[发明专利]高功率激光光束扩束器

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光扩束器，主要涉及一种高功率密度激光发射系统使用的扩束器，尤其是涉及一种可对高功率密度重复频率脉冲激光进行光束整形和光束指向稳定的扩束器。

背景技术

随着激光技术的发展，高功率重复频率脉冲激光在光电系统中的应用越来越多，成为提高整个光电武器系统作用距离与效能的重要技术措施。这类激光系统中存在的常见问题有：光学元件的激光损伤、激光光斑分布均匀性差、激光光束指向稳定性差、激光与其他光电系统光轴同轴度难以保证问题。这些问题直接影响激光系统作用效能的正常发挥。

工程上使用的重复频率脉冲激光器输出光束的能量分布通常为多模激光束，不能直接满足使用要求，也容易损伤探测器表面，需要激光发射系统对其进行光束整形、光束指向稳定、扩束和准直后，才能使发射激光满足在远距离处作用面一定的激光覆盖面积上的激光能量分布要求；这种激光发射系统的光学器件局部上要承受高功率密度的激光辐射，因而易于导致激光传输光路上光学器件的激光损伤和失效；在光电系统中，激光器的故障率通常最高，需要更换，更换后的激光光轴校准需要的时间较长，而且需要专用的设备和空间，这种现状与激光武器系统的快速维修性要求存在一定差距。随着国防科技对激光功率/能量增大需求的增加，高功率密度激光的需求会不断增加，激光对光学元件的损伤将会是制约高功率密度激光在光电系统中广泛使用的主要因素。随着光电系统对超视距目标探测要求的增加，对激光发射光轴的指向稳定性以及与光电系统其它光轴的同轴度要求增加。

传统的激光扩束系统是基于几何光学的原理，采用反向望远镜光学结构，典型的有反向透射伽利略式和反向折反卡塞格林式，其特点是起扩束作用的光学元件承载的激光功率密度最大，高功率密度激光在光学材料中的热透镜效应和光学器件表面的损伤，影响激光光束的光束指向稳定性、扩束效果；在重复频率脉冲激光的初始工作和稳定工作条件下，这种现象尤其严重；而且这种扩束器件在与激光器装配时需要与激光器输出镜间隔一段距离，光轴调整复杂。这种激光扩束系统，在通常情况下扩束比等于准直透镜组的焦距与扩束镜的焦距之比，焦距太短时调试困难，焦距太长易于导致激光发射天线的总的几何尺寸太长，对于远距离作用的激光发射系统易于形成“纵目”现象，不利于系统的整体体积重量的降低，对于小型化的激光发射系统不利。这种光学系统中采用的都是整块的光学器件，光学器件对光束的变换是线性变换，其输入输出图像(激光能量分布)满足物像公式，不能对多模激光实现光束的整形和光束指向稳定，工程上激光小目标作用系统要求激光光斑为能量均匀分布，而现有的传统扩束镜是基于成像光学原理制作，不能改善激光的光斑分布，需要另外设计光束整形器和指向稳定单元对激光束进行整形和指向稳定性；这种光学系统的光路是可逆的，对于瞄准它的光会产生“猫眼效应”，不利于光电武器系统的隐身，降低了战场生存能力。而且折反式的激光扩束发射系统输出的激光光斑，在激光传输光路上，激光光斑中心有能量空洞，存在盲区，导致漏探测。

国内外在激光光束的指向稳定性方面有大量的专利和文献报道，其主要方法有反馈式，通过分束法检测发射激光，再将检测信号反馈到自动控制光学系统的透镜，进行激光指向调整，保证发射系统发射激光光轴的指向稳定性。美国专利US006865034B1(Method and apparatus for eliminating alignment error inan optical system)公开了一种用于在光路中消除激光发射光轴热漂移的方法和仪器，该方法采用调校透镜进行微位移，消除由于热膨胀导致的侧向光轴漂移。在透镜的径向周围装有三个能反向变形的柔性电控器件，该器件的变形量由计算机中央处理设备提供控制信号。这种方法涉及机械结构、电学传感器、电信号的实时解算和反馈驱动电路，其设计环节复杂，不利于整个激光发射系统的小型化。

传统的激光光束整形方法有：对激光器输出激光的空间滤波(选模)法，激光谐振腔输出镜反射率高斯分布法，乳白玻璃的余弦修正法；激光光束整形的最新产品是德国的Molecular Technology Gmbh公司生产的光束整形器，该光束整形器可将激光器输出的高斯光束转换为平顶形状分布的光束(πshaper)，没有公开其内部光路的工作方式和器件的工作原理。

发明内容

本发明要解决的第一个技术问题是，为进行激光光束扩束提供一种采用光纤棒构成的具有高功率密度激光损伤阈值的扩束器。

本发明要解决的第二个技术问题是，所提供的扩束器不仅能够解决多模激光束的能量分布的均匀化问题，而且还可以起到稳定发射激光光轴的作用。