CN102354056A - 高功率高光束质量光学相控阵扫描装置 - Google Patents

Abstract

一种高功率高光学质量光学相控阵扫描装置，该装置依次由主振激光器、达曼光栅分束器、第一傅立叶透镜、电控相控阵、第二傅立叶透镜、激光放大器阵列、达曼输入相位平板、第三傅立叶透镜、合束相位补偿器。本发明提供一种高功率高光束质量光学相控阵扫描装置，实现高指向精度、高分辨率和快速高功率激光光束的无机械扫描。具有结构和原理简单，不需复杂相位精确检测，性能稳定可靠的特点，可广泛应用于需要大功率激光发射源以及无机械激光光束扫描的相关领域，特别适用于远程激光雷达、激光武器等领域，对于发展紧凑型、轻量化和高光束质量的高功率激光器和光束扫描系统具有实际意义。

Description

高功率高光束质量光学相控阵扫描装置

技术领域

本发明涉及相干阵列激光合束的高功率激光器和高光束质量的无机械光束扫描系统，特别是一种基于衍射光学元件分束、合束和电控相控阵器件的高功率单主瓣光学相控阵扫描装置及方法。

背景技术

随着激光应用技术的发展，在激光雷达等领域需要高功率、高质量和高亮度的激光束，而且朝着小型化、全固态化、大功率化方向发展。一般来说，从单个激光器获得的输出功率是很有限的，建立高功率激光系统的一种有效的技术方案是使用激光器阵列，并且要求从阵列元件中输出的所有光束能够相干合成为单一光束。其中采用衍射光学元件具有衍射效率高、体积小、调节方便和可以大量复制等特点，受到国内外研究者的广泛关注。同时，在激光雷达、激光通信等领域应用方面，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激光光束扫描器，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。

在高功率高质量的相干阵列激光合束方面，人们提出了多种技术方案。在先技术[1](参见：闫爱民，刘立人，戴恩文，孙建锋，相干阵列激光逆达曼光栅合束孔径装填装置，发明专利，专利号：ZL200910053422.4，2011.)中提出一种基于衍射光学元件即逆达曼光栅的相干阵列激光合束孔径装填装置，可将多路相干激光的组合成高功率和高光束质量的单一光束，用于实现紧凑型、轻量化和高亮度的高功率激光器系统。这种装置虽然能大幅提升激光器输出功率和光束质量，但是，不能进行激光光束的快速无机械扫描。

在先技术[2](参见D.C.Jones，A.M.Scott，S.Clark，C.Stace，R.G. Clarke，Beamsteering of a fibre bundle laser output using phased array techniques，Proc.SPIE，5335，125-131，2004.)中采用并联主振荡功率放大激光阵列锁相技术和压电陶瓷相位调制器获得了高亮度的光纤阵列光束扫描，但是这种主动调相技术，需要声光调制器、移相器等复杂的相位控制和检测以及相应的控制电路，技术实现难度高。

在先技术[3](参见：万玲玉，刘立人，张明丽，孙建锋，高速电光相控阵二维激光光束扫描器，发明专利申请号：200310122621.9，2003。)中利用LiNbO₃晶体的电光效应，提出了一种高速电光相控阵二维激光光束扫描器，具有扫描速度快、精度高、没有机械运动、结构简单、稳定可靠等优点。但是，该光学相控阵扫描器仅能实现激光光束的无机械扫描，不能提高扫描光束的功率和光束质量，限制了进一步在激光武器等领域的广泛应用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种高功率高光束质量光学相控阵扫描装置，实现高指向精度、高分辨率和快速的高功率激光光束无机械扫描。

本发明的技术解决方案如下：

一种高功率高光束质量光学相控阵扫描装置，其特点在于该装置依次由主振激光器、达曼光栅分束器、第一傅立叶透镜、电控相控阵、第二傅立叶透镜、激光放大器阵列、达曼输入相位平板、第三傅立叶透镜和合束相位补偿器构成。

所述的达曼光栅分束器为经过算法优化设计的纯相位光栅，是一个衍射光学元件，其功能是在频谱面上能产生特定衍射级次的间距相等和有限个数的等光强光点阵列；

所述的电控相控阵为相位调制阵列，对达曼光栅分束器在第一傅立叶透镜的频谱面上产生的激光阵列进行相位调制，可为铌酸锂(LiNbO₃)晶体、钽酸锂晶体(LiTaO₃)、锆钛酸铅镧(PLZT)陶瓷等电光材料或液晶材料的光学相控阵器件；

所述的激光放大器阵列，是与达曼光栅分束器在第一傅立叶透镜的频谱面上产生的激光阵列相对应的固体激光放大器阵列或光纤激光放大器阵列；

所述的达曼输入相位平板是由达曼光栅分束器的频谱面上特定衍射级次的等强度光场相位所制作的相位板。

所述的合束相位补偿器是与达曼光栅分束器的相位共轭的衍射光学元件，该补偿器的相位分布是达曼光栅分束器相位分布的复数共轭，用于对合束光场进行相位补偿，获得远场单一主瓣的高光束质量激光光束。

本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.采用达曼光栅分束器产生N×N束自动相位锁定的相干激光阵列，其优点是采用衍射光学元件，结构简单，容易实现，无需额外的相位检测结构；

2.达曼光栅分束以及逆达曼光栅合束相位补偿都基于远场衍射原理，输入面和输出面为对应的光学傅立叶变换关系，操作简单可靠，易于实现；

3.衍射光学元件设计原理简单，所述的达曼光栅分束器和合束相位补偿器都是纯相位光栅，二者的相位分布互为共轭，制作精度高。

4.利用光学相控阵技术，在相干激光阵列合束孔径装填基础上能够实现无机械激光光束精密快速扫描，具有灵活定向控制和发射角度瞬时可控的能力。

附图说明

图1为本发明高功率高光束质量光学相控阵扫描装置示意图。

图2为铌酸锂晶体材料制成的电控相控阵示意图。

图中：1-主振激光器，2-达曼光栅分束器，3-第一傅立叶透镜，4-电控相控阵，5-第二傅立叶透镜，6-激光放大器阵列，7-达曼输入相位平板，8-第三傅立叶透镜，9-合束相位补偿器，41-铌酸锂晶体，42-镀金电极。

具体实施方式

以下结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

本发明的高功率高光束质量光学相控阵扫描装置的组成示意图如图1所示，由图可见，本发明高功率高光束质量光学相控阵扫描装置，依次由主振激光器1、达曼光栅分束器2、第一傅立叶透镜3、电控相控阵4、第二傅立叶透镜5、激光放大器阵列6、达曼输入相位平板7、第三傅立叶透镜8、合束相位补偿器9构成。

所述的达曼光栅分束器2为经过算法优化设计的纯相位光栅，是一个衍射光学元件，其功能是在频谱面上能产生特定衍射级次的间距相等和有限个数的等光强光点阵列；

所述的电控相控阵4为相位调制阵列，对达曼光栅分束器2在第一傅立叶透镜3的频谱面上产生的激光阵列进行相位调制，可为铌酸锂(LiNbO₃)晶体、钽酸锂晶体(LiTaO₃)、锆钛酸铅镧(PLZT)陶瓷等电光材料或液晶材料的光学相控阵器件；

所述的激光放大器阵列6，是与达曼光栅分束器2在第一傅立叶透镜3的频谱面上产生的激光阵列相对应的固体激光放大器阵列或光纤激光放大器阵列；

所述的达曼输入相位平板7是由达曼光栅分束器2的频谱面上特定衍射级次的等强度光场相位所制作的相位板。

所述的合束相位补偿器9是与达曼光栅分束器2的相位共轭的衍射光学元件，该补偿器的相位分布是达曼光栅分束器2相位分布的复数共轭，用于对合束光场进行相位补偿，获得远场单一主瓣的高光束质量激光光束。

达曼光栅分束器2的分束功能如下：

达曼光栅分束器2是一种产生特定衍射级次数目的典型的衍射光学元件，将达曼光栅分束器2置于第一傅立叶透镜3前，经入射光照射后，在第一傅立叶透镜的后焦面上得到间距相等的有限个数的等光强的光点阵列分布。

达曼光栅分束器2设计为纯相位光栅，其透过率函数为：

其中：T_x、T_y和Δx、Δy分别为x、y方向达曼光栅的周期和中心移位，在达曼光栅的一个周期内具有亚周期相位结构

衍射M×N级点的理想二维达曼光栅谱即为傅立叶变换：

式中：f_x、f_y为空间频率，C_M、C_N为常数，H(f_x、f_y)为高阶衍射项，

对于奇数M，N，有m＝0，±1，±2，...，±(M-1)/2，n＝0，±1，±2，...，±(N-1)/2，

对于偶数M，N，有m＝0，±1，±3，...，±(M-1)，n＝0，±1，±3，...，±(N-1)。

因此，在理想设计下H(f_x，f_y)≈0，达曼光栅分束器2在频谱面上可产生给定M×N衍射级次的光强相等、相位一定的光点阵列。把不同衍射级次对应的相位分布即为达曼输入相位平板7的相位，而且对达曼光栅分束器2的相位分布取复数共轭可得到合束相位补偿器9的相位。

基于相干阵列激光合束孔径装填和光束扫描过程如下：

假设达曼光栅分束器2在第一傅立叶透镜3的频谱面上产生的阵列光场分布为：

$e_1(x,y)=e_s(x,y)\⊗\underset{m}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(x-m{T}_{\mathrm{\α}})\mathrm{\δ}(y-{\mathrm{nT}}_{\mathrm{\β}}),---\left(3\right)$

其中：e_s(x，y)为单元激光束光场分布，

表示卷积，T_α、T_β为阵列光束在x和y方向的周期。

电控相控阵4对上述相干阵列光场进行相位调制，调制函数设为：

在第二傅立叶透镜5频谱面上产生角度(θ_x，θ_y)为光束偏转，其光场分布为：

$E_2({\mathrm{\θ}}_x,{\mathrm{\θ}}_y)=A_1{F}_{f_x=\frac{x}{\mathrm{\λf}},f_y=\frac{y}{\mathrm{\λf}}}\left\{e_1(x,y)p_1(x,y)\right\},---\left(5\right)$

其中，

为傅立叶变换算符，A₁为常数。

经过激光放大器阵列进行功率放大后的相干激光阵列附加达曼输入相位平板7后的光场，经第三傅立叶透镜9后，在后焦面上的光场分布为：

$E_3({\mathrm{f\θ}}_x,{\mathrm{f\θ}}_y)=A_2{F}_{f_x=\frac{x}{\mathrm{\λf}},f_y=\frac{y}{\mathrm{\λf}}}\left\{{\mathrm{KE}}_2({\mathrm{\θ}}_x,{\mathrm{\θ}}_y)p_2(x,y)\right\}[g_D(-x)g_D(-y)-F_{f_x=\frac{x}{\mathrm{\λf}},f_y=\frac{y}{\mathrm{\λf}}}\{H(f_x,f_y)\left\}\right],---\left(6\right)$

其中：(fθ_x，fθ_y)为出射光束偏转角度，p₂(x，y)为达曼输入相位平板7的透过率函数，

在第三傅立叶透镜8的后焦面上加入合束相位补偿器9进行相位补偿后获得相干阵列合束并扫描的输出光场：

e₄(fθ_x，fθ_y)＝g_D*(-x)g_D*(-y)E₃(fθ_x，fθ_y)，              (8)

其中：

是合束相位补偿器9的相位分布函数，″*″表示复数共轭。

于是得到特定振幅分布的单一光束，即实现相干激光阵列的合束和光束扫描输出。

下面通过实施例对本发明作进一步的说明：

主振激光器输出波长1.55μm激光，达曼光栅分束器2产生32×32个衍射级次，即±1，±3，±5，±7，±9，±11，±13，±15，±17，±19，±21，±23，±25，±27，±29，±31级衍射。激光放大器阵列为32×32二极管泵浦的Nd:YAG激光放大器阵列，在两个垂直正交方向以等周期1mm排成32×32的正方形面阵。傅立叶变换透镜焦距1800mm。

电控相控阵4用铌酸锂晶体(LiNbO₃)材料，由32×32个周期为1mm正方形面阵排列的小块铌酸锂晶体41组成，每个尺寸为0.5mm×0.5mm×8mm，每块晶体41的XY面内镀相应长度的电极，32×32阵列中沿y轴方向的每一行晶体41上镀金属电极在x方向的长度分别以0.25mm为等差数列递增，最短0.25mm，最长8.0mm，沿z轴方向的每一列镀电极长度相同。电场电压240V加在Z轴方向，光束沿着X方向传播，如图2所示；达曼光栅分束器2在第一傅立叶透镜3的频谱面上产生的32×32个等强度光点后放置电控相控阵4。给晶体加上相同的电压，由于波前相位调制的作用，光束将偏转0.63mrad。

达曼输入相位平板7的一维相位分布如表1所示，将此分布对应于x、y轴，即可得到二维相位分布。合束相位补偿器9在一个周期内相位的一维分布如表2所示，将此分布对应于x、y轴，即可得到二维相位分布。合束相位补偿器9为二元相位达曼光栅，在一个周期内突变点的对数为17对，其中a_i，b_i表示一对突变点的坐标，坐标a_i，b_i之间相位为0，坐标b_i，a_i+1之间相位为π。

表1达曼输入相位平板7一维相位分布

表2合束相位补偿器9一个周期内相位的一维分布二值相位：0和π，一个周期内的突变点对数：17

i	1	2	3	4	5	6	7	8	9
										ai	0	0.08900	0.13340	0.19580	0.23060	0.33010	0.40100	0.44110	0.4840
bi	0.05540	0.11010	0.17320	0.21090	0.24870	0.34820	0.43320	0.46530	0.5
										i	10	11	12	13	14	15	16	17
ai	0.55540	0.6101	0.6732	0.7109	0.7487	0.8482	0.9332	0.9653
										bi	0.58900	0.6334	0.6958	0.7306	0.8301	0.901	0.9411	0.984

Claims (6)

1.一种高功率高光束质量光学相控阵扫描装置，其特征在于该装置依次由主振激光器(1)、达曼光栅分束器(2)、第一傅立叶透镜(3)、电控相控阵(4)、第二傅立叶透镜(5)、激光放大器阵列(6)、达曼输入相位平板(7)、第三傅立叶透镜(8)和合束相位补偿器(9)构成，所述的达曼光栅分束器(2)和电控相控阵(4)分别置于所述的第一傅立叶透镜3的物面和频谱面上；所述的电控相控阵(4)和激光放大器阵列(6)的前端面分别放置于第二傅立叶透镜(5)的物面和频谱面上；所述的达曼输入相位平板(7)和合束相位补偿器(9)分别放置于所述的第三傅立叶透镜(8)的物面和频谱面上。

2.根据权利要求1所述的高功率高光束质量光学相控阵扫描装置，其特征在于所述的达曼分束器(2)为经过算法优化设计的纯相位光栅，是一个衍射光学元件，其功能是在频谱面上能产生特定衍射级次的间距相等和有限个数的等光强光点阵列。

3.根据权利要求1所述的高功率高光束质量光学相控阵扫描装置，其特征在于所述的电控相控阵(4)为相位调制阵列，对达曼光栅分束器(2)在第一傅立叶透镜(3)的频谱面上产生的激光阵列进行相位调制，为铌酸锂(LiNbO₃)晶体、钽酸锂晶体(LiTaO₃)、锆钛酸铅镧(PLZT)陶瓷等电光材料或液晶材料制成的光学相控阵器件。

4.根据权利要求1所述的高功率高光束质量光学相控阵扫描装置，其特征在于所述的激光放大器阵列(6)，是与达曼光栅分束器(2)在第一傅立叶透镜3的频谱面上产生的激光阵列相对应的固体激光放大器阵列或光纤激光放大器阵列。

5.根据权利要求1所述的高功率高光束质量光学相控阵扫描装置，其特征在于所述的达曼输入相位平板(7)是由达曼光栅分束器2的频谱面上特定衍射级次的等强度光场相位所制作的相位板。

6.根据权利要求1所述的高功率高光束质量光学相控阵扫描装置，其特征在于所述的合束相位补偿器(9)是与所述的达曼光栅分束器(2)的相位共轭的衍射光学元件，该补偿器的相位分布是达曼光栅分束器(2)相位分布的复数共轭。

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