CN104865768A - 基于二维液晶光相控阵阵列的激光相干合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于二维液晶光相控阵阵列的激光相干合成方法。为实现更多路激光束的相干合成并灵活控制各个激光束的相位，本发明将多个二维液晶光相控阵按一定规则排列组成一个大的液晶光相控阵阵列，其中每个二维液晶光相控阵可以看作液晶光相控阵阵列的一个子阵，各子阵可以独立进行控制。本发明可获得高功率高亮度的合成光束，并使合成光束在二维空间上进行非机械式偏转，减轻了系统重量，减小了系统体积，降低了系统功耗。

Description

基于二维液晶光相控阵阵列的激光相干合成方法

技术领域

本发明属于激光相干合成技术领域，特别涉及光相控阵激光相干合成技术。

背景技术

高功率高亮度激光在激光加工、材料处理、激光武器、光电对抗、激光雷达等领域具有广泛且重要的应用前景。与固体和气体激光器相比，光纤激光器具有结构简单紧凑、光电转换效率高、散热效果好、激光阈值低、可调谐范围宽、光束质量好等优点，因而受到越来越多的重视和研究。但由于受到掺杂光纤的非线性效应、光暗化、熔接损耗、热损伤、激光损伤、泵浦耦合效率低等因素的影响，单台光纤激光器的输出功率有限，而且再单纯提高单台激光器的输出功率会导致激光器体积庞大，高耗能等问题，对材料的要求也会更加苛刻。于是人们开始研究将多台激光器的输出光束进行合成以获得高功率激光的方法。目前常用的光束合成方法分为两大类，即光束相干合成和非相干合成。非相干合成通过一系列光束整形和变换，将N台激光器的输出功率进行简单叠加，各个输出光束之间没有相位关系，虽然总输出功率会提高N倍，但光束质量将有所下降，合成光斑的亮度不会提高。而相干合成通过控制各个激光器输出光束的相位，使这些激光束在远场因相互干涉而实现相干叠加，在总输出功率提高N倍的同时，合成光斑中心峰值光强可以提高N²倍，从而获得高功率高亮度近衍射极限的合成光斑。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能同时实现二维偏转的基于二维液晶光相控阵阵列的激光相干合成方法。

本发明所要解决的技术问题是，基于二维液晶光相控阵阵列的激光相干合成方法，包括以下步骤：

相控阵阵列构建步骤：液晶光相控阵阵列由Q×P个二维液晶光相控阵组成，其中纵向上每一列包含Q个子阵，横向上每一行包含P个子阵，单个子阵包含M×N个相控单元，其中纵向上每列包含M个相控单元，横向上每行包含N个相控单元，单个子阵中各相控单元的编号依次为(m,n)，其中m＝0,…,M-1，n＝0,…,N-1；纵向上相邻相控单元中心到中心的距离为d_η，横向上相邻相控单元中心到中心的距离为d_ξ；

激光束参数配置步骤：相干合成系统中参与合成的激光束的数量为Q×P路，激光束与液晶光相控阵阵列中的子阵一一对应且垂直入射；各路光束均为基模高斯光束，波长为λ；

偏转方向设置步骤：设置合成光束的偏转方向为液晶光相控阵阵列视场范围内的任意一个二维偏转方向；

相位差确定步骤：确定各个子阵中横、纵向相邻相控单元之间的相位差△φ_ξ及△φ_η，横向相邻相控单元之间的相位差纵向相邻相控单元之间的相位差 ${\mathrm{\Δ\φ}}_{\mathrm{\η}}=-2\mathrm{\π}{d}_{\mathrm{\η}}\sin \left({\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}}_y\right)/\mathrm{\λ};$

相位面设计步骤：为使参与合成的所有光束均偏转到方向每个子阵中各相控单元的相位调制量的计算方法为其中m＝0,…,M-1，n＝0,…,N-1；

电压代码生成步骤：通过查找二维液晶光相控阵的曲线得到与相位调制量对应的电压代码v(m,n)；

相位调制步骤：通过控制器将生成的电压代码v(m,n)对应加载到各子阵中相应的相控单元上来调制各入射激光束的相位。

二维液晶光相控阵具有相位调制精度高、高损伤阀值、体积小、宽双折射率范围、宽波段、低驱动电压、低成本和工艺成熟等优点，应用于光束相干合成之中具有巨大的优势。为实现更多路激光束的相干合成并灵活控制各个激光束的相位，本发明将多个二维液晶光相控阵按一定规则排列组成一个大的液晶光相控阵阵列，其中每个二维液晶光相控阵可以看作液晶光相控阵阵列的一个子阵，各子阵可以独立进行控制。

本发明通过给各入射光束施加相同的二维相位调制，使其偏转到相同方向，在远场因干涉而进行相干合成，从而获得高功率高亮度的合成光束。基于二维液晶光相控阵阵列的光束相干合成不仅可以获得高功率高质量的合成光束，而且可以实现合成光束在二维方向上的非机械式波束偏转。相比一维非机械式波束偏转技术，二维波束偏转技术可以显著提高合成波束在空间的扫描范围，进而扩展激光相干合成技术的应用范围，尤其是可以促进光束相干合成技术在激光雷达、激光武器等领域的应用。

本发明的有益效果是，可以获得高功率高亮度的合成光束，并使合成光束在二维空间上进行非机械式偏转，减轻了系统重量，减小了系统体积，降低了系统功耗。

附图说明

图1为实施例的流程图。

图2中(a)为本发明中构造的液晶光相控阵阵列模型，(b)为组成该阵列的单个二维液晶光相控阵模型。

图3为单个二维液晶光相控阵的曲线。

图4中(a)为合成光束偏转到方向(0.5°,0.65°)时液晶光相控阵阵列中各个子阵需对其入射激光束施加的二维相位面，(b)为该二维相位面中某一行相位分布，(c)为该二维相位面中某一列相位分布。

图5中(a)为查找到的与二维相位面对应的单个子阵的电压代码，(b)为单个子阵中某一行相控单元的电压代码，(c)为单个子阵中某一列相控单元的电压代码。

图6中(a)为单束出射激光的远场光斑，(b)为该光斑过中心的横向切面的光强分布，(c)为该光斑过中心的纵向切面的光强分布。

图7中(a)为合成光束的远场光斑，(b)为该光斑过中心的横向切面的光强分布，(c)为该光斑过中心的纵向切面的光强分布。

具体实施方式

基于本发明的一种优选方法的流程图如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：构建液晶光相控阵阵列。本发明构造的液晶光相控阵阵列如图2(a)所示，由Q×P个二维透射式液晶光相控阵组成；每一行包含P个子阵，相邻子阵中心到中心的间距为D_ξ；每一列包含Q个子阵，相邻子阵中心到中心的间距为D_η。单个二维液晶光相控阵的模型如图2(b)所示，包含M×N个相控单元，其中每一行包含N个相控单元，相邻相控单元中心到中心的距离为d_ξ；每一列包含M个相控单元，相邻相控单元中心到中心的距离为d_η；以二维液晶光相控阵的左下角为起点，右上角为终点，各相控单元的编号依次为(m,n)，其中m＝0,…,M-1，n＝0,…,N-1。

步骤2：配置入射激光束的参数。如图2(a)所示，相干合成系统中共有Q×P路入射激光束，与各子阵一一对应且垂直入射；各路光束均为高斯光束，波长为λ，束腰半径为ω₀，束腰与对应的子阵之间的距离为z₀。基模高斯光束是指复振幅可表示为下式的激光束：

$E(x,y;z)=\frac{c}{\mathrm{\ω}\left(z\right)}\exp [-\frac{x^2+y^2}{{\mathrm{\ω}}^2\left(z\right)}]\exp \{-i[k(z+\frac{x^2+y^2}{2R\left(z\right)})+\mathrm{\Φ}\left(z\right)\left]\right\}$

其中，c为常数因子，z为激光束传播方向所在坐标轴(一般称为z轴)上的坐标，x、y分别为与z轴垂直的平面内的横纵坐标轴上的坐标，ω(z)、R(z)、Φ(z)分别为高斯光束的截面半径、波面曲率半径和位相因子，且有 $\mathrm{\ω}\left(z\right)={\mathrm{\ω}}_0{[1+{\left(\frac{\mathrm{\λz}}{\mathrm{\π}{\mathrm{\ω}}_0^2}\right)}^2]}^{\frac{1}{2}},R\left(z\right)=z[1+{\left(\frac{{\mathrm{\π\ω}}_0^2}{\mathrm{\λz}}\right)}^2],$ $\mathrm{\Φ}\left(z\right)=\arctan \left(\frac{\mathrm{\λz}}{\mathrm{\π}{\mathrm{\ω}}_0^2}\right);$

步骤3：设置合成光束的偏转方向。将合成光束的偏转方向设置为为液晶光相控阵阵列视场范围内的任一偏转方向，这里和可取正值也可取负值，不过正负号仅表示光束的偏转方向；对来说，正号表示光束向右偏转，负号表示光束向左偏转；对来说，正号表示光束向上偏转，负号表示光束向下偏转。

步骤4：确定各个子阵中横纵向相邻相控单元间的相位差。横纵向上相邻相控单元间的相位差△φ_ξ和△φ_η可分别由 ${\mathrm{\Δ\φ}}_{\mathrm{\ξ}}=-2\mathrm{\π}{d}_{\mathrm{\ξ}}\sin \left({\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}}_x\right)/\mathrm{\λ}$ 和 ${\mathrm{\Δ\φ}}_{\mathrm{\η}}=-2\mathrm{\π}{d}_{\mathrm{\η}}\sin \left({\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}}_y\right)/\mathrm{\λ}$ 给出。

步骤5：设计各个子阵的调制相位面。液晶光相控阵阵列中所有子阵对其入射光束施加相同的相位调制，以使相干合成系统中参与合成的所有光束均偏转到方向从而在远场进行相干合成；每个子阵中各相控单元的相位调制量的计算方法为其中m＝0,…,M-1，n＝0,…,N-1。

步骤6：生成加载到各个子阵上的电压代码。根据二维液晶光相控阵的曲线查找与相位调制量对应的电压代码v(m,n)；曲线就是二维液晶光相控阵的电压相移静态特性曲线，给二维液晶光相控阵中所有相控单元施加相同的某一电压时，会产生一个与之对应的相位调制，在一定范围内连续改变电压，就可以得到二维液晶光相控阵在不同电压下的相位调制量，即曲线。各子阵的电压相移静态特性曲线如图3所示，每一个相位调制量都可以找到一个对应的电压代码v(m,n)。从图3中的静态特性曲线可知，二维液晶光相控阵的最大相位调制量达到了3.6πrad左右。实际上，二维液晶光相控阵最大的相位调制量只需2πrad即可，故在查找与对应的电压代码时，原则上可以选取任意一段区间长度为2π的相位调制量区间来查找相应的电压代码v(m,n)。不过考虑到不同的区间段，二维液晶光相控阵的相位调制效果有些许差异，可以通过实验进行调整，选取较合适的一个区间段。

步骤7：调制各入射激光的相位。将步骤6中生成的电压代码v(m,n)(其中m＝0,…,M-1，n＝0,…,N-1)通过控制器加载到各子阵中对应的相控单元上，给各入射激光束调制上所设计的相位面，使其在方向上进行相干合成，获得高功率高亮度的合成光束。

实施例

步骤1：液晶光相控阵阵列由2×2个二维液晶光相控阵组成，纵向上两个子阵中心到中心的距离为3.8×10^-3m，横向上两个子阵中心到中心的距离为5×10^-3m。单个子阵包含600×800个相控单元，横纵向上相邻相控单元中心到中心的距离均为5×10^-6m。

步骤2：4路入射激光束的波长均为1.064×10^-6m，束腰半径均为1.5×10^-3m，束腰与对应的子阵之间的距离均为1m。

步骤3：合成光束的偏转方向取(0.5°,0.65°)，即合成光束向右偏转0.5°，向上偏转0.65°。

步骤4：横纵向上相邻相控单元之间的相位差分别为△φ_ξ＝-0.2577rad和△φ_η＝-0.335rad。

步骤5：每个子阵中各相控单元的相位调制量为其中m＝0,…,599，n＝0,…,799，见图4(a)。图4中(b)和(c)分别是各个子阵中某一行和某一列相控单元的相位调制量。这里需要说明一点，从图3所示的静态特性曲线可知，实际上二维液晶光相控阵的相位调制量为正值，故这里在保持各相控单元之间的相对相位不变的情况下将调制相位面整体向上平移，使各相控单元的相位调制量均大于或等于零。

步骤6：从图4可知，最大的相位调制量大于400rad，为方便查找电压代码，在查找过程中我们会对各个相位调制量关于2π作取余运算，使各相控单元的相位调制量均在[0,2π]范围内。根据图3所示的静态特性曲线，我们选取相位调制区间[15.5,21.78]来查找与各相位调制量对应的电压代码v(m,n)，查找结果如图5(a)所示。图5中(b)和(c)分别是(a)的横向和纵向切面，分别显示了各个子阵中某一行和某一列相控单元的电压代码。

步骤7：将查找到的电压代码v(m,n)加载到液晶光相控阵阵列的各子阵上，对各入射光束进行相位调制，观察合成光束的远场光斑。基于MATLAB软件的仿真结果如图6和图7所示。图6中(a)为单束出射光束的远场光斑，(b)为该光斑过中心的横向切面的光强分布，(c)为该光斑过中心的纵向切面的光强分布；此时单束出射激光的峰值强度为5.133×10¹⁰，偏转方向为(0.50°,0.65°)。图7中(a)为合成光束的远场光斑，(b)为该光斑过中心的横向切面的光强分布，(c)为该光斑过中心的纵向切面的光强分布；此时合成光束的峰值光强为8.21×10¹¹，偏转方向为(0.50°,0.65°)。由上述数据可知，合成光束的峰值光强是单束出射激光峰值光强的15.99倍，亦即此时的合成增益是15.99。而在所给参数下相干合成增益的理论预测值是16，仿真值与理论值基本一致，微小误差是由仿真数据的精度不够引起的。因此相干合成可以获得高功率高亮度的合成激光。同时，合成光束的偏转方向与单束出射激光的偏转方向相同，表明基于二维液晶光相控阵阵列的激光相干合成可以实现合成光束在二维空间内的偏转。

Claims (1)

1.基于二维液晶光相控阵阵列的激光相干合成方法，其特征在于，包括以下步骤：

相控阵阵列构建步骤：液晶光相控阵阵列由Q×P个二维液晶光相控阵组成，其中纵向上每一列包含Q个子阵，横向上每一行包含P个子阵，单个子阵包含M×N个相控单元，其中纵向上每列包含M个相控单元，横向上每行包含N个相控单元，单个子阵中各相控单元的编号依次为(m,n)，其中m＝0,…,M-1，n＝0,…,N-1；纵向上相邻相控单元中心到中心的距离为d_η，横向上相邻相控单元中心到中心的距离为d_ξ；

激光束参数配置步骤：相干合成系统中参与合成的激光束的数量为Q×P路，激光束与液晶光相控阵阵列中的子阵一一对应且垂直入射；各路光束均为基模高斯光束，波长为λ；

偏转方向设置步骤：设置合成光束的偏转方向为液晶光相控阵阵列视场范围内的任意一个二维偏转方向；

相位差确定步骤：确定各个子阵中横、纵向相邻相控单元之间的相位差Δφ_ξ及Δφ_η，横向相邻相控单元之间的相位差纵向相邻相控单元之间的相位差 $\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\η}}=-2\mathrm{\π}{d}_{\mathrm{\η}}\sin \left({\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}}_y\right)/\mathrm{\λ};$

相位面设计步骤：为使参与合成的所有光束均偏转到方向每个子阵中各相控单元的相位调制量的计算方法为其中m＝0,…,M-1，n＝0,…,N-1；

电压代码生成步骤：通过查找二维液晶光相控阵的曲线得到与相位调制量对应的电压代码v(m,n)；

相位调制步骤：通过控制器将生成的电压代码v(m,n)对应加载到各子阵中相应的相控单元上来调制各入射激光束的相位。