CN101881883A - 集成模块化电光控制激光光束扫描器 - Google Patents

Abstract

一种集成模块化电光控制激光光束扫描器，由多个结构类似的扫描子系统组成的光学固态模块级联构成，每级扫描子系统中的电光开关单元和分束器单元分别集成在单一晶体平板内。本发明具有响应速度快、结构简单紧凑、抗干扰能力强、性能稳定可靠，容易安装和校准的特点，更容易实现空间远场光束扫描系统的工程化应用。

Description

集成模块化电光控制激光光束扫描器

技术领域

本发明是一种集成模块化电光控制激光光束扫描器，主要应用于扫描成像激光雷达、空间目标监视和识别以及空间激光通信等领域中空间远场光束的非机械扫描。

背景技术

激光光束扫描系统在激光雷达、激光通信、激光显示等方面有着重要的应用。为了能够快速有效的捕获跟踪空间远距离目标，需要扫描速度快和扫描精度高的光束扫描器，同时为使光束扫描器达到工程实用化，将其打包成紧凑的集成模块化的光学系统是必要的。

通常的激光光束扫描器大多采用机械扫描原理，缺点是受机械传动精度影响，扫描精度低，而且扫描速度慢，扫描系统体积大，难以微小化集成。非机械式的激光光束扫描器由于体积小、惯性小、扫描响应速度高和可靠性好等优点受到人们的青睐。应用LiNbO3晶体、AlGaAs及PLZT陶瓷等材料制作的光学相控阵扫描器在工程实现上的缺点是大的光栅瓣存在，限制了光的效率和光束质量，不适合远距离空间目标的扫描[在先技术[1]：A.Linnenberger，S.Serati，and J.Stockley，“Advances in Optical Phased Array Technology”，Proc.SPIE，6304，63040T(2006)]。万玲玉等人采用多级级联电光晶体开关和偏振分束器的方法设计了一种电光开关阵列数字光扫描器(在先技术[2]：万玲玉等，电光开关阵列数字光扫描器，发明专利，申请号200910053208.9)。它采用多个分立的电光开关和偏振分束器按照一定拓扑结构组成多级级联的光束扫描阵列，但是由分立元件组成的扫描器件难以实现系统集成和安装校准。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服以上在先技术的不足，提供一种集成模块化电光控制激光光束扫描器，由一个或多个结构类似的光学固态模块和棱镜偏转阵列级联构成。本发明的特点是响应速度快、结构简单紧凑、抗干扰能力强、性能稳定可靠，容易安装和校准。

本发明的技术解决方案如下：

一种集成模块化电光控制激光光束扫描器，特点在于其构成是包括第一级扫描子系统、第二级扫描子系统、第三级扫描子系统、......、第m级扫描子系统、棱镜偏转阵列和电光开关控制系统：

所述的第一级扫描子系统第一电光晶体平板、第一电极、第一电源开关和第一分束器组成，形成两个扫描位置；所述的第一电光晶体平板的光轴方向平行于光的传播方向，在一块所述的第一电光晶体平板的上、下面相对地镀有一对所述的第一电极，从第一电极引出两根正负电极连接线，构成一个第一电光开关；一块所述的第一分束器将一束线偏振光束分成相距为L₁的两束输出光；

所述的第二级扫描子系统由第二电光晶体平板、第二电极、第二电源开关和第二分束器组成，形成四个扫描位置；所述的第二电光晶体平板的光轴方向平行于光的传播方向，在所述的一块第二电光晶体平板的上下面镀有两对中心间距为L₁的尺寸完全相同的第二电极，从第二电极上分别引出两组正负电极连接线，每组分别连接一个第二电源开关，构成两个第二电光开关；一块所述的第二分束器从第二电光开关输出的两束光中的任意一束均分成两束相距L₂的光束，共输出2组4束输出光束；

......；

第m扫描子系统由第m电光晶体平板、第m电极、第m电源开关和第m分束器组成，形成2^m个扫描位置；所述的第m电光晶体平板(m1)的光轴方向平行于光的传播方向，所述的一块第m电光晶体平板的的上下面镀有2^m-1对第m电极，对应每个第m电极分别引出正负电极连接线连接一个第m电源开关，构成2^m-1个第m电光开关；所述的一块第m分束器(m2)将从第m级电光开关输出的2^m-1束光中的每一束均分成两束相距L_m的光束，共输出2^m-1组2^m束输出光束；

在所述的2^m束输出光束的光路中对应地是由2^m个棱镜单元组成的棱镜阵列形成远场光束扫描阵列；

所述的第一电源开关、2个第二电源开关、......、2^m-1个第m电光开关之间满足的逻辑关系，由所述的电光开关控制系统控制。

所述的第一电光晶体平板、第二电光晶体平板、第三电光晶体平板和第m电光晶体平板由LiNbO₃晶体、LiTaO₃晶体、KDP晶体、KD^*P或ADP晶体制成。

所述的第一分束器、第二分束器、......和第m分束器是由方解石晶体、LiNbO₃晶体或YVO₄晶体制成。

所述的第一分束器、第二分束器、第三分束器和第m分束器的光轴方向与入射法线的角度设置，以实现最大的非寻常光和寻常光的分离量。

所述的电源开关控制系统是根据设定的扫描路线通过控制所述的第一电源开关、第二电源开关和第m电源开关的接通和断开状态的不同组合来实现激光光束扫描的；

所述的棱镜阵列由多个棱镜单元构成，根据远场扫描光束的偏转方向，棱镜单元由单个棱镜构成，或由水平偏转棱镜和垂直偏转棱镜的组合棱镜构成，该棱镜沿光线行进方向的入射面为平面，出射面为斜面，该棱镜顶角由入射角、偏转角和棱镜的折射率确定，其关系式为：

$\mathrm{\β}=\arctan \left[\frac{\sin (\mathrm{\φ}-i_1)+n{\sin i}_2}{n{\sin i}_2-\cos (\mathrm{\φ}-i_1)}\right],$

其中i₁为入射光线和入射面法线间的夹角称为入射角，

n为棱镜的折射率，β为棱镜的顶角，φ为入射光线和出射光线间的夹角称为偏转角。

本发明的技术效果：

本发明集成模块化电光控制激光光束扫描器的突出特点是将每一级扫描子系统中的电光开关单元集成在单一电光晶体平板材料内，同时每一级扫描子系统中的分束器单元也集成在单一双折射晶体平板材料内。与在先技术相比，具有响应速度快、结构简单紧凑、抗干扰能力强、性能稳定可靠，容易安装和校准等特点，更容易实现光束扫描器的工程化应用。

附图说明

图1是本发明集成模块化电光控制激光光束扫描器的结构示意图。

图2是晶体电光开关和双折射晶体分束器组合形成1×2分束原理示意图。

图3是本发明集成模块化电光控制激光光束扫描器实施例的结构示意图。

图4是本发明1×8扫描阵列的扫描路线图。

图5是本发明1×8扫描阵列中的电源开关控制逻辑图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步详细说明本发明，但不应以此限制本发明的保护范围。

本发明集成模块化电光控制激光光束扫描器的原理如图1所示，由图可见，本发明集成模块化电光控制激光光束扫描器，其构成是包括第一级扫描子系统1、第二级扫描子系统2、第三级扫描子系统3、......、第m级扫描子系统m、棱镜偏转阵列4和电光开关控制系统(图中未示)：

所述的第一级扫描子系统1第一电光晶体平板11、第一电极Q1、第一电源开关K1和第一分束器12组成，形成两个扫描位置；所述的第一电光晶体平板11的光轴方向平行于光的传播方向，在一块所述的第一电光晶体平板11的上、下面镀有一对所述的第一电极Q1，从第一电极Q1引出两根正负电极连接线，构成一个第一电光开关；一块第一分束器12将一束线偏振光束分成相距为L₁的两束输出光；

所述的第二级扫描子系统2由第二电光晶体平板21、第二电极Q2、第二电源开关K2和第二分束器22组成，形成四个扫描位置；所述的第二电光晶体平板21的光轴方向平行于光的传播方向，在所述的一块第二电光晶体平板21的上下面镀有两对中心间距为L₁的尺寸完全相同的第二电极Q2，从第二电极Q2上分别引出两组正负电极连接线，每组分别连接一个第二电源开关K2，构成两个第二电光开关；一块所述的第二分束器22从第二电光开关输出的两束光中的任意一束均分成两束相距L₂的光束，共输出2组4束输出光束；

......；

第m扫描子系统m由第m电光晶体平板m1、第m电极Qm、第m电源开关Km和第m分束器m2组成，形成2^m个扫描位置；所述的第m电光晶体平板m1的光轴方向平行于光的传播方向，一块所述的第m电光晶体平板m1的上下面镀有2^m-1对第m电极Qm，每对第m电极Qm分别引出正负电极连接线连接一个第m电源开关Km，构成2^m-1个第m电光开关；一块所述的第m分束器m2将从第m级电光开关输出的2^m-1束光中的每一束均分成两束相距L_m的光束，共输出2^m-1组2^m束输出光束；

在所述的2^m束输出光束的光路中对应地是由2^m个棱镜单元组成的棱镜阵列4形成远场光束扫描阵列；

所述的第一电源开关K1、2个第二电源开关K2、......、2^m-1个第m电光开关Km之间满足的逻辑关系，由所述的电光开关控制系统控制。

可根据实际需要按照一定的空间排列结构组成近场扫描矩阵，后面附加由2^m个棱镜单元组成的棱镜阵列4形成远场光束扫描阵列。棱镜阵列中每个棱镜的入射面设计为平面，出射面为斜面，其中单个棱镜单元可由单个棱镜构成，也可由水平偏转棱镜和垂直偏转棱镜的组合棱镜构成，单个棱镜顶角由入射角、偏转角和棱镜的折射率确定，其关系式

其中i₁为入射角，

n为棱镜的折射率，β为棱镜的顶角，φ为偏转角。

上述第一电光晶体平板11上的第一电极Q1及其第一电源开关K1、第二电光晶体平板21上的第二电极Q2及其第二电源开关K2、第m电光晶体平板m1上的第m电极Qm及其第m电源开关Km在控制第一电源开关K1、第二电源开关K2和第m电源开关Km的断开和闭合状态下，按照预先设定的扫描方式和扫描路线对空间目标进行非机械化数字式空间扫描。

本发明的1×2电光分束过程是通过电光晶体开关与双折射晶体分束器的组合来实现的，原理如图2所示。电光晶体平板11的光轴平行于z方向。金属电极Q1对称地加在晶体平行于坐标面yz的两个相对面上，在电源开关K1断开不加电压时，振动方向平行于坐标x方向的入射光a通过电光晶体后，光束的偏振方向不变，经过双折射晶体12后变成光束c输出；将电源开关K1闭合，沿着晶体x方向施加横向半波电压U_π，将入射光a的偏振方向旋转90°，经过双折射晶体12后变成光束b输出。沿着电光晶体的轴向施加的横向半波电压U_π，可表示为其中λ为入射波长，n_o为该波长下寻常光的折射率，γ为晶体的电光系数，d为电场方向的晶体厚度，l为光传输方向上的晶体长度。

双折射晶体例如方解石晶体、钒酸钇晶体和铌酸锂晶体等电光双折射晶体，具有分离寻常光和非常光的功能，寻常光与非常光间的偏转距离δL与输入光束穿过晶体的厚度D成正比，表示为

其中θ表示晶体光轴与输入面法线的夹角，α是晶体内非常光与寻常光的偏离角，n_o和n_e分别是寻常光和非常光在晶体内的主折射率。

本实施例制作一个集成模块化电光控制激光光束扫描器，远场实现1×8的位置扫描，8个光束B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7和B8的偏转角度依次为：0.1°、0.2°、0.3°、0.4°、0.5°、0.6°、0.7°、0.8°，如图3所示，由三级扫描子系统级联和一个棱镜阵列构成1×8的集成模块化空间光束扫描器，扫描路线如图4所示，由光束B1按照顺序依次扫描到B8。

设使用波长为1.06μm，扫描的入射光束为沿着x方向线偏振，光束口径为1mm，扫描系统第三级输出光束间隔2mm，每束光之间的远场偏转角度为0.1°，第一电光晶体平板11、第二电光晶体平板21、第三电光晶体平板31采用铌酸锂LiNbO₃晶体材料，晶体尺寸分别取为50mm×5mm×5mm、50mm×5mm×12mm、50mm×5mm×16mm；第一电光晶体平板11上镀一个金属电极，电极尺寸为50mm×1mm，金属电极为溅射制作的Au/C_r薄层，厚度约为0.1μm；第二电光晶体平板21上沿着光束传输方向镀两个相同尺寸的金属电极，电极尺寸都为50mm×1mm，金属电极为溅射制作的Au/C_r薄层，厚度约为0.1μm，金属电极之间为1毫米厚的绝缘层；第三电光晶体平板31上沿着光束传输方向镀四个完全相同的金属电极，尺寸都为50mm ×1mm，金属电极为溅射制作的Au/C_r薄层，厚度为0.1μm，金属电极之间为1毫米厚的绝缘层。根据文献该使用波长的半波电压为9000V/mm，由10∶1的长宽比算得半波电压为900V，因此设计电光开关驱动直流电源的电压在500-1500V可满足扫描器使用要求。要实现以上远场1×8的扫描，所述的第一电源开关K1、第二电源开关K21和K22、第三电源开关K31、K32、K33和K34之间要满足一定的逻辑控制关系，按照8个光束的扫描顺序依次为B1→B2→B3→B4→B5→B6→B7→B8的设计要求，相应的8个电源开关的逻辑控制关系如图5所示，其中“0”表示电源开关断开，“U_π”表示电源开关接通，在相应的电光晶体上施加电压为U_π的电场。

第一分束器12、第二分束器22和第三分束器32选择方解石晶体材料，在该波段其寻常光和非常光的主折射率为1.6423和1.4797，当光轴与入射法线的角度

时，方解石中非常光和寻常光存在最大分离角通过计算可求得θ_max＝42.02°，α_max＝5.96°。对于第一分束器31，两束光分离宽度为8mm，求得方解石厚度为76.56mm，因此对于第一分束器31的设计尺寸为：12mm×76.56mm×5mm；对于第二分束器32，两束光分离宽度为4mm，求得方解石厚度为38.28mm，因此对于第二分束器32的设计尺寸为：15mm×38.28mm×5mm；对于第三分束器33，两束光分离宽度为2mm，求得方解石厚度为19.14mm，因此对于第三分束器33的设计尺寸为：20mm×19.14mm×5mm。棱镜阵列4中8个偏转棱镜选用折射率为1.516的K9玻璃材料，其顶角分别设计为0.1938°、0.3876°、0.5814°、0.7751°、0.9688°、1.1625°、1.3561°、1.5499°。

另外，如果远场需要实现两维阵列的空间扫描，可改变棱镜阵列中棱镜单元对光束的偏转方向，或者在最后一级扫描系统中输出的每一束光的后面再附加相同的正交放置的集成模块化电光控制激光光束扫描器形成二维远场光束扫描阵列，在实际应用中可根据扫描系统的实际需要来优化设计。

Claims (5)

1.一种集成模块化电光控制激光光束扫描器，特征在于其构成是包括第一级扫描子系统(1)、第二级扫描子系统(2)、第三级扫描子系统(3)、......、第m级扫描子系统(m)、棱镜偏转阵列(4)和电光开关控制系统：

所述的第一级扫描子系统(1)第一电光晶体平板(11)、第一电极(Q1)、第一电源开关(K1)和第一分束器(12)组成，形成两个扫描位置；所述的第一电光晶体平板(11)的光轴方向平行于光的传播方向，在所述的一块第一电光晶体平板(11)的上、下面镀有一对所述的第一电极(Q1)，从第一电极(Q1)引出两根正负电极连接线，构成一个第一电光开关；所述的一块第一分束器(12)将一束线偏振光束分成相距为L₁的两束输出光；

所述的第二级扫描子系统(2)由第二电光晶体平板(21)、第二电极(Q2)、第二电源开关(K2)和第二分束器(22)组成，形成四个扫描位置；所述的第二电光晶体平板(21)的光轴方向平行于光的传播方向，在一块所述的第二电光晶体平板(21)的上下面镀有两对中心间距为L₁的尺寸完全相同的第二电极(Q2)，从第二电极(Q2)上分别引出两组正负电极连接线，每组分别连接一个第二电源开关(K2)，构成两个第二电光开关；一块所述的第二分束器(22)从第二电光开关输出的两束光中的任意一束均分成两束相距L₂的光束，共输出2组4束输出光束；

......；

第m扫描子系统(m)由第m电光晶体平板(m1)、第m电极(Qm)、第m电源开关(Km)和第m分束器(m2)组成，形成2^m个扫描位置；所述的第m电光晶体平板(m1)的光轴方向平行于光的传播方向，一块所述的第m电光晶体平板(m1)的上下面镀有2^m-1对第m电极(Qm)，每对第m电极(Qm)分别引出正负电极连接线连接一个第m电源开关(Km)，构成2^m-1个第m电光开关；一块所述的第m分束器(m2)将从第m级电光开关输出的2^m-1束光中的每一束均分成两束相距L_m的光束，共输出2^m-1组2^m束输出光束；

在所述的2^m束输出光束的光路中对应地是由2^m个棱镜单元组成的棱镜阵列(4)形成远场光束扫描阵列；

所述的第一电源开关(K1)、2个第二电源开关(K2)、......、2^m-1个第m电光开关(Km)之间满足的逻辑关系，由所述的电光开关控制系统控制。

2.根据权利要求1所述的集成模块化电光控制激光光束扫描器，其特征在于所述的第一电光晶体平板、第二电光晶体平板、第三电光晶体平板和第m电光晶体平板由LiNbO₃晶体、LiTaO₃晶体、KDP晶体、KD^*P或ADP晶体制成。

3.根据权利要求1所述的集成模块化电光控制激光光束扫描器，其特征在于所述的第一分束器、第二分束器、......和第m分束器是由方解石晶体、LiNbO₃晶体或YVO₄晶体制成。

4.根据权利要求1所述的集成模块化电光控制激光光束扫描器，其特征在于所述的第一分束器、第二分束器、第三分束器和第m分束器的光轴方向与入射法线的角度设置，以实现最大的非寻常光和寻常光的分离量。

5.根据权利要求1所述的集成模块化电光控制激光光束扫描器，其特征在于所述的棱镜阵列(4)由多个棱镜单元构成，根据远场扫描光束的偏转方向，棱镜单元由单个棱镜构成，或由水平偏转棱镜和垂直偏转棱镜的组合棱镜构成，该棱镜沿光线行进方向的入射面为平面，出射面为斜面，该棱镜顶角由入射角、偏转角和棱镜的折射率确定，其关系式为：

$\mathrm{\β}=\arctan \left[\frac{\sin (\mathrm{\φ}-i_1)+n{\sin i}_2}{n{\sin i}_2-\cos (\mathrm{\φ}-i_1)}\right],$

其中：i₁为入射光线和入射面法线间的夹角称为入射角，

n为棱镜的折射率，β为棱镜的顶角，φ为入射光线和出射光线间的夹角称为偏转角。

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