CN104865769A - 基于光相控阵阵列实现相干合成光束连续二维偏转的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于光相控阵阵列实现相干合成光束连续二维偏转的方法。本发明首先根据合成光束的偏转方向，设计需要给各入射光束施加的二维线性相位面；然后确定各子阵的相位补偿量，以校正因各出射光束在远场相互干涉而产生的合成光斑的偏转误差；最后综合二维线性相位面和相位补偿量生成各个子阵最终的相位调制面，调制各入射激光的相位，使合成光束精确偏转到设定方向。重复本发明步骤能够实现合成光束在横向、纵向上进行连续偏转，即实现了连续二维偏转。

Description

基于光相控阵阵列实现相干合成光束连续二维偏转的方法

技术领域

本发明属于光相控阵激光相干合成技术领域，特别涉及合成光束偏转技术。

背景技术

由于受到掺杂光纤的非线性效应、热损伤、光学损伤等因素的影响，单根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。为了获得高功率高亮度激光输出，可以基于光相控阵系统将多台激光器的输出进行相干合成。相比于非相干合成，相干合成技术可以获得更高的峰值光强，并且可以使合成光束达到近衍射极限的光束质量。另一方面，光纤具有很强的灵活性，便于组装形成体积较小的光纤阵列，给基于光相控阵系统的激光相干合成带来极大的便利。

二维液晶光相控阵具有相位调制精度高、损伤阀值高、体积小等优点，是一种性能优良的光相控阵，适合用于相干合成系统中控制各入射激光的相位。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，可以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。

激光雷达、激光武器等领域迫切需要一种高精度高效率的波束连续偏转技术，以提高系统的灵活性和工作性能。目前的波束偏转技术主要分为两类，机械式波束偏转和非机械式波束偏转。机械式波束偏转主要是通过万向架等设备来实现，机械运动导致系统响应速度较慢，波束指向精度较低。非机械式波束偏转则是通过光相控阵电控方式来实现的，与机械式波束偏转相比，具有更快的响应速度，更高的偏转精度，并且可以降低系统功耗，减小系统体积，减轻系统重量。因此，合成光束的非机械式连续偏转对于将光束相干合成技术应用于激光雷达、激光武器等领域非常重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于二维液晶光相控阵阵列实现相干合成光束二维非机械式连续偏转的方法。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，基于光相控阵阵列实现相干合成光束连续二维偏转的方法，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，且纵向上相邻子阵之间中心到中心的距 离为D_η，横向上相邻子阵之间中心到中心的距离为D_ξ；各子阵的编号依次为(q,p)，其中q＝0,…,Q-1，p＝0,…,P-1；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，且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；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；

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任意一个二维偏转方向；

初始偏转步骤：将出射光束偏转到方向各相控单元的相位调制量为 其中m＝0,…,M-1，n＝0,…,N-1，Δφ_ξ、Δφ_η分别为各个子阵中横、纵向上相邻相控单元之间的相位差， ${\mathrm{\Δ\φ}}_{\mathrm{\ξ}}=-2{\mathrm{\πd}}_{\mathrm{\ξ}}\sin \left({\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}}_x\right)/\mathrm{\λ},{\mathrm{\Δ\φ}}_{\mathrm{\η}}=-{2\mathrm{\πd}}_{\mathrm{\η}}\sin \left({\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}}_y\right)/\mathrm{\λ};$

相位补偿量生成步骤：根据各个子阵的位置给其入射光施加一个相位补偿量 q＝0,…,Q-1,p＝0,…,P-1，其中，Δψ_ξ与Δψ_η为液晶光相控阵阵列中横、纵向上相邻子阵之间的相位差， ${\mathrm{\Δ\ψ}}_{\mathrm{\ξ}}=2{\mathrm{\πD}}_{\mathrm{\ξ}}\sin \left({\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}}_x\right)/\mathrm{\λ}$ 和 ${\mathrm{\Δ\ψ}}_{\mathrm{\η}}=2{\mathrm{\πD}}_{\mathrm{\η}}\sin \left({\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}}_x\right)/\mathrm{\λ};$

精确偏转步骤：第(q,p)个子阵中各相控单元的相位调制量为 其中m＝0,…,M-1，n＝0,…,N-1，q＝0,…,Q-1，p＝0,…,P-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相位调制量对应的电压代码v_qp(m,n)；

相位调制步骤：通过控制器将生成的电压代码v_qp(m,n)加载到液晶光相控阵阵列中相应的子阵中对应的相控单元上，调制各入射激光束的相位。

本发明提供了一种基于二维液晶光相控阵阵列实现相干合成光束连续二维偏转的方法，首先根据合成光束的偏转方向，设计需要给各入射光束施加的二维线性相位面；然后确定各子阵的相位补偿量，以校正因各出射光束在远场相互干涉而产生的合成光斑的偏转误差；最 后综合二维线性相位面和相位补偿量生成各个子阵最终的相位调制面，调制各入射激光的相位，使合成光束精确偏转到设定方向。在液晶光相控阵阵列的视场范围内改变合成光束的偏转方向，重复本发明步骤，经实验表明，通过相位补偿后，横向、纵向偏转角基本呈线性变化，也就是说合成光束能够在横向、纵向上进行连续偏转，即实现了连续二维偏转。

本发明的有益效果是，在获得高功率高亮度近衍射极限合成光束的同时，提高了合成光束的偏转精度，实现了合成光束在二维空间上的非机械式连续偏转。

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°,0.3°)时液晶光相控阵阵列中各子阵需对其入射激光束施加的二维线性相位面，(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为在给定偏转方向下阵列中各子阵需对其入射光束施加的相位补偿量。

图6为综合二维线性相位面和相位补偿量后3×3阵列中各子阵需生成的二维相位面。

图7为根据曲线和各个子阵的二维相位面查找到的各子阵的二维电压代码分布。

图8中(a)为第(0,0)个子阵的电压代码，(b)为该子阵中某一行相控单元的电压代码，(c)为该子阵中某一列相控单元的电压代码。

图9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10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。

图11为固定合成光束的纵向偏转角，只改变其横向偏转角时，合成光束的实际偏转结果；其中(a)为有相位补偿时合成光束的最终偏转结果，(b)为无相位补偿时合成光束的最终偏转结果，(c)为两种情形下合成光束实际横向偏转角的对比图。

图12为固定合成光束的横向偏转角，只改变其纵向偏转角时，合成光束的实际偏转结果；其中(a)为有相位补偿时合成光束的实际偏转结果，(b)为无相位补偿时合成光束的实际偏转结果，(c)为两种情形下合成光束实际纵向偏转角的对比图。

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；以液晶光相控阵阵列的左下角为起点，各子阵的编号依次(q,p)，其中q＝0,…,Q-1，p＝0,…，P-1。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，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 $\mathrm{\ω}\left(z\right)={\mathrm{\ω}}_0{[1+{\left(\frac{\mathrm{\λz}}{{\mathrm{\π\ω}}_0^2}\right)}^2]}^{\frac{1}{2}},R\left(z\right)=z[1+{\left(\frac{{\mathrm{\π\ω}}_0^2}{\mathrm{\λz}}\right)}^2],$ $\mathrm{\Φ}\left(z\right)=\arctan \left(\frac{\mathrm{\λz}}{{\mathrm{\π\ω}}_0^2}\right);$

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：确定单个子阵中横纵向上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Δφ_ξ和Δφ_η可分别由 ${\mathrm{\Δ\φ}}_{\mathrm{\ξ}}=-2{\mathrm{\πd}}_{\mathrm{\ξ}}\sin \left({\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}}_x\right)/\mathrm{\λ}$ 和 ${\mathrm{\Δ\φ}}_{\mathrm{\η}}=-2{\mathrm{\πd}}_{\mathrm{\η}}\sin \left({\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}}_y\right)/\mathrm{\λ}$ 给出。

步骤5：设计用于偏转各入射光束的二维线性相位面。相干合成系统中所有出射光束均需偏转到方向从而在远场因相互干涉进行相干合成；对于液晶光相控阵阵列中任一子阵来说，为使其出射光束偏转到方向需要对入射光束施加一个二维线性相位面；此时，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：确定阵列中横纵向上相邻子阵之间的相位差。横纵向上相邻子阵之间的相位差Δψ_ξ与Δψ_η可分别由 ${\mathrm{\Δ\ψ}}_{\mathrm{\ξ}}=2{\mathrm{\πD}}_{\mathrm{\ξ}}\sin \left({\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}}_x\right)/\mathrm{\λ}$ 和 ${\mathrm{\Δ\ψ}}_{\mathrm{\η}}=2{\mathrm{\πD}}_{\mathrm{\η}}\sin \left({\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}}_x\right)/\mathrm{\λ};$ 给出。

步骤7：生成各子阵的相位补偿量。除了前面的二维线性相位面，为提高合成光束的偏转精度，使其准确偏转到所设定的方向上，还需要根据各个子阵的位置给其入射光施加一个相位补偿量；各子阵的相位补偿量可由给出，其中q＝0,…,Q-1，p＝0,…,P-1。

步骤8：设计液晶光相控阵阵列的相位面。至此，可以确定液晶光相控阵阵列中所有子阵的相位调制面；第(q,p)个子阵中各相控单元的相位调制量为 其中m＝0,…,M-1，n＝0,…,N-1，q＝0,…,Q-1，p＝0,…,P-1。

步骤9：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_qp(m,n)，m＝0,…,M-1，n＝0,…,N-1，q＝0,…,Q-1，p＝0,…,P-1；曲线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加载电压，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，即得到曲线；

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_qp(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_qp(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10：调制各入射激光的相位。将步骤9中生成的电压代码v_qp(m,n)(其中m＝0,…,M-1，n＝0,…，N-1，q＝0,…,Q-1，p＝0,…,P-1)通过控制器加载到阵列中相应的相控单元上，调制入射激光束的相位，使其在方向上进行相干合成。

步骤11：改变合成光束的偏转方向。在阵列视场范围内任意改变合成光束的偏转方向，重复上述步骤4-10，使合成光束连续扫描视场范围内的二维空域。

实施例

步骤1：液晶光相控阵阵列由3×3个二维液晶光相控阵组成，横向上两个子阵中心到中心的距离为5×10^-3m，纵向上两个子阵中心到中心的距离为3.8×10^-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2：9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0.5m。

步骤3：合成光束的偏转方向取(0.5°,0.3°)，即合成光束向右偏转0.5°，向上偏转0.3°。

步骤4：横纵向上相邻相控单元之间的相位差分别为Δφ_ξ＝-0.2577rad和Δφ_η＝-0.1546rad。

步骤5：用于偏转的二维线性相位面为其中m＝0,…,599，n＝0,…,799，见图4(a)。图4中(b)和(c)分别是二维线性相位面中某一行和某一列相位调制量。

步骤6：横纵向上相邻子阵之间的相位差分别为Δψ_ξ＝257.6618rad和Δψ_η＝115.9488rad。

步骤7：各子阵的相位补偿量为其中q＝0,1,2,p＝0,1,2如图5所示。

步骤8：液晶光相控阵阵列的相位面由各个子阵的相位面组成，根据步骤5和步骤7可得第(q,p)个子阵的相位面为其中m＝0,…,599，n＝0,…,799，q＝0,1,2，p＝0,1,2，所有子阵的相位面示于图6中。这里需 要说明一点，从图3所示的静态特性曲线可知，实际上各子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所有二维线性相位面整体向上平移，使所有相控单元的相位调制量均大于或等于零。

步骤9：从图6可知，最大的相位调制量大于1000rad，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，使阵列中所有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_qp(m,n)，查找结果如图7所示。图8给出了第(0,0)个子阵的电压代码，其中(a)为二维电压代码，(b)和(c)则分别显示了该子阵中某一行和某一列相控单元的电压代码。

步骤10：将查找到的电压代码v_qp(m,n)加载到阵列中相应的相控单元上，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9和图10所示。图9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5.03×10¹⁰，偏转方向为(0.50°,0.30°)。图10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4.07×10¹²，偏转方向为(0.50°,0.30°)。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80.91倍，亦即此时的合成增益是80.91。而在所给参数下相干合成增益的理论预测值是81，仿真值与理论值基本一致，表明9路光束此时进行的是相干合成。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的二维偏转。

步骤11：首先固定合成光束的纵向偏转角为0.3°，在[-0.5°,0.5°]范围内改变合成光束的横向偏转角，用MATLAB仿真合成光束的实际偏转方向，结果如图11所示。图11中(a)为有相位补偿时合成光束的实际偏转情况，实线代表实际横向偏转角，虚线代表实际纵向偏转角；从中可以发现，此时合成光束的实际纵向偏转角保持在0.3°不变，实际横向偏转角呈线性变化，基本与设定的横向偏转角相等。(b)为无相位补偿时合成光束的实际偏转情况，此时合成光束的实际纵向偏转角保持在0.29°不变，实际横向偏转角虽然有呈线性增长趋势，但是曲线中有微小台阶。为方便观察两种情形下合成光束实际横向偏转角的不同，图11(c)给出了[-0.05°,0.05°]范围内二者的对比图，其中实线代表有相位补偿，虚线代表无相位补偿。从该 图可以清楚地看到无相位补偿时，合成光束的实际横向偏转角呈台阶状变化，也就是说此时合成光束的实际横向偏转角是离散的。施加相位补偿后，则有效地克服了这个问题，使合成光束能够在横向上连续偏转。

然后固定合成光束的横向偏转角为0.5°，在[-0.5°,0.5°]范围内改变合成光束的纵向偏转角，合成光束实际偏转方向的MATLAB仿真结果如图12所示。图12中(a)为有相位补偿时合成光束的实际偏转情况，此时合成光束的实际横向偏转角保持在0.5°不变，实际纵向偏转角基本等于设定的纵向偏转角。(b)为无相位补偿时合成光束的实际偏转情况，此时实际横向偏转角保持在0.5°不变，实际纵向偏转角不再处处与设定的纵向偏转角相等。为便于观察两种情形下合成光束实际纵向偏转角的不同，图12(c)给出了[-0.05°,0.05°]范围内二者的对比图。显然无相位补偿时，合成光束的实际纵向偏转角呈台阶状变化，亦即此时合成光束的实际纵向偏转角是离散的。施加相位补偿后，实际纵向偏转角基本呈线性变化，也就是说合成光束能够在纵向上进行连续偏转。

综上所述，本发明的方法可以实现合成光束在液晶光相控阵阵列视场范围内的非机械式连续二维偏转。实施例中的所取视场范围[-0.5°,0.5°]×[-0.5°,0.5°]只是所给阵列视场范围的一部分，阵列的全部视场范围约为[-6°,6°]×[-6°,6°]。

Claims (1)

1.基于光相控阵阵列实现相干合成光束连续二维偏转的方法，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，且纵向上相邻子阵之间中心到中心的距离为D_η，横向上相邻子阵之间中心到中心的距离为D_ξ；各子阵的编号依次为(q,p)，其中q＝0,…,Q-1，p＝0,…,P-1；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，且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；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；

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，束腰半径为ω₀，束腰所在位置与其所对应的液晶光相控阵的距离为z₀；

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任意一个二维偏转方向；

初始偏转步骤：将出射光束偏转到方向各相控单元的相位调制量为 其中m＝0,…,M-1，n＝0,…,N-1，△φ_ξ、△φ_η分别为各个子阵中横、纵向上相邻相控单元之间的相位差，

相位补偿量生成步骤：根据各个子阵的位置给其入射光施加一个相位补偿量 q＝0,…,Q-1,p＝0,…,P-1，其中，△ψ_ξ与△ψ_η为液晶光相控阵阵列中横、纵向上相邻子阵之间的相位差，和

精确偏转步骤：第(q,p)个子阵中各相控单元的相位调制量为 其中m＝0,…,M-1，n＝0,…,N-1，q＝0,…,Q-1，p＝0,…,P-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_qp(m,n)；

相位调制步骤：通过控制器将生成的电压代码v_qp(m,n)加载到液晶光相控阵阵列中相应的子阵中对应的相控单元上，调制各入射激光束的相位。