[发明专利]转轴反射式脉冲激光合束器及脉冲合束激光系统

说明书

本发明涉及一种转轴反射式脉冲激光合束器及脉冲合束激光系统。为克服现有脉冲时序合束中存在的需要透射型元件难以适应高功率激光的不足或者其他合束方法对合束后的光束质量产生影响的缺陷，本发明提出一种用于脉冲激光的合束器，包括转轴和固定在其上的反射镜，转轴的轴心线与合束后光束平行，反射镜沿转轴轴心线方向间隔排布，且沿以轴心为圆心圆径向错位排布；多束脉冲激光经对应的反射镜反射，并在空间合束后沿输出光路出射。本发明还提出一种脉冲合束激光系统，利用上述合束器、多只脉冲激光器及多只折返镜组成，脉冲激光器按照设定的时序出射激光，经过折返镜折返后入射至反射镜形成合束激光出射。

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种转轴反射式脉冲激光合束器及脉冲合束激光系统。

背景技术

随着激光技术的不断发展和成熟，高功率激光具有越来越广泛的应用，深刻地影响了多个行业的发展。按工作方式划分，高功率激光主要分为高峰值功率激光(即高能脉冲激光)和高平均功率激光。

对于高能脉冲激光，在多种应用领域要求激光具有一定的重复频率，然而直接提高高能脉冲激光器运行的重复频率，将会产生严重的热效应，从而影响激光器的性能，甚至导致激光器输出脉冲能量下降或者不能工作。对于高平均功率激光，应用需求对激光输出功率不断提出更高要求，而单路激光功率提升有限，难以实现较高的平均输出功率。因此，无论是对于高能脉冲激光还是对于高平均功率激光，提高脉冲激光的重复频率都是亟需解决的问题。

单台激光实现高功率、高光束质量和高效率特性的输出，会由于功率升高，光束质量出现非线性下降，且非线性的关系非常复杂，因此，在特定基础条件下，单台输出的能力总是有限的，但人们对“三高”激光输出的需求是无止境的，要实现更大功率的输出，则最佳途径就是多光束合成技术。

现有的光束合束方法包括相干合束、光谱合束和脉冲激光分时合束。2015年3月在《激光技术》上发表的“脉冲激光的非相干合成技术研究”公开了一种基于转盘旋转实现脉冲激光合束的方法，将不同时序的激光斜入射至不同厚度的晶体后发生偏移，经晶体折射后共轴线输出，实现脉冲激光的合束，达到提高激光输出重复频率和平均功率的目的。这种方案存在的问题是，强激光需要经过晶体透射，光学元件承受激光功率的能力有限，难以满足高功率高能量激光的入射要求。

中国发明专利申请“一种脉冲激光合束方法”(公开号：201210078189.7)，提出了一种采用旋转反射镜的方式，将多束较低重复频率脉冲激光束合成为一束高重复频率脉冲激光束，该方法采用的反射型光学元件、光路结构简单，合成光束可以具有很高的功率。根据其技术效果描述，多棱镜系统的所有光学元件都可以是反射光学元件，该装置可以承受任意高功率激光器，只要输入的激光功率足够高，就可以输出任意高功率脉冲激光束。但是这种方案存在的问题是，在脉冲激光出光期间，由于反射镜的不断运动带来合成光束质量的下降，比如当脉冲持续时间为毫秒(ms)量级时，该系统由于反射镜不断运动带来的合成光束质量下降1/10量级，影响了其推广应用。

发明内容

本发明的目的在于为克服现有脉冲时序合束中存在的需要透射型元件难以适应高功率激光的不足或者其他合束方法对合束后的光束质量产生影响的缺陷，而提出一种转轴反射式脉冲激光合束器及脉冲合束激光系统，大大提高了单只激光的平均输出功率和重复频率，且基本保持原有激光的光束质量不变，并具备良好的功率和激光器数量可扩展性。

本发明的技术方案是：

一种转轴反射式脉冲激光合束器，包括一只旋转的转轴和固定在转轴上的若干只反射镜，转轴的轴心线与合束后的输出光束平行设置，反射镜沿转轴的轴心线方向间隔排布，且沿转轴轴线为中心的外圆方向错位排布；按照设定时序发射的多束脉冲激光经对应的不少于一只的反射镜反射，并在空间合束后沿输出光路出射。

进一步地，上述转轴反射式脉冲激光合束器中，反射镜依靠支杆或空心转筒结构固定在转轴上。