CN102809823A - 激光合束照射与接收系统 - Google Patents
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Abstract
公开了一种激光合束发射与接收方法和系统，属于光电技术领域，用于对多光束多波段高功率激光合束发射与接收。采用棱镜侧面薄膜反射、端面入射透过、光学纤维棒和准直镜实现对多个方向入射激光的合束发射与接收，含若干激光光源、多维合束器、整形器、准直镜、接收探测单元、计算机系统。多维合束器含有多面棱镜、棱镜架，多面棱镜有一个端面和若干反射镜面，若干激光从周围打在多维合束器端面及若干反射镜面上，合束激光以小于光纤数值孔径角会聚于整形器的输入端面上，输出激光经准直镜准直成准平行光，照射目标，目标的漫反射激光及激光致辐射图案被位于准直镜的焦点处的接收探测单元接收，实现对目标的探测与图像获取。
Description
技术领域
本发明属于光电技术领域，主要涉及一种激光合束照射与接收系统，尤其涉及多光束多波段激光能量叠加合为一束的激光照射与多波段接收系统。
背景技术
激光照射是激光应用的一个重要领域，用激光对目标进行主动照射，提高远方目标与背景的对比度、实施对目标的激光压制(包括眩目)、激光致辐射甚至摧毁以及效果评估等，需要以能量均匀分布的最小光斑、最大功率密度(最大能量密度)的编码激光照射在目标上，接收目标反射/漫发射激光或者激光致辐射，实现探测与图像获取。
专利号：2011101695381《一种激光合束系统及一种激光合束方法》公开了一种激光合束系统，包括第一激光器、第二激光器、反射镜、合束镜，合束镜为薄膜偏振片，合束镜包括第一镜面及第二镜面，第一激光器输出光路的中心线上设置有反射镜，第一激光器输出的激光光束经反射镜反射后，入射到合束镜的第一镜面并发生镜面反射，第二激光器发出的激光光束以布儒斯特角入射到合束镜，第二激光器发出的激光光束透射过合束镜后，与经合束镜的第一镜面反射的激光光束重合为一个光束。还公开一种激光合束方法，激光合束系统可将相同型号的激光器所发射的激光光束合成，合成输出的激光光束功率为单束激光功率的2倍，可以保证激光器工作稳定的前提下，满足加工使用对高激光功率的要求。该专利合束激光的数量和功率有限。
传统的激光合束装置含有多个激光器、抛物面镜或透镜、准直透镜，抛物面镜或透镜的像方焦点与准直透镜的物方焦点重合，多个激光器发射同方向的激光束经合束抛物面镜或透镜，会聚于焦点处，经准直透镜后合成一束合束激光。这种合束装置中，由于抛物面镜或透镜是基于几何光学原理，(1)在安装时多个激光器之间的光轴平行性很难保证，造成焦平面上激光光斑能量不能集中在焦点上，即激光光斑在光轴的径向弥散；(2)多个激光器的束散角各不相同，距离抛物面镜或透镜的物距不同，导致会聚激光聚焦在焦平面附近的不同像面上，即激光光斑在光轴的纵向弥散；(3)每个激光器的模式不稳定，因而会聚激光在焦点附近的像点能量分布不稳定；(4)多个激光器各自独立的在光轴的径向分布，即抛物面镜或透镜物面上会聚激光的能量分布不均匀；(5)焦点处激光的能量密度大，易于空气击穿，引起能量损失；这些因素导致合束激光光斑能量分布不均匀和束散角过大，激光光束抖动、强度起伏，使得照射在目标上的激光能量分布不均匀和闪烁，造成传感器获得的目标图像难以识别和小目标漏测。(6)由于抛物面镜或透镜口径尺寸的局限性，因而激光器的数量受到限制，进而合束激光功率受到限制。
传统的激光照射和接收系统采用各自的光学系统，整个系统摆动扩大照射覆盖区域，摆动机构的驱动动力要求高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有激光合束照射与接收系统的不足，提供一种能够进行多光束多波段激光能量叠加合为一束的激光照射与多波段接收系统的激光合束照射与接收系统。
为解决上述技术问题，本发明提供的激光合束照射与接收系统包括若干激光光源、多维合束器、整形器、准直镜、接收探测单元、计算机系统，固定连接在一个壳体上。其特征在于：所述若干激光光源含有相同或不同波长的若干个激光光源，可以是固体激光光源、气体激光光源、半导体激光光源、带准直透镜的半导体激光bar条等；
所述多维合束器含有多面棱镜、棱镜架，所述多面棱镜是一个整块石英玻璃棱镜，也可以是胶合棱镜，对端面透射的红外激光波长选用红外光学材料，多面棱镜有一个端面和若干个反射镜面，所述若干反射镜面在多面棱镜的侧壁上分为若干级，反射镜面的级数j随着远离端面逐渐增大，第j+1级反射镜面的个数不大于第j级反射镜面的个数，每一级反射镜面的法线与端面有一个夹角α，该夹角α随着级数j逐渐增加，且夹角0＜α＜90°，每一个反射镜面上镀有对侧面入射激光的反射膜，且对端面入射激光的激光波长透射，所述端面镀有对端面入射激光的增透膜，所述每一个反射镜面有多束激光入射，所有激光经过多维合束器的反射/透射后，以小于光学纤维棒的数值孔径角会聚于所述整形器的输入面上，所述棱镜架与多面棱镜固连，用于对多面棱镜的支承；
所述整形器含有若干根光学纤维棒和镜框，光学纤维棒的方向为整形器的光轴方向，所有光学纤维棒的长度相等，且所有光学纤维棒的前端面与后端面分别对齐，镜框将所有光学纤维棒夹紧，所有光学纤维棒的输入端面构成整形器的输入面，其输出端面构成整形器的输出面，所述光学纤维棒可以是单模光纤棒，也可以是多膜光纤棒，还可以是单芯光纤棒，入射激光穿过光学纤维棒及其间隙后输出；
所述准直镜含有镜体、镜架，所述镜体为离轴抛物面镜，离轴抛物面镜的离轴抛物面镀有全反射膜，所述镜架含有俯仰/方位摆动的电动支架和司服驱动电路，镜架与壳体固连，镜体固定连接在电动支架上；
所述接收探测单元含有分束器、探测器、处理电路，处理电路与计算机相连，所述分束器为波段选通的平面平板反射镜，将激光照射目标的反射/漫发射激光和激光致辐射分为不同波段信号，所述探测器为相应波段的面阵探测器，也可以是单元探测器，所述处理电路将探测器接收到的目标模拟信号转换为数字信号；所述探测器分别位于离轴抛物面镜的相应波段的焦点处，且探测器的接收面与离轴抛物面镜的光轴垂直，整形器紧靠分束器安置，且在远处合束激光照射覆盖范围与探测器的视场重合；
所述计算机系统内置控制与处理程序，用于对激光器、准直镜、接收探测单元的控制与数据处理，设置激光器的数量和能量、脉冲宽度、脉冲重复频率及其对激光波长/重复频率/脉冲串长度等参数混合编码，还设置接收探测单元的同步接收及其输出的数字信号的采集和处理，设置司服驱动电路摆动离轴抛面镜俯仰/方位的范围，满足接收探测单元对目标的激光漫反射和激光致辐射的辐射量要求。
本发明的有益效果体现在以下几个方面。
(一)本发明由于采用了多维合束器，借助多面反射镜面和棱镜把激光器发射激光从多方位收集，扩大了会聚激光的激光器布局的空间尺寸，增加了会聚激光的激光器的数量，从而使合束激光输出能量的量值倍增。
(二)本发明中多维合束器对会聚激光的多个激光器的光轴平行性没有严格要求，极大的降低了激光器的安装调试难度。
(三)本发明中会聚激光不存在焦点，避免了激光能量密度大所引起的空气击穿导致的能量损失。
(四)本发明中的整形器由于采用了光学纤维棒，提高了激光损伤阈值；同时每一根光学纤维棒及其间隙对输出激光的出射方向和能量分布分别服从同样规律，整形器中若干个光学纤维棒及其间隙输出激光叠加，起到对入射的激光束的统计平均作用，使得输出激光的能量分布得到均匀化，且准直后指向稳定，提高对目标照射覆盖效果。
(五)本发明由于采用了激光照射与接收共用准直镜，摆动准直镜就能够实现扩大照射覆盖区域，降低了摆动驱动动力要求，使得整个激光照射与接收系统结构更加紧凑。
附图说明
图1是本发明激光合束照射与接收系统原理图。
图2是本发明多维合束器合束原理图。
具体实施方式
下面结合附图1、附图2对本发明作进一步的阐述。
根据图1所示，本发明提供的激光合束照射与接收系统包括若干激光光源1、多维合束器2、整形器3、准直镜4、接收探测单元5、计算机系统，固定连接在一个壳体上。其特征在于：所述若干激光光源1含有相同或不同波长的若干个激光光源，可以是固体激光光源、气体激光光源、半导体激光光源、带准直透镜的半导体激光bar条等，本实施例的若干个激光光源1选用M个带准直透镜的波长0.808微米的半导体激光器1-1和N个波长1.064微米的调Q-YAG激光器1-2，所有激光器与计算机相连，对激光器的数量和能量、脉冲宽度、脉冲重复频率及其对激光波长/重复频率/脉冲串长度等参数进行混合编码控制。
所述多维合束器2含有多面棱镜2-1、棱镜架2-2，所述多面棱镜2-1是一个整块石英玻璃棱镜，也可以是胶合棱镜，对透射的红外激光波长选用红外光学材料，多面棱镜2-1有一个端面和若干个反射镜面，多面棱镜2-1与棱镜架2-2固连，所述若干反射镜面在多面棱镜2-1的侧壁上分为若干级，级数j随着远离端面逐渐增大，第j+1级反射镜面的个数不大于第j级反射镜面的个数，每一级反射镜面的法线与端面有一个夹角α，α随着级数j逐渐增加，且0＜α＜90°，每一个反射镜面上镀有对激光器1-2发射激光的反射膜，且对半导体激光器1-1的激光波长透射，每一个反射镜面有多束激光入射，所述端面镀有对半导体激光器1-1发射激光的增透膜，所有激光经过多维合束器2反射/透射后，以小于整形器3的光学纤维棒的数值孔径角会聚于所述整形器3的输入面上；本实施例多维合束器2选用两块石英玻璃制成的胶合多面棱镜2-1，一个端面和F个反射镜面，本实施例选用多面棱镜的端面是13个边的多边形平面，反射镜面个数F＝28，多面棱镜2-1的侧壁上的反射镜面分为3级，第一级反射镜面共16个，其法线与端面的夹角为15°，第二级反射镜面共8个，其法线与端面的夹角为30°，第三级反射镜面共4个，其法线与端面的夹角为45°，28个反射镜面上镀有对波长1.064微米激光反射同时对波长0.808微米激光透射的反射膜，M个波长0.808微米激光器1-1输出激光从端面入射到多维合束器2，按照透射定律穿出，以小于光学纤维棒3-1的数值孔径角15°入射角会聚于所述整形器3的输入面上，N个波长1.064微米激光器1-2输出激光从多个方向按照反射定律打在多维合束器2的28个镜面上，反射后以小于15°入射角会聚于所述整形器3的输入面上；所述棱镜架2-2与多面棱镜2-1胶合固连，用于对多面棱镜2-1的支承，棱镜架2-2与壳体固连。
所述整形器3含有若干根光学纤维棒3-1和镜框3-2，光学纤维棒3-1的方向为整形器3的光轴方向，所有光学纤维棒3-1的长度相等，且所有光学纤维棒3-1的前端面与后端面分别对齐，镜框3-2将所有光学纤维棒3-1夹紧，所有光学纤维棒3-1的输入端面构成整形器3的输入面，其输出端面构成整形器3的输出面，所述光学纤维棒3-1可以是单模光纤棒，也可以是多膜光纤棒，还可以是单芯光纤棒，入射激光穿过光学纤维棒3-1及其间隙后输出；本实施例选用单模石英光纤G652的裸纤，数值孔径角Θ＝15°，切割成长10mm的光学纤维棒3-1，镜框3-2内孔直径为10mm，将所有光学纤维棒3-1夹紧。
所述准直镜4含有镜体4-1、镜架4-2，所述镜体4-1为离轴抛物面镜，离轴抛物面镜的离轴抛物面镀有全反射膜，反射所有波段的光辐射，所述镜架4-2含有俯仰/方位摆动的电动支架和司服驱动电路，司服驱动电路与计算机相连，且控制镜架4-2的俯仰/方位，镜架4-2与壳体固连，镜体4-1固定连接在镜架4-2上；本实施例离轴抛物面镜选用碳化硅材料制成，焦距300mm，口径200mm，离轴抛物面上镀金全反射膜，反射照射激光和目标的可见光、红外辐射、漫反射激光，镜架4-2选用电动五维调整支架和司服驱动电路，离轴抛物面镜固定在调整支架上，镜架4-2与壳体固连，司服驱动电路驱动镜架4-2，实现对离轴抛物面镜的俯仰/方位的摆动，改变合束激光发射光束方向和接收视场，扩大激光照射覆盖范围和接收视场。
所述接收探测单元5含有分束器5-1、探测器5-2、处理电路，处理电路与计算机相连，所述分束器5-1为波段选通平面平板反射镜，将激光照射目标的反射/漫发射激光和激光致辐射分束为不同波段的光束，所述探测器5-2为面阵探测器，也可以是单元探测器，所述处理电路将探测器5-2接收到的信息转换为数字信号，所述探测器5-2位于离轴抛物面镜的焦点处，且探测器5-2的接收面与离轴抛物面镜的光轴垂直，整形器3紧靠分束器5-1，且在远处合束激光照射覆盖范围与接收探测器的视场重合。本实施例探测器5-2选用面阵ICCD探测器和红外焦平面探测器，处理电路将探测器5-2接收到的目标信息转换为数字信号，面阵ICCD探测器位于离轴抛物面镜的透过分束器5-1的焦点处，且面阵ICCD探测器的接收面与离轴抛物面镜的光轴垂直，红外焦平面探测器位于离轴抛物面镜的被分束器5-1反射后的焦点处，且红外焦平面探测器的接收面与离轴抛物面镜的光轴垂直，整形器3紧靠分束器5-1安置
激光合束照射与接收系统的工作过程：对近距离目标，计算机设置M个波长0.808微米的半导体激光器1-1中的m(1＜m＜M)个激光器和N个波长1.064微米的调Q-YAG激光器1-2中的n(1＜n＜N)个激光器打开，同时计算机设置接收探测单元5接收选通时间区间t1-t2；打开开关，m(1＜m＜M)个半导体激光器1-1和n(1＜n＜N)个Q-YAG激光器发射激光，m(1＜m＜M)个半导体激光器1-1发射激光从多维合束器2的端面入射，经多维合束器2穿出，以小于光学纤维棒的数值孔径角会聚于所述整形器3的输入面上，n(1＜n＜N)个Q-YAG激光器发射激光经多维合束器2的反射面反射，以小于光学纤维棒3-1的数值孔径角会聚于所述整形器3的输入面上，所有激光经过多维合束器2的反射/透射后，入射整形器3，经过光学纤维棒3-1及其间隙传输，每一根光学纤维棒3-1及其间隙对输出激光的出射方向和能量分布分别服从同样出射角度规律，在整形器3的输出端距离输出面一定距离处，单位面积上激光的能量是经整形器3的所有光学纤维棒3-1及其间隙出射激光辐射到在该面积上的激光能量的叠加，经过准直镜4合成一束激光照射目标，照射激光光束中的每一部分光束都是对整形器3的每一根光学纤维棒输出激光的能量叠加，起到统计平均作用，得到一束能量分布和束散角相对稳定的高功率合成激光束，目标的激光漫反射和激光致辐射经准直镜4全反射，经分束器5-1分为可见波段和红外波段的辐射图像，且在焦点处分别成像在探测器5-2上；发射激光的同时计时开始，到达时间t1-t2时，探测器5-2的打开接收门限，接收目标图像信息；对远距离目标，设置M个波长0.808微米的半导体激光器1-1和N个波长1.064微米的调Q-YAG激光器1-2全部打开，同时接收信号采集与处理软件设置接收探测单元5接收选通时间区间t3-t4，发射激光，同时计时开始，到达时间t3-t4时，探测器5-2打开接收门限，接收目标图像信息，计算机对图像信息进行处理。
Claims (4)
1.一种激光合束发射与接收方法，其特征在于：若干激光光源(1)从空间多个方向入射激光到多维合束器(2)上，分别经过多维合束器(2)的透射和反射，以小于光学纤维棒(3-1)的数值孔径角会聚于整形器(3)的输入端面上，从整形器(3)的输出，经准直镜(4)后照射到目标上，目标的漫反射激光及激光致辐射图案被位于准直镜(4)焦点处的接收探测单元(5)接收。
2.根据权利要求1所述的激光合束发射与接收方法，其特征在于：还包括多维合束器(2)，含有多面棱镜(2-1)、棱镜架(2-2)，所述多面棱镜(2-1)是一个整块棱镜，也可以是胶合棱镜，多面棱镜(2-1)有一个端面和若干个反射镜面，若干反射镜面在多面棱镜(2-1)的侧壁上分为若干级，级数j随着远离端面逐渐增大，第j级反射镜面的个数不小于第j+1级反射镜面的个数，每一级反射镜面的法线与端面有一个夹角α，该夹角α随着级数j逐渐增加，且夹角0＜α＜90°，反射镜面上镀有侧面入射激光(1-2)的反射膜，且对端面入射激光(1-1)的激光波长透射，所述端面镀有对入射激光的增透膜，所述端面和每一个反射镜面有多束激光入射，经过多维合束器(2)反射/透射，以小于光学纤维棒的数值孔径角会聚于所述整形器(3)的输入端面上，所述棱镜架(2-2)与多面棱镜(2-1)固连。
3.根据权利要求1所述的激光合束发射与接收方法，其特征在于：还包括整形器(3)，含有若干根光学纤维棒(3-1)和镜框(3-2)，所有光学纤维棒(3-1)的长度相等，且所有光学纤维棒(3-1)的前端面与后端面分别对齐，镜框(3-2)夹紧所有光学纤维棒(3-1)，所述光学纤维棒(3-1)可以是单模光纤棒，也可以是多膜光纤棒，还可以是单芯光纤棒，入射激光穿过光学纤维棒(3-1)及其间隙后输出。
4.一种激光合束发射与接收系统，包括若干激光光源、多维合束器、整形器、准直镜、接收探测单元、计算机系统，固定连接在一个壳体上，其特征在于：所述若干激光光源含有相同或不同激光波长，可以是固体激光光源、气体激光光源、半导体激光光源、带准直透镜的半导体激光bar条等；所述准直镜(4)含有镜体(4-1)、镜架(4-2)，所述镜体(4-1)为离轴抛物面镜，且镀有全反射膜，所述镜架(4-2)含有俯仰/方位摆动的电动支架和司服驱动电路，镜架与壳体固连，镜体与电动支架固连；所述接收探测单元(5)含有分束器(5-1)、探测器(5-2)、处理电路，所述探测器位于离轴抛物面镜的焦点处，且与离轴抛面镜的光轴垂直；所述整形器(3)紧靠分束器(5-1)安置且在远处合束激光照射覆盖范围与探测器的视场重合；所述计算机系统内置控制与处理程序，对激光器、准直镜、接收探测单元的控制与数据处理，根据目标距离和类型设置激光器的数量和能量、脉冲宽度、脉冲重复频率及其对激光波长/重复频率/脉冲串长度等参数混合编码，还设置接收探测单元(5)的同步接收及其输出的数字信号的采集和处理，还设置司服驱动电路调整离轴抛物面镜的俯仰/方位范围，满足接收探测单元对目标的激光漫反射和激光致辐射的辐射量要求。
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