專利名稱：激光合束照射與接收系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于光電技術領域，主要涉及一種激光合束照射與接收系統，尤其涉及多光束多波段激光能量疊加合為一束的激光照射與多波段接收系統。
背景技術：
激光照射是激光應用的一個重要領域，用激光對目標進行主動照射，提高遠方目標與背景的對比度、實施對目標的激光壓制(包括眩目)、激光致輻射甚至摧毀以及效果評估等，需要以能量均勻分布的最小光斑、最大功率密度(最大能量密度)的編碼激光照射在目標上，接收目標反射/漫發射激光或者激光致輻射，實現探測與圖像獲取。
專利號2011101695381《一種激光合束系統及一種激光合束方法》公開了一種激光合束系統，包括第一激光器、第二激光器、反射鏡、合束鏡，合束鏡為薄膜偏振片，合束鏡包括第一鏡面及第二鏡面，第一激光器輸出光路的中心線上設置有反射鏡，第一激光器輸出的激光光束經反射鏡反射后，入射到合束鏡的第一鏡面并發生鏡面反射，第二激光器發出的激光光束以布儒斯特角入射到合束鏡，第二激光器發出的激光光束透射過合束鏡后，與經合束鏡的第一鏡面反射的激光光束重合為一個光束。還公開一種激光合束方法，激光合束系統可將相同型號的激光器所發射的激光光束合成，合成輸出的激光光束功率為單束激光功率的2倍，可以保證激光器工作穩定的前提下，滿足加工使用對高激光功率的要求。該專利合束激光的數量和功率有限。傳統的激光合束裝置含有多個激光器、拋物面鏡或透鏡、準直透鏡，拋物面鏡或透鏡的像方焦點與準直透鏡的物方焦點重合，多個激光器發射同方向的激光束經合束拋物面鏡或透鏡，會聚于焦點處，經準直透鏡后合成一束合束激光。這種合束裝置中，由于拋物面鏡或透鏡是基于幾何光學原理，(I)在安裝時多個激光器之間的光軸平行性很難保證，造成焦平面上激光光斑能量不能集中在焦點上，即激光光斑在光軸的徑向彌散；(2)多個激光器的束散角各不相同，距離拋物面鏡或透鏡的物距不同，導致會聚激光聚焦在焦平面附近的不同像面上，即激光光斑在光軸的縱向彌散；(3)每個激光器的模式不穩定，因而會聚激光在焦點附近的像點能量分布不穩定；(4)多個激光器各自獨立的在光軸的徑向分布，即拋物面鏡或透鏡物面上會聚激光的能量分布不均勻；(5)焦點處激光的能量密度大，易于空氣擊穿，引起能量損失；這些因素導致合束激光光斑能量分布不均勻和束散角過大，激光光束抖動、強度起伏，使得照射在目標上的激光能量分布不均勻和閃爍，造成傳感器獲得的目標圖像難以識別和小目標漏測。(6)由于拋物面鏡或透鏡口徑尺寸的局限性，因而激光器的數量受到限制，進而合束激光功率受到限制。傳統的激光照射和接收系統采用各自的光學系統，整個系統擺動擴大照射覆蓋區域，擺動機構的驅動動力要求高。

發明內容
本發明要解決的技術問題是，針對現有激光合束照射與接收系統的不足，提供一種能夠進行多光束多波段激光能量疊加合為一束的激光照射與多波段接收系統的激光合束照射與接收系統。為解決上述技術問題，本發明提供的激光合束照射與接收系統包括若干激光光源、多維合束器、整形器、準直鏡、接收探測單元、計算機系統，固定連接在一個殼體上。其特征在于所述若干激光光源含有相同或不同波長的若干個激光光源，可以是固體激光光源、氣體激光光源、半導體激光光源、帶準直透鏡的半導體激光bar條等；所述多維合束器含有多面棱鏡、棱鏡架，所述多面棱鏡是一個整塊石英玻璃棱鏡，也可以是膠合棱鏡，對端面透射的紅外激光波長選用紅外光學材料，多面棱鏡有一個端面和若干個反射鏡面，所述若干反射鏡面在多面棱鏡的側壁上分為若干級，反射鏡面的級數j隨著遠離端面逐漸增大，第j+1級反射鏡面的個數不大于第j級反射鏡面的個數，每一級反射鏡面的法線與端面有一個夾角α，該夾角α隨著級數j逐漸增加，且夾角O < α
<90° ,每一個反射鏡面上鍍有對側面入射激光的反射膜,且對端面入射激光的激光波長透射，所述端面鍍有對端面入射激光的增透膜，所述每一個反射鏡面有多束激光入射，所有 激光經過多維合束器的反射/透射后，以小于光學纖維棒的數值孔徑角會聚于所述整形器的輸入面上，所述棱鏡架與多面棱鏡固連，用于對多面棱鏡的支承；所述整形器含有若干根光學纖維棒和鏡框，光學纖維棒的方向為整形器的光軸方向，所有光學纖維棒的長度相等，且所有光學纖維棒的前端面與后端面分別對齊，鏡框將所有光學纖維棒夾緊，所有光學纖維棒的輸入端面構成整形器的輸入面，其輸出端面構成整形器的輸出面，所述光學纖維棒可以是單模光纖棒，也可以是多膜光纖棒，還可以是單芯光纖棒，入射激光穿過光學纖維棒及其間隙后輸出；所述準直鏡含有鏡體、鏡架，所述鏡體為離軸拋物面鏡，離軸拋物面鏡的離軸拋物面鍍有全反射膜，所述鏡架含有俯仰/方位擺動的電動支架和司服驅動電路，鏡架與殼體固連，鏡體固定連接在電動支架上；所述接收探測單元含有分束器、探測器、處理電路，處理電路與計算機相連，所述分束器為波段選通的平面平板反射鏡，將激光照射目標的反射/漫發射激光和激光致輻射分為不同波段信號，所述探測器為相應波段的面陣探測器，也可以是單元探測器，所述處理電路將探測器接收到的目標模擬信號轉換為數字信號；所述探測器分別位于離軸拋物面鏡的相應波段的焦點處，且探測器的接收面與離軸拋物面鏡的光軸垂直，整形器緊靠分束器安置，且在遠處合束激光照射覆蓋范圍與探測器的視場重合；所述計算機系統內置控制與處理程序，用于對激光器、準直鏡、接收探測單元的控制與數據處理，設置激光器的數量和能量、脈沖寬度、脈沖重復頻率及其對激光波長/重復頻率/脈沖串長度等參數混合編碼，還設置接收探測單元的同步接收及其輸出的數字信號的采集和處理，設置司服驅動電路擺動離軸拋面鏡俯仰/方位的范圍，滿足接收探測單元對目標的激光漫反射和激光致輻射的輻射量要求。本發明的有益效果體現在以下幾個方面。(一)本發明由于采用了多維合束器，借助多面反射鏡面和棱鏡把激光器發射激光從多方位收集，擴大了會聚激光的激光器布局的空間尺寸，增加了會聚激光的激光器的數量，從而使合束激光輸出能量的量值倍增。(二)本發明中多維合束器對會聚激光的多個激光器的光軸平行性沒有嚴格要求，極大的降低了激光器的安裝調試難度。(三)本發明中會聚激光不存在焦點，避免了激光能量密度大所引起的空氣擊穿導致的能量損失。(四)本發明中的整形器由于采用了光學纖維棒，提高了激光損傷閾值；同時每一根光學纖維棒及其間隙對輸出激光的出射方向和能量分布分別服從同樣規律，整形器中若干個光學纖維棒及其間隙輸出激光疊加，起到對入射的激光束的統計平均作用，使得輸出激光的能量分布得到均勻化，且準直后指向穩定，提高對目標照射覆蓋效果。(五)本發明由于采用了激光照射與接收共用準直鏡，擺動準直鏡就能夠實現擴大照射覆蓋區域，降低了擺動驅動動力要求，使得整個激光照射與接收系統結構更加緊湊。


圖I是本發明激光合束照射與接收系統原理圖。

圖2是本發明多維合束器合束原理圖。
具體實施例方式下面結合附圖I、附圖2對本發明作進一步的闡述。根據圖I所示，本發明提供的激光合束照射與接收系統包括若干激光光源I、多維合束器2、整形器3、準直鏡4、接收探測單元5、計算機系統，固定連接在一個殼體上。其特征在于所述若干激光光源I含有相同或不同波長的若干個激光光源，可以是固體激光光源、氣體激光光源、半導體激光光源、帶準直透鏡的半導體激光bar條等，本實施例的若干個激光光源I選用M個帶準直透鏡的波長O. 808微米的半導體激光器1-1和N個波長I. 064微米的調Q-YAG激光器1-2，所有激光器與計算機相連，對激光器的數量和能量、脈沖寬度、脈沖重復頻率及其對激光波長/重復頻率/脈沖串長度等參數進行混合編碼控制。所述多維合束器2含有多面棱鏡2-1、棱鏡架2-2，所述多面棱鏡2_1是一個整塊石英玻璃棱鏡，也可以是膠合棱鏡，對透射的紅外激光波長選用紅外光學材料，多面棱鏡2-1有一個端面和若干個反射鏡面，多面棱鏡2-1與棱鏡架2-2固連，所述若干反射鏡面在多面棱鏡2-1的側壁上分為若干級，級數j隨著遠離端面逐漸增大，第j+1級反射鏡面的個數不大于第j級反射鏡面的個數，每一級反射鏡面的法線與端面有一個夾角α，α隨著級數j逐漸增加，且O < α < 90° ,每一個反射鏡面上鍍有對激光器1-2發射激光的反射膜，且對半導體激光器1-1的激光波長透射，每一個反射鏡面有多束激光入射，所述端面鍍有對半導體激光器1-1發射激光的增透膜，所有激光經過多維合束器2反射/透射后，以小于整形器3的光學纖維棒的數值孔徑角會聚于所述整形器3的輸入面上；本實施例多維合束器2選用兩塊石英玻璃制成的膠合多面棱鏡2-1，一個端面和F個反射鏡面，本實施例選用多面棱鏡的端面是13個邊的多邊形平面，反射鏡面個數F = 28，多面棱鏡2-1的側壁上的反射鏡面分為3級，第一級反射鏡面共16個，其法線與端面的夾角為15°，第二級反射鏡面共8個，其法線與端面的夾角為30°，第三級反射鏡面共4個，其法線與端面的夾角為45° ,28個反射鏡面上鍍有對波長I. 064微米激光反射同時對波長O. 808微米激光透射的反射膜，M個波長O. 808微米激光器1-1輸出激光從端面入射到多維合束器2，按照透射定律穿出，以小于光學纖維棒3-1的數值孔徑角15°入射角會聚于所述整形器3的輸入面上，N個波長I. 064微米激光器1-2輸出激光從多個方向按照反射定律打在多維合束器2的28個鏡面上，反射后以小于15°入射角會聚于所述整形器3的輸入面上；所述棱鏡架2-2與多面棱鏡2-1膠合固連，用于對多面棱鏡2-1的支承，棱鏡架2-2與殼體固連。所述整形器3含有若干根光學纖維棒3-1和鏡框3-2,光學纖維棒3_1的方向為整形器3的光軸方向，所有光學纖維棒3-1的長度相等，且所有光學纖維棒3-1的前端面與后端面分別對齊，鏡框3-2將所有光學纖維棒3-1夾緊，所有光學纖維棒3-1的輸入端面構成整形器3的輸入面，其輸出端面構成整形器3的輸出面，所述光學纖維棒3-1可以是單模光纖棒，也可以是多膜光纖棒，還可以是單芯光纖棒，入射激光穿過光學纖維棒3-1及其間隙后輸出；本實施例選用單模石英光纖G652的裸纖，數值孔徑角Θ = 15°，切割成長10_的光學纖維棒3-1,鏡框3-2內孔直徑為IOmm,將所有光學纖維棒3_1夾緊。所述準直鏡4含有鏡體4-1、鏡架4-2，所述鏡體4_1為離軸拋物面鏡，離軸拋物面鏡的離軸拋物面鍍有全反射膜，反射所有波段的光輻射，所述鏡架4-2含有俯仰/方位擺動的電動支架和司服驅動電路，司服驅動電路與計算機相連，且控制鏡架4-2的俯仰/方位，鏡架4-2與殼體固連，鏡體4-1固定連接在鏡架4-2上；本實施例離軸拋物面鏡選用碳化硅 材料制成，焦距300mm，口徑200mm，離軸拋物面上鍍金全反射膜，反射照射激光和目標的可見光、紅外輻射、漫反射激光，鏡架4-2選用電動五維調整支架和司服驅動電路，離軸拋物面鏡固定在調整支架上，鏡架4-2與殼體固連，司服驅動電路驅動鏡架4-2，實現對離軸拋物面鏡的俯仰/方位的擺動，改變合束激光發射光束方向和接收視場，擴大激光照射覆蓋范圍和接收視場。所述接收探測單元5含有分束器5-1、探測器5-2、處理電路，處理電路與計算機相連，所述分束器5-1為波段選通平面平板反射鏡，將激光照射目標的反射/漫發射激光和激光致輻射分束為不同波段的光束，所述探測器5-2為面陣探測器，也可以是單元探測器，所述處理電路將探測器5-2接收到的信息轉換為數字信號，所述探測器5-2位于離軸拋物面鏡的焦點處，且探測器5-2的接收面與離軸拋物面鏡的光軸垂直，整形器3緊靠分束器5-1，且在遠處合束激光照射覆蓋范圍與接收探測器的視場重合。本實施例探測器5-2選用面陣ICCD探測器和紅外焦平面探測器，處理電路將探測器5-2接收到的目標信息轉換為數字信號，面陣ICXD探測器位于離軸拋物面鏡的透過分束器5-1的焦點處，且面陣ICXD探測器的接收面與離軸拋物面鏡的光軸垂直，紅外焦平面探測器位于離軸拋物面鏡的被分束器5-1反射后的焦點處，且紅外焦平面探測器的接收面與離軸拋物面鏡的光軸垂直，整形器3緊靠分束器5-1安置激光合束照射與接收系統的工作過程對近距離目標，計算機設置M個波長O. 808微米的半導體激光器1-1中的m(l < m < Μ)個激光器和N個波長I. 064微米的調Q-YAG激光器1-2中的η(1 < η < N)個激光器打開，同時計算機設置接收探測單元5接收選通時間區間t「t2 ;打開開關，m(I < m < M)個半導體激光器1-1和η (I < η < N)個Q-YAG激光器發射激光，m(l < m < Μ)個半導體激光器1-1發射激光從多維合束器2的端面入射，經多維合束器2穿出，以小于光學纖維棒的數值孔徑角會聚于所述整形器3的輸入面上，η (I
<η < N)個Q-YAG激光器發射激光經多維合束器2的反射面反射，以小于光學纖維棒3_1的數值孔徑角會聚于所述整形器3的輸入面上，所有激光經過多維合束器2的反射/透射后，入射整形器3,經過光學纖維棒3-1及其間隙傳輸，每一根光學纖維棒3-1及其間隙對輸出激光的出射方向和能量分布分別服從同樣出射角度規律，在整形器3的輸出端距離輸出面一定距離處，單位面積上激光的能量是經整形器3的所有光學纖維棒3-1及其間隙出射激光輻射到在該面積上的激光能量的疊加，經過準直鏡4合成一束激光照射目標，照射激光光束中的每一部分光束都是對整形器3的每一根光學纖維棒輸出激光的能量疊加，起到統計平均作用，得到一束能量分布和束散角相對穩定的高功率合成激光束，目標的激光漫反射和激光致輻射經準直鏡4全反射，經分束器5-1分為可見波段和紅外波段的輻射圖像，且在焦點處分別成像在探測器5-2上；發射激光的同時計時開始，到達時間t「t2時，探測器5-2的打開接收門限，接收目標圖像信息；對遠距離目標，設置M個波長O. 808微米的半導體激光器1-1和N個波長I. 064微米的調Q-YAG激光器1_2全部打開，同時接收信號采集與處理軟件設置接收探測單元5接收選通時間區間t3-t4，發射激光，同時計時開始，到達時間t3-t4時，探測器5-2打開接收門限，接收目標圖像信息，計算機對圖像信息進行處理。·
權利要求
1.一種激光合束發射與接收方法，其特征在于若干激光光源(I)從空間多個方向入射激光到多維合束器(2)上，分別經過多維合束器(2)的透射和反射，以小于光學纖維棒(3-1)的數值孔徑角會聚于整形器(3)的輸入端面上，從整形器(3)的輸出，經準直鏡(4)后照射到目標上，目標的漫反射激光及激光致輻射圖案被位于準直鏡(4)焦點處的接收探測單元(5)接收。
2.根據權利要求I所述的激光合束發射與接收方法，其特征在于還包括多維合束器(2)，含有多面棱鏡(2-1)、棱鏡架(2-2)，所述多面棱鏡(2-1)是一個整塊棱鏡，也可以是膠合棱鏡，多面棱鏡(2-1)有一個端面和若干個反射鏡面，若干反射鏡面在多面棱鏡(2-1)的側壁上分為若干級，級數j隨著遠離端面逐漸增大，第j級反射鏡面的個數不小于第j+Ι級反射鏡面的個數，每一級反射鏡面的法線與端面有一個夾角α，該夾角α隨著級數j逐漸增加，且夾角O < α <90°，反射鏡面上鍍有側面入射激光(1-2)的反射膜，且對端面入射激光(1-1)的激光波長透射，所述端面鍍有對入射激光的增透膜，所述端面和每一個反射鏡面有多束激光入射，經過多維合束器(2)反射/透射，以小于光學纖維棒的數值孔徑角會聚于所述整形器(3)的輸入端面上，所述棱鏡架(2-2)與多面棱鏡(2-1)固連。
3.根據權利要求I所述的激光合束發射與接收方法，其特征在于還包括整形器(3)，含有若干根光學纖維棒(3-1)和鏡框(3-2)，所有光學纖維棒(3-1)的長度相等，且所有光學纖維棒(3-1)的前端面與后端面分別對齊，鏡框(3-2)夾緊所有光學纖維棒(3-1)，所述光學纖維棒(3-1)可以是單模光纖棒，也可以是多膜光纖棒，還可以是單芯光纖棒，入射激光穿過光學纖維棒(3-1)及其間隙后輸出。
4.一種激光合束發射與接收系統，包括若干激光光源、多維合束器、整形器、準直鏡、接收探測單元、計算機系統，固定連接在一個殼體上，其特征在于所述若干激光光源含有相同或不同激光波長，可以是固體激光光源、氣體激光光源、半導體激光光源、帶準直透鏡的半導體激光bar條等；所述準直鏡(4)含有鏡體(4-1)、鏡架(4_2)，所述鏡體(4_1)為離軸拋物面鏡，且鍍有全反射膜，所述鏡架(4-2)含有俯仰/方位擺動的電動支架和司服驅動電路，鏡架與殼體固連，鏡體與電動支架固連；所述接收探測單元(5)含有分束器(5-1)、探測器(5-2)、處理電路，所述探測器位于離軸拋物面鏡的焦點處，且與離軸拋面鏡的光軸垂直；所述整形器(3)緊靠分束器(5-1)安置且在遠處合束激光照射覆蓋范圍與探測器的視場重合；所述計算機系統內置控制與處理程序，對激光器、準直鏡、接收探測單元的控制與數據處理，根據目標距離和類型設置激光器的數量和能量、脈沖寬度、脈沖重復頻率及其對激光波長/重復頻率/脈沖串長度等參數混合編碼，還設置接收探測單元(5)的同步接收及其輸出的數字信號的采集和處理，還設置司服驅動電路調整離軸拋物面鏡的俯仰/方位范圍，滿足接收探測單元對目標的激光漫反射和激光致輻射的輻射量要求。
全文摘要
公開了一種激光合束發射與接收方法和系統，屬于光電技術領域，用于對多光束多波段高功率激光合束發射與接收。采用棱鏡側面薄膜反射、端面入射透過、光學纖維棒和準直鏡實現對多個方向入射激光的合束發射與接收，含若干激光光源、多維合束器、整形器、準直鏡、接收探測單元、計算機系統。多維合束器含有多面棱鏡、棱鏡架，多面棱鏡有一個端面和若干反射鏡面，若干激光從周圍打在多維合束器端面及若干反射鏡面上，合束激光以小于光纖數值孔徑角會聚于整形器的輸入端面上，輸出激光經準直鏡準直成準平行光，照射目標，目標的漫反射激光及激光致輻射圖案被位于準直鏡的焦點處的接收探測單元接收，實現對目標的探測與圖像獲取。
文檔編號G02B27/09GK102809823SQ201210303630
公開日2012年12月5日 申請日期2012年8月23日 優先權日2012年8月23日
發明者賈選軍, 南瑤 申請人:中國兵器工業第二0五研究所