一种光纤耦合集束输出激光烧蚀动力装置

1.本发明涉及属于微纳卫星推力技术领域，具体地，涉及一种光纤耦合集束输出激光烧蚀动力装置，用于微纳卫星的激光烧蚀推进的场合。


背景技术：

2.微纳卫星由于其体积小、重量轻、成本低、功能密度大、研制周期短等特点，成为卫星技术发展的新热点。微纳卫星通常采用标准的1u单元体制组合而成，1u的体积为100mm
×
100mm
×
100mm，例如对于一个6u的微纳卫星，一般采用1u的单元体制通过2行3列组合而成，即体积为300mm
×
200mm
×
100mm。微推力器作为微纳卫星系统的重要组成部分，可为微纳卫星姿态、轨道调整提供必要的动力支持，提高微纳卫星的任务执行能力和在轨使用寿命。由于微推进技术涉及光机电等众多交叉技术，系统较为复杂，目前并没有可用于实际工程的且成熟的标准化的低功耗、小体积微纳卫星动力装置，这也限制了微纳卫星技术的进一步发展。
3.近年来，电推进技术由于其高比冲的特点逐渐成为微纳卫星动力系统研究的主要方向，其中，利用电能转化为光能，再利用光能转化为机械能的激光烧蚀动力装置成为微纳卫星可选的动力系统技术之一，能够满足微纳卫星动力系统的需求。利用激光产生动力作为微推力器的想法由来已久，国内外均开展了相关技术研究，美国、日本、德国等激光应用技术领域科研团队，研制了不同种类的激光动力装置，验证了激光动力转置产生冲量、形成推力的技术可行性。例如德国宇航中心研制了一种纳秒脉宽激光烧蚀固体材料的激光烧蚀微推力器，采用固体材料通过恒力弹簧推挤供给，激光以45度角度倾斜反射式烧蚀工质材料；日本提出了一种预置烧蚀坑，将被烧蚀工质填入预置烧蚀坑中，进行约束烧蚀的激光烧蚀微推力器。虽然激光烧蚀微推力器的原理已经进行了验证，但是符合微纳卫星使用的低功耗、小体积、集成度高的微推力器还不够成熟，比如有的体积较大，有的属于异形结构，因此很难应用到标准化的微纳卫星动力系统中。
4.此外，激光功率密度的高低以及对工质的高效烧蚀，对激光烧蚀动力装置的比冲提升至为关键，这就要求激光烧蚀动力装置的激光具有较好的聚焦性能和密排集束方式。现有的方法是通过单个或多个透镜的使用，实现对激光光束的聚焦，然而透镜的应用，不但会增加光路的调试难度，也会带来系统的复杂化；同时，为了实现对靶带式固体工质的高效烧蚀，单个透镜必须在某个维度上能够往复运动，这又必须增加电机、导轨等运动执行机构，增加推力器的额外功率；也有现有技术方法使用多个透镜的组合实现对工质的高效烧蚀，这又带来了系统体积的增加和调试的复杂程度，


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的发明目的在于一是降低激光烧蚀动力装置的复杂度，二是减少激光烧蚀动力装置的体积，从而实现激光烧蚀动力装置的低功耗、小体积、标准化、模块化和高集成度，以解决背景技术中的问题。
6.为达到上述目的，本发明提供了一种光纤耦合集束输出激光烧蚀动力装置，包括光纤耦合集束输出激光模块、带式工质供给模块和控制模块；其中，
7.所述光纤耦合集束输出激光模块包括多个二极管激光器、光纤、玻璃片和光纤集束盒，每个二极管激光器连接光纤输入端并通过光纤输出激光，所述光纤输出端和带式工质之间设置有玻璃片，光纤集束盒固定所有光纤的输出端和玻璃片，并使多条光纤输出的激光聚焦光斑形成激光集束光斑，所述激光集束光斑作用于沿长度方向运动的带式工质上，使带式工质发生烧蚀产生提供动力的等离子体；
8.所述带式工质供给模块，为光纤耦合集束输出激光模块的激光集束光斑处提供带式工质；
9.所述控制模块用于驱动二极管激光器发射激光，并且控制带式工质供给模块供给带式工质的速度。
10.进一步的，所述玻璃片是增透玻璃片，所述增透玻璃片双面均镀有与二极管激光器波长相同的增透膜。
11.进一步的，所述玻璃片的材料是石英玻璃。
12.进一步的，所述光纤集束盒包括基板，基板是独体结构或者上下组合结构；基板为独体结构时，在基板内部设置容纳光纤输出端的贯通孔，或者在基板设置容纳光纤的贯通槽；基板为上下组合结构时，基板包括上下叠置的上基板和下基板，在上下基板相对的表面上设置容纳光纤输出端的贯通槽，或者下基板的上表面或者仅在上基板的下表面设置容纳光纤输出端的贯通槽；光纤固定在的基板的贯通槽或者贯通孔中。
13.进一步的，所述光纤集束盒还包括集束外壳，集束外壳开有贯通槽，固定好光纤输出端的基板和玻璃片固定在集束外壳的贯通槽中。
14.进一步的，所述激光集束光斑为一字型，或者是m
×
n条光纤组成的阵列长方形或者阵列正方形，m和n是满足m
×
n≥2的自然数。
15.进一步的，所述带式工质供给模块包括驱动电机、传动机构、主动绞盘和从动绞盘；带式工质预先盘绕在从动绞盘上，带式工质的带头缠绕在主动绞盘上，驱动电机旋转通过传动机构带动主动绞盘转动，进而带动带式工质沿长度方向运动。
16.进一步的，所述传动机构采用齿轮传动机构。
17.进一步的，所述齿轮传动机构是锥齿轮传动或者涡轮蜗杆传动，电机转轴上安装主动轮或蜗杆，主动绞盘安装从动轮或涡轮，电机转轴与主动绞盘转轴垂直。
18.进一步的，所述光纤耦合集束输出激光烧蚀动力装置采用三层正方形柱式结构，从上到下依次是顶层、中间层和底层；其中，
19.在顶层，设置有控制模块，控制模块通过供电电缆和通信线缆连接驱动电机和二极管激光器；
20.在中间层，设置有电机安装支架和光纤耦合集束输出激光模块的多个二极管激光器，驱动电机通过电机安装支架固定在中间层，二极管激光器围绕驱动电机且紧贴中间层侧面依次布置；
21.在底层，设置有带式工质供给模块的驱动电机、传动机构、主动绞盘、从动绞盘、带式工质、第一导向轮、第二导向轮、喷口，以及光纤耦合集束输出激光模块的光纤集束盒；主动绞盘和从动绞盘分别设置在底层的两个对角，所述的带式工质为长条型带状，两端分别
固连在主动绞盘和从动绞盘的转轴上，从动绞盘预先缠绕带式工质；驱动电机设置于主动绞盘和从动绞盘转轴连线的右侧，传动机构设置在驱动电机和主动绞盘之间，驱动电机转轴与主动键盘转轴两者成90度垂直放置，驱动电机通过传动机构带动主动绞盘绕中心轴转动，主动绞盘转动时将带式工质缠绕至主动绞盘的转轴上；在主动绞盘和从动绞盘转轴连线的左侧、底层的侧面开有喷口；第一导向轮和第二导向轮设置在的喷口两侧，带式工质缠绕第一导向轮和第二导向轮并经过喷口内侧，光纤集束盒放置在第一导向轮和第二导向轮之间、带式工质内侧并与带式工质之间留有空隙。
22.本发明的有益效果包括：
23.1.本发明的光纤耦合集束输出激光烧蚀动力装置，通过采用二极管激光器和光纤集束的方式，避免单个或多个透镜的使用，降低了激光烧蚀微推力器的复杂度，减少了激光烧蚀微推力器死重，减小了激光烧蚀微推力器的体积，从而实现激光烧蚀动力装置的低功耗、小体积、标准化、模块化和高集成度。
24.2.本发明的光纤耦合集束输出激光烧蚀动力装置，通过光纤耦合集束输出激光，配合带式工质的传送，能够增加带式工质利用率，使得推进系统的总冲量获得较大的提升。
25.3.本发明所提供的光纤耦合集束输出激光烧蚀动力装置，采用绞盘式带式工质传送模式，具有较高的集成度，提升了工质存储量并增加工质的可使用量。
附图说明
26.图1为本发明实施例中的光纤耦合集束输出激光烧蚀动力装置的立体透视图。
27.图2为本发明实施例中的光纤耦合集束输出激光模块的结构示意图。
28.图3为本发明实施例中的光纤连接二极管激光器的示意图。
29.图4为本发明实施例中的带式工质供给模块的结构示意图。
30.图5为本发明实施例中的光纤集束盒处烧蚀带式工质的原理图。
31.图6为本发明的光纤集束在带槽的基板中的结构示意图。
具体实施方式
32.下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
33.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
34.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
35.在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
36.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
37.本发明公开了一种光纤耦合集束输出激光烧蚀动力装置，本发明的装置采用二极管激光器发出激光，通过光纤耦合集束输出，实现烧蚀光斑在条形靶带上的集束排布(优选为一字形排布，也可以是正方形、长方形或者其他阵列图形)，烧蚀带式工质产生等离子体，从而产生反冲推力。本发明降低了激光烧蚀动力装置复杂度，增加了带式工质利用率，提升了工质存储量并增加工质的可使用量提升了使得推进系统的总冲量，实现了激光激光烧蚀动力装置的低功耗、小体积、标准化、模块化和高集成度。
38.本发明的装置包括光纤耦合集束输出激光模块、带式工质供给模块和控制模块。光纤耦合集束输出激光模块用于产生由多个激光聚焦光斑形成的激光集束光斑，带式工质供给模块向激光集束光斑处供给带式工质，激光集束光斑沿带式工质的长度方向进行烧蚀，控制模块用于驱动二极管激光器发射激光，并且控制供给模块供给带式工质的速度，即带式工质的长度方向的移动速度，激光烧蚀带式工质产生等离子体，为微纳卫星姿轨控提供动力。所述光纤输出端和带式工质之间设置有玻璃片，玻璃片用于避免烧蚀过程中产生的喷射物质对光纤芯芯径进行污染。优选地，玻璃片采用增透玻璃片，增透玻璃片双面均镀有与二极管激光器波长相同的增透膜。采用增透玻璃片除了避免喷射物质对光纤芯径的污染，还增加了二极管激光器发出的特定波长激光的透射率，滤除了部分其他波长的光使穿过增透玻璃片的激光更纯。
39.进一步的，本发明的一些实施例中，所述光纤耦合集束输出激光模块包括多个二极管激光器、光纤和光纤集束盒，每个二极管激光器连接光纤输入端并通过光纤输出激光，光纤集束盒固定所有光纤的输出端，并使多条光纤输出的激光聚焦光斑形成激光集束光斑，所述激光集束光斑作用于沿长度方向运动的带式工质上，使带式工质发生烧蚀产生提供动力的等离子体。
40.所述光纤集束盒包括基板，基板是独体结构或者上下组合结构；基板为独体结构时，在基板内部设置容纳光纤输出端的贯通孔，或者在基板设置容纳光纤的贯通槽；基板为上下组合结构时，基板包括上下叠置的上基板和下基板，在上下基板相对的表面上设置容纳光纤输出端的贯通槽，或者下基板的上表面或者仅在上基板的下表面设置容纳光纤输出端的贯通槽；光纤固定在所述贯通槽或者贯通孔中。优选地，所述光纤集束盒还包括集束外壳，集束外壳开有贯通槽，固定好光纤输出端的基板和玻璃片固定该贯通槽中。
41.进一步的，本发明的一些实施例中，所述带式工质供给模块包括驱动电机、传动机构、主动绞盘和从动绞盘；带式工质预先盘绕在从动绞盘上，带式工质的带头缠绕在主动绞盘上，驱动电机旋转通过传动机构带动主动绞盘转动，进而带动带式工质沿长度方向运动。本发明一些实施例中，所带式工质包括透明基底层和推进工质层，透明基底层置于靠近光纤输出端的一侧，推进工质层置于背离光纤输出端的一侧。透明基底层一方面作为推进工质的输送带，另一方面也起到避免烧蚀过程中产生的喷射物质对光纤芯芯径进行污染的作用。
42.优选的，驱动电机选用步进电机，从而本发明上述实施例中的光纤耦合集束输出激光烧蚀动力装置的工作过程如下：控制模块接受外部供电并在接收到工作指令后，开始驱动二极管激光器工作，通过光纤耦合集束输出，发出激光烧蚀带式工质，从而完成一次完整带式工质长度方向上的烧蚀，产生一次脉冲冲量输出，根据烧蚀时间或者烧蚀完成的反馈，由控制模块中的电机驱动电路驱动电机工作，经带式工质供给模块各组件沿着工质带长度方向传送工质带，使带式工质从从动绞盘向主动绞盘缠绕，提供新的带式工质到激光集束光斑处进行下一次烧蚀，光纤耦合集束输出激光烧蚀动力装置以一定工作频率连续工作，形成一定频率的脉冲冲量输出，产生平均推力。
43.如图1所示，该实施例提供的光纤耦合集束输出激光烧蚀动力装置，从上到下依次是控制模块100，光纤耦合集束输出激光模块200、带式工质供给模块300，体积、质量分配如表1所示。
44.表1
[0045][0046]
从上表可知，该实施例中光纤耦合集束输出激光烧蚀动力装置有三层，每层界面为正方形，大小为100mm
×
100mm，各模块集成后结构尺寸为100mm
×
100mm
×
50mm；控制模块100在顶层，尺寸为100mm
×
100mm
×
17mm，质量为50～100g；光纤耦合集束输出激光模块200的主体在中间层，尺寸为100mm
×
100mm
×
20mm，质量为100～150g；带式工质供给模块300的主体在底层，尺寸为100mm
×
100mm
×
13mm，质量为150～250g；光纤耦合集束输出激光烧蚀动力装置总质量300～500g。
[0047]
本发明采用二极管激光器和光纤耦合集束输出激光，避免了使用透镜占用空间体积，从而实现了该实施例的小型化、集成度高、能耗小的光纤耦合集束输出激光烧蚀动力装置，其质量小于0.5kg，功耗小于5w，比冲大于500s，可为微纳卫星在轨飞行的轨道调整与姿态控制提供动力，满足微纳卫星姿轨控工程实际应用需求。
[0048]
如图2所示，在该实施例的光纤耦合集束输出激光烧蚀动力装置的中间层，设置有
光纤耦合集束输出激光模块200的多个二极管激光器210、电机安装支架230。驱动电机220通过电机安装支架230固定在中间层，8个二极管激光器围绕驱动电机220且紧贴中间层侧面依次布置。
[0049]
优选的，光纤耦合集束输出激光模块采用8个二极管激光器，8个二极管激光器通过光纤集束方式输出，排列间距为714μm。为保证激光二极管输出的激光一致，8个二极管激光器串联在一起。这8个二极管激光器通过尾部的fc接口将激光由光纤耦合输出。单个二极管激光器最高出光功率为10w，波长940nm、输出光纤芯径105μm、数值孔径0.22，聚焦光斑功率密度105w/cm2以上，可以脉冲方式工作，脉宽100μs～5ms，频率最高设定为100hz，具体如图3所示。
[0050]
如图4、图5所示，在该实施例的光纤耦合集束输出激光烧蚀动力装置的底层，设置有带式工质供给模块300的驱动电机220、电机锥齿轮240、主动绞盘320、主动绞盘的锥齿轮310、从动绞盘330、带式工质340、第一导向轮361、第二导向轮362、喷口370，以及光纤耦合集束输出激光模块200的光纤集束盒350；主动绞盘320和从动绞盘330分别设置在底层的两个对角，所述的带式工质340为长条型带状，两端分别固连在主动绞盘320和从动绞盘330的转轴上，从动绞盘320预先缠绕带式工质340；驱动电机220设置于主动绞盘320和从动绞盘330转轴连线的右侧，驱动电机220转轴上装有电机锥齿轮240，电机锥齿轮240与主动绞盘的锥齿轮310啮合，两者成90度垂直放置，带动主动绞盘绕中心轴转动，主动绞盘320转动时将带式工质缠绕至主动绞盘的转轴上，在本发明其他一些实施例中，该实施例的锥齿轮传动方式可用蜗轮蜗杆传动等其他相同功能的方式替代；在主动绞盘320和从动绞盘330转轴连线的左侧、底层侧面开有喷口370；第一导向轮361和第二导向轮362设置在的喷口370两侧，带式工质340缠绕第一导向轮361和第二导向轮362并经过喷口370内侧，光纤集束盒350放置在两个导向轮361和362之间、带式工质340内侧并距离带式工质340一定距离。光纤集束盒350发出的激光集束光斑穿过带式工质340的透明基底层，作用于推进工质层，烧蚀推进工质产生的羽流380，通过喷口370喷出。
[0051]
在本发明的一些实施例中，激光集束光斑为一字型，或者是m
×
n条光纤组成的阵列长方形或者阵列正方形，m和n是自然数，还可以是其他线性或平面图形。在该优选实施例中，为保证烧蚀效率、保证工质的利用率以及减少光纤集束盒的体积，激光集束光斑采用一字型，并且与带式工质的长度方向存在夹角，优选地为直角，及激光集束光斑与与带式工质的长度方向垂直。
[0052]
优选的，带式工质包括透明基底层和推进工质层，推进工质层在透明基底层，入射激光透过透明基底层烧蚀推进工质层；所述推进工质层材料选用含能材料，厚度50-150μm；透明基底层材料选用聚对苯二甲酸乙二醇酯，厚度为150～200μm；带式工质的宽度为6mm。所述推进工质采用喷涂方式，均匀涂布与透明基底层上。
[0053]
如图5、图6所示，光纤集束盒350将8个二极管激光器阵列210发出的激光通过光纤进行集束，光纤集束盒350包括带槽的基板352、集束外壳354，光纤351数量与带槽的基板352上的槽数量一致，优选的，槽的界面为方形槽；光纤351输出端安装在的基板352的槽中，为保证强度和可靠度，填充固体胶固定；光纤351输出端端头连线与带槽的基板352的端面平行；光纤输入端通过fc接口与二极管激光器阵列210连接；增透玻璃片353安装在带槽的基板352端面前方；固定好光纤351的基板352、增透玻璃片固定于集束外壳354中；通过以上
结构设置，光纤集束盒350使多条光纤输出端的激光聚焦光斑形成激光集束光斑，作用于带式工质进行烧蚀。
[0054]
光纤耦合集束输出激光模块包括二极管激光器、光纤、带方形槽的上下两块基板、增透玻璃片、金属安装外壳，所述二极管激光器和光纤数量与带有方形槽的基板上的方形槽数量保持一致；所述光纤安装在带有方形槽的基板上；所述的光纤输出端与带有方形小槽的基板端面平齐；所述的光纤输入端通过fc接口与二极管激光器连接；所述的增透玻璃片安装在带有方形小槽的基板端面前方；所述的金属安装外壳用于固定基板、光纤、增透玻璃片；所述靶带在光纤集束发出的激光光束作用下产生烧蚀。
[0055]
其中光纤输出端相互平行且间隔相等，光纤输出端端头在一条直线上，光纤输出端的间隔为p，其中，w为带式工质宽度，n为光纤数量。固定在基板中的多条光纤组成的光纤集束与玻璃片、带式工质位置依次排列，其中，光纤集束的输出端与玻璃片的之间的距离为l1，通常l1≤5mm；玻璃片与固体工质带之间的距离为l2，其中式中d为靶带上的烧蚀光斑大小；d为光纤芯径；θ1为单根光纤的发散角；θ2为m为玻璃片的折射率，l为玻璃片的厚度。由上述分析和图5可知，同样的光斑大小，设置增透玻璃片的方案中增透玻璃片的折射缩短了光纤输出端与固体工质靶带之间的距离，有利于简化结构设计，缩小整个装置的体积。
[0056]
在该实施例的光纤耦合集束输出激光烧蚀动力装置中，控制和供电由控制模块100实现，包括电机驱动电路和二极管激光器驱动电路。所述的工电机驱动电路用于控制工质供给模块的工质传送电机，并为其供电；所述的激光驱动电路用于为激光器供电，并控制其出光。控制指令包括二极管激光器的打开、关闭、工作频率、脉宽、出光功率等指令，电机控制指令包括电机打开、关闭、步进角度、转动方向、步进数设置等指令。
[0057]
控制模块操控驱动电机工作，带动电机锥齿轮转动，电机锥齿轮与主动绞盘锥齿轮咬合传动，使主动绞盘绕中心轴转动，主动绞盘固定带式工质一端，使带式工质不断由从动绞盘向主动绞盘缠绕。驱动电机每次驱动移动一个新位置，带式工质提供新的推进工质到光纤耦合集束光斑处，使得激光作用于推进工质进行烧蚀，产生反冲冲量，光纤耦合集束输出激光烧蚀动力装置一定工作频率连续工作形成连续推力。
[0058]
在该实施例的光纤耦合集束输出激光烧蚀动力装置中，整个装置的工作过程由位于顶层的控制模块100接收外部通讯与供电发起，同步协调各驱动电路工作。基本过程如下：
[0059]
步骤一、控制模块100中的激光器驱动电路供电给二极管激光器210,发出的激光经由光纤耦合输出，在光纤集束盒350处集束输出，完成对带式工质340当前位置的一次脉冲激光烧蚀，产生喷射羽流380，形成反冲冲量；
[0060]
步骤二：控制模块100中的电机驱动电路控制电机转动，通过电机锥齿轮240与主动绞盘锥齿轮310的啮合，带动主动绞盘转动，带式工质供给模块300的带式工质沿着带长度方向移动，从而将带式从被动工质绞盘330向主动绞盘320上缠绕；
[0061]
步骤三、重复步骤一、二，直至带式工质340完全由从动工质绞盘330全部缠绕到主动绞盘320，带式工质340完成了全部烧蚀作用。
[0062]
整个工作过程中，调节各步的工作频率，即可调节脉冲冲量发生的频率，也即改变激光烧蚀动力装置输出的平均推力。
[0063]
综上所述可知，本发明的光纤耦合集束输出激光烧蚀动力装置，通过采用二极管激光器和光纤集束的方式，避免单个或多个透镜的使用，降低了激光烧蚀微推力器的复杂度，减少了激光烧蚀微推力器死重，减小了激光烧蚀微推力器的体积。
[0064]
本发明的光纤耦合集束输出激光烧蚀动力装置，通过光纤耦合集束输出激光，配合带式工质的传送，能够增加带式工质的工质利用率，使得推进系统的总冲量获得较大的提升。
[0065]
本发明所提供的光纤耦合集束输出激光烧蚀动力装置，采用绞盘式带式工质传送模式，具有较高的集成度，提升了工质存储量并增加工质的可使用量。
[0066]
在本发明的具体实施例中，通过集成优化设计，获得集成度较高的光纤耦合集束输出激光模块、带式工质供给模块、控制模块，整体集成后体积能够约束在0.5u之内，质量不超过0.5kg，功率小于5w，解决了微纳卫星动力系统标准化问题，具有显著的有益效果。
[0067]
以上所述，仅是本发明的优选实施例，并非对本发明做任何形式的限制，虽然本发明以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

技术特征：
1.一种光纤耦合集束输出激光烧蚀动力装置，其特征在于包括光纤耦合集束输出激光模块、带式工质供给模块和控制模块；其中，所述光纤耦合集束输出激光模块包括多个二极管激光器、光纤、玻璃片和光纤集束盒，每个二极管激光器连接光纤输入端并通过光纤输出激光，所述光纤输出端和带式工质之间设置有玻璃片，光纤集束盒固定所有光纤的输出端和玻璃片，并使多条光纤输出的激光聚焦光斑形成激光集束光斑，所述激光集束光斑作用于沿长度方向运动的带式工质上，使带式工质发生烧蚀产生提供动力的等离子体；所述带式工质供给模块，为光纤耦合集束输出激光模块的激光集束光斑处提供带式工质；所述控制模块用于驱动二极管激光器发射激光，并且控制带式工质供给模块供给带式工质的速度。2.如权利要求1所述的光纤耦合集束输出激光烧蚀动力装置，其特征在于，所述玻璃片是增透玻璃片，所述增透玻璃片双面均镀有与二极管激光器波长相同的增透膜。3.如权利要求2所述的光纤耦合集束输出激光烧蚀动力装置，其特征在于，所述玻璃片的材料是石英玻璃。4.如权利要求1所述的光纤耦合集束输出激光烧蚀动力装置，其特征在于，所述光纤集束盒包括基板，基板是独体结构或者上下组合结构；基板为独体结构时，在基板内部设置容纳光纤输出端的贯通孔，或者在基板设置容纳光纤的贯通槽；基板为上下组合结构时，基板包括上下叠置的上基板和下基板，在上下基板相对的表面上设置容纳光纤输出端的贯通槽，或者下基板的上表面或者仅在上基板的下表面设置容纳光纤输出端的贯通槽；光纤固定在基板的贯通槽或者贯通孔中。5.如权利要求4所述的光纤耦合集束输出激光烧蚀动力装置，其特征在于，所述光纤集束盒还包括集束外壳，集束外壳开有贯通槽，固定好光纤输出端的基板和玻璃片固定在集束外壳的贯通槽中。6.如权利要求1所述的光纤耦合集束输出激光烧蚀动力装置，其特征在于，所述激光集束光斑为一字型，或者是m
×
n条光纤组成的阵列长方形或者阵列正方形，m和n是满足m
×
n≥2的自然数。7.如权利要求1-6任一项所述的光纤耦合集束输出激光烧蚀动力装置，其特征在于，所述带式工质供给模块包括驱动电机、传动机构、主动绞盘和从动绞盘；带式工质预先盘绕在从动绞盘上，带式工质的带头缠绕在主动绞盘上，驱动电机旋转通过传动机构带动主动绞盘转动，进而带动带式工质沿长度方向运动。8.如权利要求7所述的光纤耦合集束输出激光烧蚀动力装置，其特征在于，所述传动机构采用齿轮传动机构。9.如权利要求8所述的光纤耦合集束输出激光烧蚀动力装置，其特征在于，所述齿轮传动机构是锥齿轮传动或者涡轮蜗杆传动，电机转轴上安装主动轮或蜗杆，主动绞盘安装从动轮或涡轮，电机转轴与主动绞盘转轴垂直。10.如权利要求9所述的光纤耦合集束输出激光烧蚀动力装置，其特征在于，所述光纤耦合集束输出激光烧蚀动力装置采用三层正方形柱式结构，从上到下依次是顶层、中间层和底层；其中，
在顶层，设置有控制模块，控制模块通过供电电缆和通信线缆连接驱动电机和二极管激光器；在中间层，设置有电机安装支架和光纤耦合集束输出激光模块的多个二极管激光器，驱动电机通过电机安装支架固定在中间层，二极管激光器围绕驱动电机且紧贴中间层侧面依次布置；在底层，设置有带式工质供给模块的驱动电机、传动机构、主动绞盘、从动绞盘、带式工质、第一导向轮、第二导向轮、喷口，以及光纤耦合集束输出激光模块的光纤集束盒；主动绞盘和从动绞盘分别设置在底层的两个对角，所述的带式工质为长条型带状，两端分别固连在主动绞盘和从动绞盘的转轴上，从动绞盘预先缠绕带式工质；驱动电机设置于主动绞盘和从动绞盘转轴连线的右侧，传动机构设置在驱动电机和主动绞盘之间，驱动电机转轴与主动键盘转轴两者成90度垂直放置，驱动电机通过传动机构带动主动绞盘绕中心轴转动，主动绞盘转动时将带式工质缠绕至主动绞盘的转轴上；在主动绞盘和从动绞盘转轴连线的左侧、底层的侧面开有喷口；第一导向轮和第二导向轮设置在的喷口两侧，带式工质缠绕第一导向轮和第二导向轮并经过喷口内侧，光纤集束盒放置在第一导向轮和第二导向轮之间、带式工质内侧并与带式工质之间留有空隙。

技术总结
本发明公开的光纤耦合集束输出激光烧蚀动力装置，包括光纤耦合集束输出激光模块、带式工质供给模块和控制模块。光纤耦合集束输出激光模块用于产生激光集束光斑，带式工质供给模块向激光集束光斑处供给带式工质，激光集束光斑沿带式工质的长度方向进行烧蚀，控制模块用于驱动二极管激光器发射激光，并且控制供给模块供给带式工质的速度，即带式工质的长度方向的移动速度，激光烧蚀带式工质产生等离子体，为微纳卫星姿轨控提供动力。本发明降低了激光烧蚀动力装置复杂度，增加了带式工质利用率，提升了工质存储量并增加工质的可使用量提升了使得推进系统的总冲量，实现了激光烧蚀动力装置的低功耗、小体积、标准化、模块化和高集成度。成度。成度。


技术研发人员：常浩 周伟静 叶继飞 李南雷 文明
受保护的技术使用者：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学
技术研发日：2022.11.30
技术公布日：2023/5/4