CN105739213A - 一种液晶光学相控阵角度放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种液晶光学相控阵角度放大器，包括X方向上的级联液晶偏振光栅、Y方向上的级联液晶偏振光栅、液晶波片驱动、出射光束偏振态转换波片。本发明通过设置液晶偏振光栅的周期，在二维空间内实现指向角度的均匀离散分布，并使得毗邻指向角度的间隔与液晶光学相控阵本身的扫描范围相同；通过设计液晶偏振光栅的级联结构，避免斜入射激光束情形对效率耗散的影响，使得角度放大器具有最优的衍射效率；通过优化每一级液晶波片上的加载电压，实现每一级液晶偏振光栅前的偏振态精确控制，使得每一级的衍射效率最优化。

Description

一种液晶光学相控阵角度放大器

技术领域

本发明涉及主动光电系统中的激光束液晶光学相控阵无机械扫描控制领域，具体是指一种液晶光学相控阵角度放大器。

背景技术

液晶光学相控阵技术是一种用于主动光电系统激光束无机械扫描控制的新型技术，可以用于此类主动光电系统的激光束发射、跟瞄等应用。激光束扫描范围是表征液晶光学相控阵应用性能的一个关键指标，实际中需要在液晶光学相控阵中级联角度放大装置来提高激光束的扫描范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种液晶光学相控阵角度放大器，解决现有技术中的液晶光学相控阵存在的机械控制范围小、难控制的问题。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种液晶光学相控阵角度放大器，其特征在于：包括

X方向上的级联液晶偏振光栅：用于将入射激光束在X方向上进行角度放大；

Y方向上的级联液晶偏振光栅：用于将入射激光束在Y方向上进行角度放大；

液晶波片驱动：控制X方向上的级联液晶偏振光栅和Y方向上的级联液晶偏振光栅的周期，使其在二维空间内指向角度的均匀离散分布，并使得毗邻指向角度的间隔与液晶光学相控阵本身的扫描范围相同；

出射光束偏振态转换波片：用于将出射激光束从圆偏振态转换为线偏振态。

本发明通过设置液晶偏振光栅的周期，在二维空间内实现指向角度的均匀离散分布，并使得毗邻指向角度的间隔与液晶光学相控阵本身的扫描范围相同；通过设计液晶偏振光栅的级联结构，避免斜入射激光束情形对效率耗散的影响，使得角度放大器具有最优的衍射效率；通过优化每一级液晶波片上的加载电压，实现每一级液晶偏振光栅前的偏振态精确控制，使得每一级的衍射效率最优化。

所述X方向上的级联液晶偏振光栅包括四个级联的液晶偏振光栅，还包括与四个液晶偏振光栅一一对应的液晶波片，液晶波片分别控制液晶偏振光栅的偏振态。

所述Y方向上的级联液晶偏振光栅包括四个级联的液晶偏振光栅，还包括与四个液晶偏振光栅一一对应的液晶波片，液晶波片分别控制液晶偏振光栅的偏振态。

具体的讲，X方向上的级联液晶偏振光栅的光栅矢量方向相互平行，Y方向上的级联液晶偏振光栅的光栅矢量方向相互平行，在空间内，X方向上的级联液晶偏振光栅的光栅矢量方向与Y方向上的级联液晶偏振光栅的光栅矢量方向相互垂直。通过对应的液晶波片来调整，从而控制将前一级入射的圆偏振光转换为左旋圆偏振光或右旋圆偏振光。

所述X方向上的液晶偏振光栅、Y方向上的液晶偏振光栅中的任意一个液晶偏振光栅的相位延迟量为，X方向上的液晶波片与Y方向上的液晶波片中每个液晶波片的相位延迟量为，或，由液晶波片电控精确控制，以实现对每个液晶偏振光栅入射光的左旋或右旋圆偏振控制。

所述X方向上的液晶偏振光栅中，不同位置处的液晶偏振光栅晶轴的方位角呈周期均匀排列，Y方向上的液晶偏振光栅中，不同位置处的液晶偏振光栅晶轴的方位角呈周期均匀排列。

所述X方向上的液晶偏振光栅级联后，x方向上，出射光与入射光之间的关系可以表达为：

其中为第n级液晶偏振光栅前的光束偏振态，左旋圆偏振光为1，右旋圆偏振光为0；为第n级液晶偏振光栅的周期，N为液晶偏振光栅的总数。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1本发明一种液晶光学相控阵角度放大器，通过设置液晶偏振光栅的周期，在二维空间内实现指向角度的均匀离散分布，并使得毗邻指向角度的间隔与液晶光学相控阵本身的扫描范围相同；通过设计液晶偏振光栅的级联结构，避免斜入射激光束情形对效率耗散的影响，使得角度放大器具有最优的衍射效率；通过优化每一级液晶波片上的加载电压，实现每一级液晶偏振光栅前的偏振态精确控制，使得每一级的衍射效率最优化；

2本发明一种液晶光学相控阵角度放大器，适宜于大范围角度放大的技术，可以将液晶光学相控阵的无机械、高精度扫描范围提高到80°以上，利用级联液晶偏振光栅作为液晶光学相控阵的角度放大装置，使得液晶光学相控阵在光电对抗、激光雷达、空间激光通信等领域的激光束发射、跟瞄等应用领域具有广阔的应用前景。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1本发明的总体结构示意图；

图2液晶偏振光栅光束偏转原理图；

图3级联液晶偏振光栅的放置示意图。

附图中标记及相应的零部件名称：

31、32、33、34均表示X方向上的液晶偏振光栅，21、22、23、24均表示与X方向上的液晶偏振光栅对应的液晶波片，51、52、53、54均表示Y方向上的液晶偏振光栅，41、42、43、44均表示与Y方向上的液晶偏振光栅对应的液晶波片,6为出射光束偏振态转换波片。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

如图1所示，本发明一种液晶光学相控阵角度放大器，包括X方向上的液晶偏振光栅31-34、及用于其偏振态控制的液晶波片21-24、Y方向上的液晶偏振光栅51-54、及用于其偏振态控制的液晶波片41-44、液晶波片控制器1和出射光束偏振态转换波片6，其中X方向上的级联液晶偏振光栅31-34的光栅矢量方向相互平行，Y方向上的级联液晶偏振光栅51-54的光栅矢量方向相互平行，在空间内，X方向上的级联液晶偏振光栅的光栅矢量方向与Y方向上的级联液晶偏振光栅的光栅矢量方向相互垂直，分别实现X方向与Y方向的角度放大。液晶波片控制器1负责向X方向液晶波片21-24和Y方向液晶波片41-44的电压加载，从而使得不同角度入射的激光束的偏振态可以根据需要设置为左旋圆偏振态或右旋圆偏振态，其中液晶波片21可以通过电控设置为波片或波片，使得从液晶光学相控阵入射的线偏振光转换为左旋圆偏振光或右旋圆偏振光；液晶波片22-24和液晶波片41-44可以通过电控设置为波片或波片，从而控制将前一级入射的圆偏振光转换为左旋圆偏振光或右旋圆偏振光；液晶波片6主要是通过电控设置为波片，用于将出射激光束从圆偏振态转换为线偏振态。

如图2，给出了液晶偏振光栅角度放大的基本原理。液晶偏振光栅的相位延迟量为，同时不同位置处的液晶晶轴的方位角呈周期均匀排列，前后各加一波片，则最终出射激光的相位与液晶晶轴的方位角成正比例变化，并呈线性变化，形成了闪耀的锯齿相位光栅，实现对入射激光以几乎100%衍射效率的闪耀偏转。N级液晶偏振光栅级联后，x方向上，出射光与入射光之间的关系可以表达为：

其中为第n级液晶偏振光栅前的光束偏振态，左旋圆偏振光为1，右旋圆偏振光为0；为第n级液晶偏振光栅的周期。

为了实现出射角度的均匀可控离散，在组合取值的前提下，设置每一级液晶偏振光栅的周期存在如下关系：

每一级液晶偏振光栅的周期存在上述关系后，放大器可以在空间以均匀离散间隔进行扫描。为了实现液晶光学相控阵的角度放大，放大器毗邻离散扫描角度的间隔应与液晶光学相控阵的扫描范围相同，即第一级液晶偏振光栅的周期与液晶光学相控阵的扫描范围之间存在如下关系：

如图3所示，为了避免斜入射对液晶偏振光栅衍射效率的耗散，在每个维度上进行液晶偏振光栅的级联时，根据液晶偏振光栅周期的由小至大顺序，将液晶偏振光栅自作至右放置，这种结构可以保证大范围角度放大时最优的衍射效率；同时为了避免斜入射对于偏振态控制的影响，在液晶波片控制器内部加载相应的优化算法，可以对每一级液晶偏振光栅前的偏振态进行自适应控制，从而使得远场的衍射效率最优。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种液晶光学相控阵角度放大器，其特征在于：包括

X方向上的级联液晶偏振光栅：用于将入射激光束在X方向上进行角度放大；

Y方向上的级联液晶偏振光栅：用于将入射激光束在Y方向上进行角度放大；

液晶波片驱动（1）：控制X方向上的级联液晶偏振光栅和Y方向上的级联液晶偏振光栅的周期，使其在二维空间内指向角度的均匀离散分布，并使得毗邻指向角度的间隔与液晶光学相控阵本身的扫描范围相同；

出射光束偏振态转换波片（6）：用于将出射激光束从圆偏振态转换为线偏振态。

2.根据权利要求1所述的一种液晶光学相控阵角度放大器，其特征在于：所述X方向上的级联液晶偏振光栅包括四个级联的液晶偏振光栅（31、32、33、34），还包括与四个液晶偏振光栅（31、32、33、34）一一对应的液晶波片（21、22、23、24），液晶波片（21、22、23、24）分别控制液晶偏振光栅（31、32、33、34）的偏振态。

3.根据权利要求1所述的一种液晶光学相控阵角度放大器，其特征在于：所述Y方向上的级联液晶偏振光栅包括四个级联的液晶偏振光栅（51、52、53、54），还包括与四个液晶偏振光栅（51、52、53、54）一一对应的液晶波片（41、42、43、44），液晶波片（41、42、43、44）分别控制液晶偏振光栅（51、52、53、54）的偏振态。

4.根据权利要求2或3所述的一种液晶光学相控阵角度放大器，其特征在于：所述X方向上的液晶偏振光栅（31、32、33、34）、Y方向上的液晶偏振光栅（51、52、53、54）中的任意一个液晶偏振光栅的相位延迟量为，X方向上的液晶波片（22、23、24）与Y方向上的液晶波片（41、42、43、44）中每个液晶波片的相位延迟量为或，由液晶波片电控精确控制。

5.根据权利要求2或3所述的一种液晶光学相控阵角度放大器，其特征在于：所述X方向上的液晶偏振光栅（31、32、33、34）中，不同位置处的液晶偏振光栅晶轴的方位角呈周期均匀排列，Y方向上的液晶偏振光栅（51、52、53、54）中，不同位置处的液晶偏振光栅晶轴的方位角呈周期均匀排列。

6.根据权利要求1所述的一种液晶光学相控阵角度放大器，其特征在于：所述X方向上的液晶偏振光栅（31、32、33、34）级联后，x方向上，出射光与入射光之间的关系可以表达为：

其中为第n级液晶偏振光栅前的光束偏振态，左旋圆偏振光为1，右旋圆偏振光为0；为第n级液晶偏振光栅的周期，N为液晶偏振光栅的总数。