一种基于光束指向稳定控制的多光束孔径拼接合成系统

摘要

一种基于光束指向稳定控制的多光束孔径拼接合成系统，包括多路激光器和扩束准直器、多个倾斜镜和反射镜、一个底座、一个光束合成传感器、分光镜、一套控制计算机和一个多路倾斜镜放大电源。它利用台阶状的底座和多个反射镜的异形设计，实现高占空比的多路光束合成；利用光束合成传感器探测每路光束的抖动和漂移，并利用多个倾斜镜实现每路光束的光轴稳定控制，实现多路光束高精度的光束合成。该系统可用于光纤激光和固体激光的多路光束合成发射，也可用于多路激光通信等场合。由于可以实现每路光束的动态随机抖动和漂移的控制，也可用于车辆、船舶、飞机等运动平台上。

主权项

1.一种基于光束指向稳定控制的多光束孔径拼接合成系统，该系统包括激光器组（1）、扩束准直器组（2）、反射镜组（4）、底座（5）、光束合成传感器（10）、控制计算机（11）和多路倾斜镜放大电源（12）；其特征在于：还包括倾斜镜组（3）、分光镜一（6）、定标激光器（7）、透镜（8）、分光镜二（9）：底座（5）包括若干级台阶，根据合束时竖直方向上的光束层数确定底座（5）的台阶级数；每一路的激光器（1）、扩束准直器（2）、倾斜镜（3）和反射镜（4）摆放在同一台阶上，根据这路光在竖直方向的光束层数，决定相应的台阶；反射镜（4）按照从上到下和从左到右的次序依次排布；每一路激光器（1）出射的激光经过扩束准直器（2）后，变成了满足设计要求口径尺寸的平行光，然后依次通过倾斜镜（3）和反射镜（4）后在孔径上合束，经过分光镜一（6）后发射出去；透过分光镜一（6）和分光镜二（9）的少部分合束光进入光束合成传感器（10），实现对多路激光的光轴探测和合束远场光斑探测；合束光经过主镜头（1001）和分光镜（1002）后，一部分光进入相机一（1006），相机一（1006）摆放在主镜头（1001）的焦点上，完成合束远场光斑探测；经过分光镜（1002）后的另一部分光通过次镜头（1003）进行准直缩束，准直光的口径尺寸和微透镜阵列（1004）匹配，即每一路激光对应一个子微透镜；相机二（1005）摆放在微透镜阵列（1004）的焦点上，每一路激光通过一个子微透镜成像在相机二（1005）上，完成多路光束光轴同时探测；在对合束光探测之前，先要利用平行光对光束合成传感器（10）进行标定；定标激光器（7）出射激光，经过透镜（8）后成为平行光，光束口径和合束光的拼接口径相同，再经分光镜二（9）反射进入光束合成传感器（10）；平行光经过主镜头（1001）和分光镜（1002）后，一部分光进入相机一（1006），在相机一（1006）形成一个理想远场光斑；经过分光镜（1002）后的另一部分光通过次镜头（1003）进行准直缩束，然后通过微透镜阵列（1004）成像到相机二（1005）上，形成若干个理想定标子光斑，这时相机二（1005）靶面上的光斑数和排列方式与微透镜阵列（1004）是一一对应的，记录下此时每个光斑的位置坐标，作为每束光的位置定标点；光束合成传感器（10）探测的定标点数据和合束光数据经过控制计算机（11）处理后，通过多路倾斜镜放大电源（12）分别控制每一路倾斜镜（3）,校正每一路光束的光轴偏差，实现多路光束的稳定控制和合束控制；实现光束控制的方式是：平行光通过光束合成传感器（10）后，在相机二（1005）上得到的每一路光的定标质心坐标为(x₀，y₀)，合束光经光束合成传感器（10）的相机二（1005）探测后得到每一路光束的质心坐标为(x_c，y_c)，合束光的质心相对于定标光的质心偏移量为：Δ_x＝x_c-x₀，Δ_y＝y_c-y₀，根据偏移量可以计算两个方向的控制电压为：其中k为时间序列帧数，a和b为控制参数；最后通过多路倾斜镜放大电源（12）分别控制每一路倾斜镜（3），将每路光的光轴自动调整到定标点，实现光轴闭环控制；由于每路光的定标光点是由一个点光源产生的理想平行光源确定的，所以能保证合束后的每路光都如同是同一个光源发出的，光轴保持一致；并且由于多路光轴的合成是由倾斜镜实现闭环控制，即使在抖动环境下或存在扰动情况下，也能保持每束光位置的稳定。