CN101561563A - 一种基于光学相控阵等光强多激光束的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于光学相控阵等光强多激光束的控制方法属于衍射光学技术领域，主要涉及一种用光学相控阵将一激光束转换成对称分布、光强相等、方向可控的多激光束的方法；在光学相控阵器件上形成一维等腰三角形相位光栅，使正入射到光学相控阵器件上的激光束出射后分成两组光束，并且这两组光束可被对称地偏转；也可在光学相控阵器件上形成二维相位光栅，从而使正入射的激光束在二维空间中分成四组光束，并且这四组光束也可被对称地偏转；可以用反馈的方式来微调等腰三角形相位光栅的高Φ_h；本方法可以形成和偏转小束宽的多激光束，易实现对光强的反馈控制，可用于多激光束的扫描和跟踪，如激光通讯、激光雷达、光镊等领域。

Description

一种基于光学相控阵等光强多激光束的控制方法

技术领域

本发明属于衍射光学技术领域，主要涉及一种用光学相控阵将一激光束转换成对称分布、光强相等、方向可控的多激光束的方法。

背景技术

目前利用光学相控阵产生多光束的方法主要有达曼光栅法、部分口径法和计算相息法。由光学相控阵形成达曼光栅可产生以阵列形式分布的等光强多光束。部分口径法是指根据需要将相控阵分为多个子阵列，每个子阵列以闪耀光栅形式控制一束光束，这种方法易实现对单束光束进行反馈控制，但因子阵口径变小，导致束宽加宽。计算相息法是通过迭代算法计算出射波前所需要的相位分布，由相控阵阵列内所有单元的相位分布共同决定出射光束的数量与能量分布。由于它是一种整体逼近优化算法，加上器件制造误差，很难实现对单束光束进行准确地反馈控制，其优点是每束光都利用了整个相控阵阵列，故可保证光束最小束宽。

目前还没有一种方法能在保证光束最小束宽的前提下，将一激光束转换成多激光束、且同时对光束进行反馈控制。光学相控阵本质上是一种以阵列形式分布的光学相位延迟器，它通过控制和改变入射光束的相位面，可控制光束的方向和能量分布。

发明内容

本发明的目的是提出一种利用光学相控阵将一激光束转换成对称分布、光强相等、方向可控的多激光束的方法，能产生小束宽、等能量、可闭环控制的多光束。本发明是通过在光学相控阵上形成等腰三角形相位光栅来实现的。

本发明提出的等腰三角形相位光栅的相位分布如图1所示。在图1中，光栅的周期为T，在光栅周期内都有一个高为φ_h的等腰三角形。等腰三角形被量化成台阶状，每个台阶的高度是相等的，且在一个光栅周期内有2L个台阶。此相位光栅的透过率函数可表示为：

$t_{\mathrm{\Δ}}\left(x\right)=\mathrm{comb}\left(\frac{x}{T}\right)*\underset{K=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}\left\{\exp \left(i\frac{{\mathrm{\φ}}_{h}K}{L}\right)\mathrm{rect}\right[\frac{2\mathrm{Lx}}{T}-(K+\frac{1}{2})]+\exp \left(i\frac{{\mathrm{\φ}}_{h}K}{L}\right)\mathrm{rect}[\frac{2\mathrm{Lx}}{T}+(K+\frac{1}{2})\left]\right\}$

当一激光束正入射到等腰三角形相位光栅时，在远场的复振幅分布为：

$T_{\mathrm{\Δ}}\left(\mathrm{\ξ}\right)=\frac{T^2}{2}\left[\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(\mathrm{\ξ}-\frac{n}{T})\right]\×\sin c\left(\frac{\mathrm{T\ξ}}{2L}\right)\exp (-i\frac{{\mathrm{\φ}}_h}{2L})$

$\×\{\frac{\sin c\left[\frac{T}{2}(\mathrm{\ξ}-\frac{{\mathrm{\φ}}_h}{\mathrm{\πT}})\right]}{\sin c\left[\frac{T}{2L}(\mathrm{\ξ}-\frac{{\mathrm{\φ}}_h}{\mathrm{\πT}})\right]}\×\exp [-i\frac{\mathrm{\πT}}{2}(\mathrm{\ξ}-\frac{{\mathrm{\φ}}_h}{\mathrm{\πT}})]+\frac{\sin c\left[\frac{T}{2}(\mathrm{\ξ}+\frac{{\mathrm{\φ}}_h}{\mathrm{\πT}})\right]}{\sin c[\frac{T}{2L}(\mathrm{\ξ}+\frac{{\mathrm{\φ}}_h}{\mathrm{\πT}})}\exp [i\frac{\mathrm{\πT}}{2}(\mathrm{\ξ}+\frac{{\mathrm{\φ}}_h}{\mathrm{\πT}})\}$

上式中所包含的因子

表示只有在 $\mathrm{\ξ}=\frac{n}{T}$ 处(其中n∈N)，才有能量分布，这对应于光栅的衍射n级。等腰三角形相位光栅的衍射n级的复振幅分布可表示为：

$T_{\mathrm{\Δ}}\left(\frac{n}{T}\right)=\frac{T^2}{2}\sin c\left(\frac{n}{2L}\right)\exp (-i\frac{{\mathrm{\φ}}_h}{2L})$

$\×\{\frac{\sin c\left[\frac{1}{2}(n-\frac{{\mathrm{\φ}}_h}{\mathrm{\π}})\right]}{\sin c\left[\frac{1}{2L}(n-\frac{{\mathrm{\φ}}_h}{\mathrm{\π}})\right]}\×\exp [-i\frac{\mathrm{\π}}{2}(n-\frac{{\mathrm{\φ}}_h}{\mathrm{\π}})]+\frac{\sin c\left[\frac{1}{2}(n+\frac{{\mathrm{\φ}}_h}{\mathrm{\π}})\right]}{\sin c[\frac{1}{2L}(\frac{n}{n}+\frac{{\mathrm{\φ}}_h}{\mathrm{\π}})}\exp [i\frac{\mathrm{\π}}{2}(n+\frac{{\mathrm{\φ}}_h}{\mathrm{\π}})\}$

要令对称的相邻衍射级的光强相等，即-i-1级、-i级、i级和i+1级(其中i∈N⁺)，只需调节等腰三角形的高φ_h使 $\left|T_{\mathrm{\Δ}}\left(\frac{i}{T}\right)\right|=\left|T_{\mathrm{\Δ}}\left(\frac{i+1}{T}\right)\right|,$ 即满足下式

$\left|\tan \frac{{\mathrm{\φ}}_h}{2}\right|=\left|{\left\{\frac{\sin c\frac{i+1}{L}\×(\cos \frac{\mathrm{i\π}}{L}-\cos \frac{{\mathrm{\φ}}_h}{L})}{\sin c\frac{i}{L}\×\left(\cos \frac{(i+1)\mathrm{\π}}{L}\text{-cos}\frac{{\mathrm{\φ}}_h}{L}\right)}\right\}}^{{(-1)}^{\′}}\right|$ 且φ_h∈(φ_{i_max}，φ_{i+1_max})

式中φ_{i_max}和φ_{i+1_max}分别使

和

取最大值时的等腰三角形的高。

将满足上式的φ_h记为φ_hi(i∈N⁺)。φ_hi、T和L所确定的等腰三角形相位光栅可对称地产生等光强多激光束，改变激光束的偏转位置i就可对称地偏转这些激光束。

此方法可扩展为二维矩形相位光栅，此二维矩形相位光栅可通过以下公式将一维等腰三角形相位光栅在正交方向上展开得到：

t_Δ(x，y)＝t_Δ(x)×t_Δ(y)

式中，t_Δ(x)和t_Δ(y)分别表示在x方向和y方向分布的一维等腰相位光栅。

本发明中激光束束宽是用衍射条纹的第一个最小值的角来定义的，即主峰的半角宽度。对于一维相位光栅，主峰的半角宽度可表示为：

式中，D表示一维相位光栅的口径，λ表示激光束的波长，θ表示激光束与光轴所成的角度。

对于二维矩形相位光栅，主峰分别在x和y方向的半角宽度Δθ_半x和Δθ_半y可表示为：

式中，D_x和D_y分别表示二维矩形相位光栅在x和y方向上的口径，θ_x和θ_y分别表示激光束在xoz面和yoz面上的投影与光轴所成的角度，其中z轴与光轴平行，o点为三维迪卡尔坐标系x、y、z三轴的交点。

不论是一维还是二维相位光栅，所产生激光束的束宽都与其总口径成反比，故能保证它们的束宽是最小的。

本发明的目的是这样实现的：

1、一种基于光学相控阵等光强多激光束的控制方法是在光学相控阵器件上形成一维等腰三角形相位光栅，使正入射到光学相控阵器件上的激光束出射后分成两组光束，并且这两组光束可被对称地偏转；也可在光学相控阵器件上形成二维相位光栅，从而使正入射的激光束在二维空间中分成四组光束，并且这四组光束也可被对称地偏转；可以用反馈的方式来微调等腰三角形相位光栅的高Φ_h。

2、对于用一维等腰三角形相位光栅所形成的两组光束，每组光束有两束光束，共计四束光束，这四束光束一维分布在远场、能量相等、且关于衍射0级对称，即在衍射0级的两边各有一组光束；在远场，每组光束内两束光束之间的空间频率间隔为光栅周期T的倒数，即1/T。

3、对于用一维等腰三角形相位光栅所形成的两组光束可被对称地偏转是在不改变2中所提到的光束特征的前提下，位置可由等腰三角形相位光栅的高Φ_h来改变，偏转分辨率为1/T。

4、对于在光学相控阵器件上所形成的二维相位光栅是由一维等腰三角形相位光栅在正交方向上展开得到的。

5、对于用二维相位光栅所形成的四组光束，每组光束有四束光束，共计十六束光束，这十六束光束二维分布在远场、能量相等、且关于衍射0级对称。

6、对于用反馈的方式来微调等腰三角形相位光栅的高Φ_h，是根据每组激光中的两束激光的光强比来确定Φ_h的调节方向的。这是由于在理论相位高Φ_h附近，每组激光中的两束激光的光强比是Φ_h的单调函数，所以可以由光强的比值来确定Φ_h的调节方向。此方法可以补偿光学相控阵器件本身的相位误差对光强不均匀度的影响。

本发明的优点是：

1、光束的光强比具有可调性，可实现对光强不均匀度的反馈控制，有利于克服由光学相控阵本身的相位误差所导致的对光强不均匀度的影响。

2、各光束的束宽都与全口径成反比，此发明充分利用了口径，有利于得到小束宽光束。

3、可以简单快速地计算出等腰三角形相位光栅的设计参数，有利于快速控制多光束。

附图说明

图1为等腰三角形相位光栅的相位分布。

图中，T为光栅周期，φ_h为等腰三角形的高。

图2为当L＝8时分别在各相邻衍射级上产生等光强激光束的归一化光强图。

图3为当L＝8时在理论相位高附近各邻近衍射级光强比的单调性。

I_n表示在衍射n级上的光强(n＝1、2、3…7)。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。

本发明的目的是通过使光学相控阵形成等腰三角形相位光栅，并使激光束正入射到光栅上，就可在远场对称地产生等光强激光束。通过改变三角形的高，可使激光束对称地被偏转。

本发明的具体实现过程如下。

根据光束的偏转分辨率得到光栅的周期T和每个周期所包含的台阶数2L，假设得到了L＝8。经计算得到当三角形的高为5.9125rad时，可在衍射-2级、-1级、1级、2级产生等光强的激光束，如图2的(a)图所示。在光学相控阵上形成光栅后，由于相位误差的存在会导致光束能量不等，此时根据图3所示的单调性，可通过对三角形的高进行微调，经过反馈控制后可使光束能量相等。然后重复以上过程可分别实现图2中(b)、(c)、(d)、(e)和(f)所需要的衍射图。最终达到利用光学相控阵对称地产生和控制等光强多激光束的目的。

Claims (6)

1.一种基于光学相控阵等光强多激光束的控制方法，其特征是在光学相控阵器件上形成一维等腰三角形相位光栅，使正入射到光学相控阵器件上的激光束出射后分成两组光束，并且这两组光束可被对称地偏转；也可在光学相控阵器件上形成二维相位光栅，从而使正入射的激光束在二维空间中分成四组光束，并且这四组光束也可被对称地偏转；可以用反馈的方式来微调等腰三角形相位光栅的高Ф_h。

2.根据权利要求1所述的一种基于光学相控阵等光强多激光束的控制方法，其特征是两组光束中每组有两束光束，共计四束光束，这四束光束一维分布在远场、能量相等、且关于衍射0级对称；在远场，每组光束内两束光束之间的空间频率间隔为光栅周期T的倒数。

3.根据权利要求1所述的一种基于光学相控阵等光强多激光束的控制方法，其特征是两组光束可被对称地偏转是在不改变光束特征的前提下，位置可由等腰三角形相位光栅的高Φ_h来改变，偏转分辨率为1/T。

4.根据权利要求1所述的一种基于光学相控阵等光强多激光束的控制方法，其特征是二维相位光栅是由一维等腰三角形相位光栅在正交方向上展开得到的。

5.根据权利要求1所述的一种基于光学相控阵等光强多激光束的控制方法，其特征是四组光束中每组有四束光束，共计十六束光束，这十六束光束二维分布在远场、能量相等、且关于衍射0级对称。

6.根据权利要求1所述的一种基于光学相控阵等光强多激光束的控制方法，其特征是用反馈的方式来微调等腰三角形相位光栅的高Φ_h时根据每组激光中的两束激光的光强比来确定Ф_h的调节方向。

Images