于分别反射第一反射镜折射的光信号，透射第二电光相位调制器的光信号形成第三光路；同时反射第二电光相位调制器的光信号给第二反射镜，透射第一反射镜折射的光信号给第二反射镜； 第二反射镜，用于折射第二分光镜的折射光信号，同时折射第二分光镜透射的信号形成第四光路； 第三分光镜，用于对第三光路信号进行反射和透射； 第二反馈电路，用于对第三分光镜反射的光信号进行反馈光、信号调节。
3.根据权利要求I或2所述的ー种孔径填充装置，其特征在于所述第一合成干渉光路、第二合成干渉光路中
4.根据权利要求I所述的ー种孔径填充装置，其特征在于所述合成器包括第二电光相位调制器，用于通过反馈电路输出的误差值调节第一合成干渉光路功率值； 第三反射镜，用于反射第二电光相位调制器输出的光信号； 第四分光镜，用于对第三反射镜反射的光信号、第二合成干渉光路输出的光信号进行反射、折射，输出至第一分光镜。
5.根据权利要求6中所述的ー种孔径填充装置，其特征在于所述第一反馈电路、第二反馈电路包括光电探测器，用于将第一分光镜或者第三分光镜透射的光信号转换为电信号; 误差放大器，用于将光电探测器输出的电信号与參考电压值进行比对，将比对的误差值输出至合成器第二电光相位调制器。
6.根据权利要求I所述的ー种孔径填充方法，其特征在于所述步骤包括 步骤一，第一合成干渉光路、第二合成干渉光路分别将两路输入光信号进行功率合成； 步骤ニ 合成器将第一合成干渉光路、第二合成干渉光路输出的光信号进行功率合成； 步骤三合成器输出的光信号进过反馈电路进行闭环控制后输出。
7.根据权利要求6所述的ー种孔径填充方法，其特征在于所述的步骤一中所述第一合成干渉光路、第二合成干渉光路分别包括 第一光电相位调制器，用于将输入的光信号进行相位调节； 第一反射镜，用于反射第一电光相位调制器输出的光信号给分光镜； 第二分光镜用于分别反射第一反射镜折射的光信号，透射第二电光相位调制器的光信号形成第三光路；同时反射第二电光相位调制器的光信号给第二反射镜，透射第一反射镜折射的光信号给第二反射镜； 第二反射镜，用于折射第二分光镜的折射光信号，同时折射第二分光镜透射的信号形成第四光路； 第三分光镜，用于对第三光路信号进行反射和透射。
8.根据权利要求6或7所述的ー种孔径填充装置，其特征在于所述第一合成干渉光路、第二合成干渉光路中
9.根据权利要求8所述的ー种孔径填充装置，其特征在于所述合成器包括第二电光相位调制器，用于通过反馈电路输出的误差值调节第一合成干渉光路功率值； 第三反射镜，用于反射第二电光相位调制器输出的光信号； 第四分光镜，用于对第三反射镜反射的光信号、第二合成干渉光路输出的光信号进行反射、折射，输出至第一分光镜； 所述第一反馈电路、第二反馈电路包括光电探测器、误差放大器，所述光电探測器，用于将第一分光镜或第三反光镜反射的光信号转换为电信号； 误差放大器，用于将光电探测器输出的电信号与參考电压值进行比对，将比对的误差值输出至合成器第二电光相位调制器。
10.根据权利要求9所述的ー种孔径填充装装置，其特征在于所述包括2"个第一合成干渉光路、合成器、反馈电路、分光镜，所述每两个第一合成干渉光路通过合成器进行光路信号的合成，经过光路合成后的光信号通过分光镜与反馈电路进行闭环控制后输出，依次级联2η个第一合成干渉光路，形成叠加式分光干渉光路，其中η大于等于I。
全文摘要
本发明涉及激光器相干合成领域，尤其是涉及一种利用叠加式分光干涉光路实现多路光束合成的孔径填充装置及方法。本发明针对现有技术存在的问题，提供一种孔径填充装置及方法实现多路激光光束相干合成，通过多个相干光束经过反射镜、分光镜、反馈电路等进行相位电压误差的控制，使多路相干光束合成为远场单一主瓣光束。本发明包括第一合成干涉光路、第二合成干涉光路，用于对输入的两路光信号进行功率合成；合成器，用于对第一合成干涉光路、第二合成干涉光路输出信号进行功率合成；第一分光镜，用于对合成器输出的光信号进行反射和透射；第一反馈电路，用于将分光镜反射的光信号进行反馈光信号调节。本发明主要应用于激光器相干合成领域。
文档编号G05D25/02GK102707438SQ20121021447
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月27日 优先权日2012年6月27日
发明者周维军, 彭其先, 李泽仁, 温伟峰, 王德田, 王荣波, 陈光华 申请人:中国工程物理研究院流体物理研究所