CN103984182A - 一种采用液晶光学相控阵阵列的激光相干合成方法 - Google Patents

Abstract

该发明公开了一种采用液晶光学相控阵阵列的激光相干合成方法，属于液晶光学领域，通过按照矩阵的方式排列若干LCOPA，各LCOPA分别外接液晶驱动电路和控制器，相干激光分别从各LCOPA背面入射，控制器控制液晶驱动电路给各LCOPA输入适当的电压，控制相干激光通过LCOPA后偏转相同的角度，最后经过偏转的多股激光发生干涉合成一股功率较强的激光，实现发明目的，从而具有合成激光功率高、精度高、波束指向可变的效果。

Description

一种采用液晶光学相控阵阵列的激光相干合成方法

技术领域

本发明属于液晶光学领域，特别是涉及一种采用液晶光学相控阵阵列的激光相干合成方法。

背景技术

液晶光学相控阵(LCOPA)是一种激光精确偏转器件，由液晶盒以及在液晶盒表面平行排列的条形电极组成，每一根电极及其影响的液晶区域组成一个移相单元。激光入射时，对LCOPA的电极加载电压，引起液晶的双折射率发生改变，导致每一个移相单元对照射在移相单元表面的部分激光实现相位延迟，当相邻移相单元实现的相位延迟差恒定时，移相单元的出射激光在远场发生干涉，在偏离入射方向一定角度的方向上获得极大光强，改变了激光的传播方向，实现激光的非机械精确偏转。

激光相干合成指通过相干控制使多束激光锁相输出，从而获得合成激光的技术。现有的相干合成一般通过光纤激光器阵列实现，光纤激光器阵列出射多束相干激光，锁相装置保持多束激光的相位一致，多束相干激光在远场实现相干合成。由于没有波束方向控制装置，现有的激光合成技术只能在远场固定位置实现激光的相干合成，合成激光的波束指向与光纤激光器的出射激光方向相同。而在激光雷达等应用领域，要求激光不仅具有大功率，还要有任意方位的波束指向能力。由于现有的相干合成技术不能满足激光雷达的应用要求，因此迫切需要一种能够在远场任意方位获得大功率激光的相干合成技术。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术的不足之处设计一种采用液晶光学相控阵阵列的激光相干合成方法，从而达到合成激光功率高、精度高、方向可变的目的。

本发明的技术方案是按照矩阵的方式排列若干LCOPA，各LCOPA分别外接液晶驱动电路和控制器，相干激光分别从各LCOPA背面入射，控制器控制液晶驱动电路给各LCOPA输入适当的电压，控制相干激光通过LCOPA后偏转正确的角度，最后经过偏转的多股激光发生干涉合成为一股功率较强的激光，合成激光的波束指向即为相干激光通过LCOPA后的偏转角度，改变LCOPA的输入电压使相干激光通过LCOPA后偏转不同的角度，即可得到具有不同波束指向的大功率合成激光，从而实现发明目的。因而本发明一种采用液晶光学相控阵阵列的激光相干合成方法包括：

步骤1：选择合适的LCOPA，LCOPA包括液晶盒及并列设置于液晶盒表面的若干长条形电极,电极数量不小于2；

步骤2：给LCOPA加载不同电压，得到不同电压下的相干激光相位延迟，从而绘制出LCOPA的液晶特性曲线；

步骤3：将若干步骤2中的LCOPA按照矩阵的方式排列，所有的LCOPA的光轴方向一致；

步骤4：根据实际需要确定合成后激光的波束指向，即相干激光通过LCOPA阵列中每一个LCOPA偏转的角度；

步骤5：LCOPA中每根电极及其控制的液晶区域组成一个移相单元，根据偏转角度计算出激光透过各移相单元后的相位延迟，组合各移相单元处的相位延迟得到激光透过LCOPA后的调制相位面；

步骤6：根据步骤5中的相位面结合步骤2中得到的LCOPA的液晶特性曲线计算出阵列中各LCOPA的所有电极应加载的正确电压；

步骤7：给各LCOPA阵列输入相干激光，控制器控制液晶驱动电路给各LCOPA均输入步骤5计算出的正确电压，使相干激光经过LCOPA阵列后偏转相同的角度，在远场得到波束指向正确的合成激光。

步骤8：改变相干激光通过LCOPA阵列后偏转的角度，重复步骤4-步骤7，即可得到具有不同波束指向的合成激光。

其中步骤5具体步骤为:

步骤5-1：根据偏转角度θ计算通过每个移相单元的激光相位延迟，根据公式：

计算出相位延迟其中d表示LCOPA中的电极间距，λ表示激光的波长；

步骤5-2：计算各列中第n个LCOPA Cn的出射激光的相位面R_n(x₀)，LCOPA的每根电极实现的相位延迟组合形成出射激光的相位面，其中表示电极t_m实现的相位延迟，t_m表示LCOPA中的第m根电极，M为LCOPA中电极的总个数。

步骤6具体步骤为：

步骤6-1：计算各列中第n个LCOPACn实现设计相位面R_n(x₀)所需加载的电压根据Cn的出射激光相位面得到Cn中t_m的相位延迟

步骤6-2：参照步骤2得到的液晶特性曲线，得到t_m的外加电压依此类推，得到Cn中所有电极t＝[t₁,t₂,t₃,...,t_M]加载的电压为按照相同的方法得到阵列中各LCOPA的加载电压。

本发明一种采用液晶光学相控阵阵列的激光相干合成方法，通过液晶光学相控阵改变入射相干激光的传播方向，实现在不同角度对入射相干激光的合成，合成激光具有功率高、精度高、波束指向可变的效果。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的装置图；

图3为本实验LCOPA的液晶特性曲线图；

图4为LCOPA调制激光相位面示意图；

图5为单束激光经过LCOPA偏转角度为0°时的远场光强分布图

图6为4×3束激光经过LCOPA阵列偏转角度为0°时的合成激光光强分布图；

图7为单束激光经过LCOPA偏转角度为3°时的远场光强分布图

图8为4×3束激光经过LCOPA阵列偏转角度为3°时的合成激光光强分布图。

具体实施方式

下面结合一个典型实验例子给出本发明的具体实施方式。根据本发明的处理步骤，

步骤1：选择液晶盒表面并列设置有1920个长条形电极，电极编号为t＝[t₁,t₂,t₃,...,t₁₉₂₀]，电极宽度d为5um，最大驱动电压为5V的LCOPA。

步骤2：测量LCOPA的液晶特性曲线将0～5V等分为200个电压，依次加载V＝0,0.025,0.05,…,5到LCOPA，测量LCOPA的相位延迟为绘制出晶特性曲线如图3所示。

步骤3：将12个步骤2中的LCOPA按照4×3的矩阵方式排列，所有的LCOPA光轴方向一致，相邻LCOPA的中心距离为11mm；

步骤4：确定相干激光的偏转角度θ＝3°，即合成激光的波束指向为θ＝3°。

步骤5：LCOPA中每根电极及其控制的液晶区域组成一个移相单元，根据偏转角度计算出激光透过各移相单元的相位延迟，组合各电极处相位延迟得到相位面；

将激光偏转角度代入相控阵雷达公式，

其中d表示LCOPA中的电极宽度，λ表示激光的波长，表示相邻电极的调制相位延迟。得到相邻电极调制相位延迟因此LCOPA的所有电极t＝[t₁,t₂,t₃,...,t_M]的相位延迟依次为经2π置位后得到阵列中m行n列位置上的LCOPAC_mn的调制相位面为 $R_{\mathrm{mn}}=[0,\frac{\mathrm{\π}}{2},\mathrm{\π},\frac{3\mathrm{\π}}{2},0,\frac{\mathrm{\π}}{2},...,\frac{3\mathrm{\π}}{2}].$

步骤6：根据需要的调制相位面R_mn结合步骤2中LCOPA的液晶特性曲线计算出阵列中各LCOPA应加载的正确电压，根据相位面对照液晶特性曲线f_△φ-V，得到LCOPA加载的电压为V＝[0.025,0.25,0.3,0.35,0.025,0.25,...,0.35]

步骤7：给C_mn加载电压V＝[0.025,0.25,0.3,0.35,0.025,0.25,...,0.35]。通过控制中心的matlab程序生成波控数据，经液晶驱动电路传输至LCOPA的液晶驱动芯片。此时LCOPA调制入射激光实现设计相位面得到波束指向θ＝3°的合成激光。

合成激光仿真如图5图6所示。结论如下：

(1).4×3LCOPA阵列有效地实现了激光相干合成，C₁₁,C₁₂,C₁₃,...,C₄₃不加载电压时，相干合成位置在远场中心O'，合成激光具有0°的波束指向，合成激光峰值光强是单束激光的79倍，合成效率78％，合成激光主瓣功率是单束激光主瓣功率的11倍；

(2).C₁₁,C₁₂,C₁₃,...,C₄₃加载电压V＝[2,10,12,14,...，14]时，相干合成位置在远场3°附近(合成位置可在一定角度内任意指定)，合成激光具有3°的波束指向，与设定角度吻合，合成光峰值光强是单束光的103倍，合成光主瓣功率是单束光主瓣功率的10倍，合成效率73％；

(3).在远场3°实现相干合成与在远场中心O'实现相干合成都能够获得大功率的合成激光，相比在远场中心O'实现相干合成，合成位置在3°时合成激光的主瓣功率有所降低，但仍是单束激光的主瓣功率的10倍以上，而且合成激光与单束激光的主瓣半角宽度均为0.00125度，说明光束质量并未有明显降低。

由此表明我们提出的基于液晶相控阵阵列相干合成方法能够有效地实现激光的相干合成，是获取高功率、可变波束指向的激光束的一种切实可行的方法。

Claims (3)

1.一种采用液晶光学相控阵阵列的激光相干合成方法，该方法包括：

步骤1：选择合适的LCOPA，LCOPA包括液晶盒及并列设置于液晶盒表面的若干长条形电极,电极数量不小于2；

步骤2：给LCOPA加载不同电压，得到不同电压下的相干激光相位延迟，从而绘制出LCOPA的液晶特性曲线；

步骤3：将若干步骤2中的LCOPA按照矩阵的方式排列，所有的LCOPA光轴方向一致；

步骤4：根据实际需要确定合成后激光的波束指向；

步骤5：LCOPA中每根电极及其控制的液晶区域组成一个移相单元，根据偏转角度计算出激光透过各移相单元的相位延迟，组合各电极处相位延迟得到相位面；

步骤6：根据步骤5中的相位面结合步骤2中得到的LCOPA的液晶特性曲线计算出阵列中各LCOPA应加载的正确电压；

步骤7：给各LCOPA阵列输入相干激光，控制器控制液晶驱动电路给各LCOPA输入步骤5计算出的正确电压，得到波束指向正确的合成激光。

2.如权利要求1所述的一种采用液晶光学相控阵阵列的激光相干合成方法，其特征在于步骤5具体步骤为:

步骤5-1：根据偏转角度θ计算通过每个移相单元的激光相位延迟，根据公式：

计算出相位延迟其中d表示LCOPA中的电极间距，λ表示激光的波长；

步骤5-2：计算各列中第n个LCOPACn的出射激光的相位面R_n(x₀)，LCOPA的每根电极实现的相位延迟组合形成出射激光的相位面，其中表示电极t_m实现的相位延迟，M为电极的总个数。

3.如权利要求1所述的一种采用液晶光学相控阵阵列的激光相干合成方法，其特征在于步骤6具体步骤为：

步骤6-1：计算各列中第n个LCOPACn实现设计相位面R_n(x₀)所需加载的电压根据Cn的出射激光相位面得到Cn中t_m的相位延迟

步骤6-2：参照步骤2得到的液晶特性曲线，得到t_m的外加电压依此类推，得到Cn中所有电极t＝[t₁,t₂,t₃,...,t_M]加载的电压为按照相同的方法得到阵列中各LCOPA的加载电压。