一种高速机械式脉冲激光调制器及调制方法与流程

1.本发明属于脉冲激光技术领域，具体涉及一种高速机械式脉冲激光调制器及调制方法。


背景技术：

2.激光器可分为连续激光器和脉冲激光器，脉冲激光器是指每间隔一定周期才工作一次的激光器；脉冲激光器具有大峰值功率输出的特性被广泛应用于激光测距、打标、切割、探测、生物分析等领域，脉冲激光器使用时需要对能量以及频率进行调节。
3.目前市面上的脉冲激光器调节装置包括激光机械快门和激光斩波器，其作业原理为在斩波片圆盘周边等距开孔、当圆盘转动时，使激光通过通孔实现斩波。但是对于强激光，如兆瓦、吉瓦、太瓦、帕瓦级脉冲，为了降低功率密度避免光学元件及激光器调节装损坏，光斑通常较大，因此机械快门及斩波器开关频率受限，且此类调节装置无法同时进行能量调制。
4.另一类激光脉冲调制方法为使用高压电或声波作用于电光、声光晶体材料，使晶体材料内部折射率发生改变、当激光通过晶体材料时激光偏振方向旋转90度，在光路后方安放检偏器从而实现斩波功能。
5.此类激光脉冲调制方法在强激光脉冲调制中也存在一些问题，由于强激光光斑较大，晶体材料的口径需要做大，从而导致难以实现均匀电场、声场分布，造成晶体折射率分布不均，系统插入损耗大，易使光斑发生畸变。同时，大口径晶体加工难度及成本也较高，限制其应用范围。


技术实现要素：

6.本发明为解决上述问题，提供了一种高速机械式脉冲激光调制器及调制方法，设置有延时器、半波片、上位机、旋转平台和检偏器，激光经半波片改变偏振方向，再由检偏器实现斩波，通过调制方法结合延时器和上位机调节激光器以及旋转平台，从而实现激光频率及能量调节，设备插入损耗低、损伤阈值高，实现高能量及高峰值功率脉冲激光器的能量及频率调节。
7.为了实现上述目的，本发明的第一方面提出一种高速机械式脉冲激光调制器，技术方案是：包括激光器和用于对激光进行偏振的半波片，所述半波片设置有旋转平台，所述旋转平台包括旋转电机，半波片随旋转电机转动，半波片位于激光器后侧，半波片的后侧设置有检偏器，所述激光器、半波片和检偏器构成光路，激光器发射的激光依次穿过半波片和检偏器；所述旋转电机设置有上位机，所述上位机用于驱动并调节旋转电机的旋转角度及转动频率；激光器设置有延时器，所述延时器用于对激光器提供延时信号，延时器还用于对
上位机提供延时信号，并实现延时信号频率调节。
8.本发明通过延时器对上位机和激光器进行控制使激光到达半波片时，旋转电机带动半波片进行旋转，改变入射激光的偏振方向结合检偏器实现脉冲能量调制，可以作用于兆瓦、吉瓦、太瓦、帕瓦级脉冲输出，同时系统配置简洁损伤阈值高，作用范围广。
9.进一步地，所述旋转平台还包括固定盘和光栅尺传感器，所述固定盘为环状盘体结构，固定盘与旋转电机的输出轴固定连接，固定盘的中部可拆卸设置半波片；所述光栅尺传感器用于检测旋转电机的旋转角度，所述光栅尺传感器与上位机通信连接，所述上位机通过接收光栅尺传感器检测参数采用闭环控制方式驱动旋转电机；所述旋转电机包括高速步进电机。
10.本发明通过光栅尺传感器采用闭环控制方式实现对旋转电机旋转角度的精确调节，并通过固定盘使半波片随旋转电机转动相同角度，从而实现半波片转动角度调节，精确控制激光通过半波片的时间与半波片转动的角度实现激光能量调节与频率调节。
11.进一步地，所述延时器包括多个信道，所述信道包括多个tll串口；所述信道的延迟精度小于激光脉冲周期。提高了系统信号传输精度。
12.进一步地，所述检偏器包括偏振分束器、双折射晶体、薄膜偏振片中的一种或多种组合。
13.进一步地，所述旋转电机设置有驱动芯片，所述驱动芯片与上位机通信连接；所述激光器与上位机均通过通信串口与延时器通信连接。
14.本发明的第二方面提出一种高速机械式脉冲激光调制器的调制方法，技术方案是：步骤1：将激光器、上位机和延时器通过通信串口连接，通过延时器设置激光器的延时时间，同时设置上位机延时时间，使激光器发射的激光到达半波片位置时旋转电机转动一定角度；步骤2：设定激光器输出激光的能量值，并将半波片安装在固定盘的中心位置；确保激光器发出的激光依次经过半波片和检偏器，构成光路；步骤3：通过上位机驱动旋转电机旋转一个角度α，并记录角度α所对应的能量值，将旋转电机作业区间内能量最小值或最大值所对应的位置计做电机零点，初始状态下使电机处于电机零点；步骤4：基于上述步骤1~3进行激光的能量调节或频率调节；能量调节1：完成步骤1~3，通过激光器设定激光传导所需能量范围，通过上位机将旋转电机转动角度与所述激光传导所需能量范围联立，使旋转电机带动半波片旋转的角度与能量值一一对应；通过上位机设定能量值，对应的旋转电机转动一定角度，当激光通过半波片后达到对应能量值；频率调节1：完成步骤1~3，通过激光器设定激光传导能量值，通过上位机设定旋转电机转动频率，旋转电机按照设定频率转动，实现均匀频率脉冲激光输出或非均匀频率脉冲激光输出。
15.进一步地，所述步骤4还包括：能量调节2：完成步骤1~3，通过激光器设定激光传导所需能量范围，通过上位机将
旋转电机转动角度与所述激光传导所需能量范围联立，使旋转电机带动半波片旋转的角度与能量值一一对应；通过延时器分别调节激光器与上位机的延时时间，使激光器发出的激光通过半波片时旋转电机转动角度到位，实现角度对应下的能量值调节；频率调节2：分别调节激光器与上位机的延时信号频率，实现均匀频率脉冲激光输出或非均匀频率脉冲激光输出。
16.通过上述技术方案，本发明的有益效果为：1.本发明采用旋转电机带动半波片旋转，改变入射激光的偏振方向，检偏器完成检偏实现激光能量调制，通过延迟器进行激光器、上位机作业时刻设置，可以在皮秒精度调节激光器以及旋转电机延时，以精确控制激光通过半波片的时间，结合上位机调节半波片转动的角度，实现激光的频率调节和能量调节，可以灵活应用于多种场景。
17.2．本发明设置半波片结合检偏器完成光路基本构建，在作业时半波片无需外加高压电场，从而误差小，同时半波片及检偏器的材质相较于斩波片材质具有抗激光损伤阈值高的特性，从而实现兆瓦、吉瓦、太瓦、帕瓦级激光脉冲调制。
18.3.本发明的结构简洁，插入损耗低。
附图说明
19.图1是本发明一种高速机械式脉冲激光调制器的光路结构示意图；图2是本发明一种高速机械式脉冲激光调制器的电气原理图；图3是本发明一种高速机械式脉冲激光调制器的旋转平台结构示意图。
20.附图标号：1为延时器，2为激光器，3为旋转电机，4为半波片，5为检偏器，6为上位机，11为能量计，12为光陷，13为固定盘，14为光栅尺传感器。
具体实施方式
21.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：实施例1如图1~3所示，一种高速机械式脉冲激光调制器，包括激光器2和用于对激光进行偏振的半波片4，所述半波片4设置有旋转平台，所述旋转平台包括旋转电机3，半波片4随旋转电机3转动，半波片4位于激光器2后侧，半波片4的后侧设置有检偏器5，所述激光器2、半波片4和检偏器5构成光路，激光器2发射的激光依次穿过半波片4和检偏器5；所述旋转电机3设置有上位机6，所述上位机6用于驱动并调节旋转电机3的旋转角度及转动频率；激光器2设置有延时器1，所述延时器1用于对激光器2提供延时信号，延时器1还用于对上位机6提供延时信号，并实现延时信号频率调节。
22.如图3所示，所述旋转平台还包括固定盘13和光栅尺传感器14，所述固定盘13为环状盘体结构，固定盘13与旋转电机3的输出轴固定连接，固定盘13的中部可拆卸设置半波片4；所述光栅尺传感器14用于检测旋转电机3的旋转角度，所述光栅尺传感器14与上位机6通信连接，所述上位机6通过接收光栅尺传感器14检测参数采用闭环控制方式驱动旋
转电机3；所述旋转电机3包括高速盘式步进电机。
23.在本实施例中，所述旋转电机3的动作包括任意角度定位、原点回归、高速定角度旋转，其旋转角的精度大于0.1
°
，操作重频大于10hz。
24.为优化通信的质量，所述延时器1包括多个信道，所述信道包括多个tll串口；所述信道的延迟精度小于激光脉冲周期。
25.为优化产品结构，所述检偏器5包括偏振分束器、双折射晶体、薄膜偏振片中的一种或多种组合。
26.作为一种可实施方式，所述旋转电机3设置有驱动芯片，所述驱动芯片与上位机6通信连接；在本身实施例中，所述激光器2与上位机6均通过bnc接口连接延时器1。
27.在本实施例中，检偏器5的两个偏折方向上分别设置有能量计11和光陷12，所述能量计11用于对本发明输出激光的能量进行检测，便于对本发明装置进行调试；所述光陷12用于对另一部分不需使用的激光脉冲进行收集及消除，具高损伤阈值且能防止因热效应导致的积热问题。
28.作业时，延时器1发出延时指令，此时激光器2延迟发出激光与旋转电机3的转动时刻相匹配，使激光器2激光到达半波片4的一刻旋转电机3按照设定角度及频率进行转动作业；由于旋转电机3转动，半波片4角度发生变化，激光经过半波片4后偏振方向发生改变，激光经检偏器5完成调制，其中一部分激光到达能量计11位置，另一部分激光达到光陷12。
29.本实施例设置有延时器、半波片、上位机、旋转平台和检偏器，激光经半波片改变偏振方向，再由检偏器实现能量调节，并可通过控制半波片转动频率实现激光重复频率的调控。
30.实施例2一种高速机械式脉冲激光调制器的调制方法，包括：步骤1：将激光器2、上位机6和延时器1通过通信串口连接，通过延时器1设置激光器2的延时时间，同时设置上位机6延时时间，使激光器2发射的激光到达半波片4位置时旋转电机3转动一定角度；步骤2：设定激光器2输出激光的能量值，并将半波片4安装在固定盘13的中心位置；确保激光器2发出的激光依次经过半波片4和检偏器5，构成光路；步骤3：通过上位机6驱动旋转电机3旋转一个角度α，并记录角度α所对应的能量值，将旋转电机3作业区间内能量最小值或最大值所对应的位置计做电机零点，初始状态下使电机处于电机零点；步骤4：基于上述步骤1~3进行激光的能量调节或频率调节；能量调节1：完成步骤1~3，通过激光器2设定激光传导所需能量范围，通过上位机6将旋转电机3转动角度与所述激光传导所需能量范围联立，使旋转电机3带动半波片4旋转的角度与能量值一一对应；
通过上位机6设定能量值，对应的旋转电机3转动一定角度，当激光通过半波片4后达到对应能量值；频率调节1：完成步骤1~3，通过激光器2设定激光传导能量值，通过上位机6设定旋转电机3转动频率，旋转电机3按照设定频率转动，实现均匀频率脉冲激光输出或非均匀频率脉冲激光输出。
31.作为一种可实施方式，所述步骤4还包括：能量调节2：完成步骤1~3，通过激光器2设定激光传导所需能量范围，通过上位机6将旋转电机3转动角度与所述激光传导所需能量范围联立，使旋转电机3带动半波片4旋转的角度与能量值一一对应；通过延时器1分别调节激光器2与上位机6的延时时间，使激光器2发出的激光通过半波片4时旋转电机3转动角度到位，实现角度对应下的能量值调节；频率调节2：分别调节激光器2与上位机6的延时信号频率，实现均匀频率脉冲激光输出或非均匀频率脉冲激光输出。
32.结合实施例1和2对激光脉冲调制进行说明：1.通过上位机6实现能量及频率调节：操作上位机6驱动旋转电机3按照设定频率转动45
°
，操作延时器1，调整激光器2与旋转电机3间的作业时刻，基本设定完成；单能量调节：完成基本设定，调节激光器2设定激光能量范围，操作上位机6设定调节能量值（总能量的百分比）驱动旋转电机3转动，激光穿过半波片4偏折方向变化，激光能量改变。
33.单频率调节：完成基本设定，设置激光器2所需能量值，操作上位机6设定需要频率，旋转电机3按照设定频率转动，旋转电机3匀速摆动或变速摆动，激光穿过半波片4偏折方向变化，即可实现均匀频率或非均匀频率脉冲激光输出。
34.能量与频率调节：完成基本设定，设置激光器2所需能量值，操作上位机6设定所需频率以及能量值，旋转电机3按照设定频率、按照一定角度旋转，激光穿过半波片4偏折方向变化，即可实现频率与能量的调制。
35.2.通过延时器1实现能量及频率调节：能量调节2：初始状态下使电机处于电机零点，由于激光的能量与半波片4旋转角度对应，设所需能量值下半波片4偏转的角度为θ，计算旋转电机3转动θ角度时激光到达半波片4时的时间，由于旋转电机3转速一定，通过分别调节激光器2延时时间和上位机6延时时间，使激光通过半波片4时，半波片4的角度为θ，从而实现能量调节。
36.频率调节2：基于上述原理，通过改变延时信号频率实现实现均匀频率脉冲激光输出或非均匀频率脉冲激光输出。
37.以上所述之实施例，只是本发明的较佳实施例而已，并非限制本发明的实施范围，故凡依本发明专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请专利范围内。