CN106169688A - 基于调谐激光器的高速、大角度光束扫描方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光束角度精密控制领域，提出了一种基于调谐激光器的高速、高精度、大角度光束扫描方法及装置。本发明摒弃了传统光束扫描采用的机械式光束偏转方式，克服了光学相控阵式光束偏转的不足；采用调谐激光器和一种色散分光装置，使得光束在大角度范围内、高扫描速度(10MHz以上)的情况下实现精确扫描。该扫描方法及其装置在大角度光束扫描的情况下，能保持较高的出射光束质量，其发散角可以控制在2mrad以下。本发明具有高扫描速度、大扫描角度、高角度控制精度以及高光束质量等特点，在激光雷达、空间激光通信等诸多领域有广阔的应用前景。

Description

基于调谐激光器的高速、大角度光束扫描方法及装置

技术领域

本发明涉及光束角度精密控制领域，涉及的是一种基于调谐激光器的高速、大角度光束扫描方法及其装置。

背景技术

光束扫描技术从以照明为单一目的的旋转探照灯，发展到现在已经被广泛应用于光学雷达、空间光通信、光信息处理和存储、3D打印和三维立体成像等高新科技领域中。目前，光束扫描技术主要是指对光束的出射方向进行精确控制以及定位的技术。依据扫描的方式，光束扫描技术一般可分为机械式和纯电控式二种；依据扫描的维度可以将光束扫描技术分为一维扫描、面扫描和三维扫描。光束扫描技术传统上一般采用机械式结构，如：振镜扫描、转鼓扫描、光楔扫描等技术。传统机械式结构技术具有扫描发射效率高、扫描视场广等优点，但其受限于尺寸和精度，一般该技术的角度定位精度差、扫描速度较慢、系统稳定性差，这些弱点限制了它的进一步发展。由于传统机械式扫描技术的发展受到自身因素的限制，人们很早就开始思考和研究下一代光束扫描技术。

纯电控式扫描技术是目前光束扫描技术发展趋势，它具有尺寸小、质量轻、能耗低、精度高以及偏转速度快等优点，一般该扫描技术是基于光学相控阵的原理。经过近些年的发展，纯电控式光束扫描技术主要发展了声光扫描、电光扫描、光学相控阵扫描、全息扫描以及液晶扫描等几大研究方向。这些技术勿需机械运动就可实现光束扫描，具有扫描速度快、指向精度和空间分辨率可以做得很高、易于实现小型化和多功能化等优点,具有广阔的应用前景。声光式光束扫描技术是利用光弹效应使光束偏转，其响应的速度受到声波的限制，能够实现的扫描范围有限，且有改变光波频率的缺点。电光式光束扫描技术是利用泡克耳斯效应或克尔效应，具有响应速度快的优点，但其驱动电压高、功耗高。除此之外，电光调制器件的口径比较小，不适合大角度光束扫描。光学相控阵扫描技术是通过采用电子控制的方法,调节从各个移相器辐射出的光波的相位,实现光束的大角度偏转。由于目前的移相器尺寸限制，光学相控阵扫描技术实现光束偏转的过程会产生大量旁瓣光束，这将对扫描系统产生严重影响(如：C.T.DeRose,R.D.Kekatpure,et al.,Electronicallycontrolled opticalbeam-steering by an active phased arrayof metallicnanoantennas.Opt.Express,2013,21(4):5198-5208)。全息光栅光束扫描方法是在玻璃基底上制作多个全息光栅，不同方向的小角度入射光束将产生不同方向的大角度出射光束，但前提是必须有能够产生不同入射角度的精细光束偏转装置。液晶光束扫描技术就是利用液晶分子取向可以电控的特性实现纯电控式光束偏转的。但由于目前液晶材料的响应速度限制(10kHz)，通光口径的限制(Y.H.Lin,M.Mahajan,D.Taber,et al，Compact 4cmaperture transmissive liquid crystal optial phased array for free-spaceoptical communications.Proc.SPIE,5892,5892001,2005)，液晶光束扫描技术主要应用于小角度，高精度光束扫描领域。依据目前关于光束扫描的研究现状，上述纯电控式光束扫描方法虽然具有较好的研究和应用前景，但在实际应用中仍存在一些缺陷。特别是在高速、大角度光束扫描发展方向上，至今为止还没有一种可靠的纯电控式光束扫描技术。因此，加大光束扫描技术相关新概念和新材料的研究力度是非常有必要的。

发明内容

本发明提出了一种基于调谐激光器的高速、大角度光束扫描方法。解决高速、大角度光束扫描的技术难题，克服旁瓣光束、控制复杂和通光孔径小等各种扫描技术缺陷。

为了实现上述技术目的、克服上述各种不足，本发明首先提供一种基于调谐激光器的高速、大角度光束扫描方法，包括如下步骤：

步骤一：选取一个可高速调谐、大范围调谐的调谐激光器；

步骤二：使光束经过强度调制器调制产生高速光脉冲，并通过控制强度调制器的驱动信号，改善调谐激光器的调谐效果，提高调谐激光器输出波长的边模抑制比；

步骤三：将高速光脉冲通过光放大器和光准直器，光放大器与所述强度调制器相结合实现对输出光功率的大范围实时调节，产生高功率高质量的高速光脉冲；

步骤四：所述高速光脉冲经准直之后，经过色散分光使得波长与角度相关联；于是，通过改变调谐激光器的输出波长使得到的光束获得不同的偏转角度；所述调谐激光器的波长调谐范围决定扫描角度的范围，波长控制精度决定偏转角度的精度，输出波长调谐速度决定光束扫描的速度；

步骤五：使光束经过发射天线进行发射角度放大、光束整形处理，获得高质量的光束发射出去，这样能够在大角度范围内精确控制光束的扫描角度；

步骤六：通过光接收单元对回波信号进行采集与处理；

步骤七：主控单元对光接收单元采集的信号进行分析和处理，获取被扫描物体的相应特征量。

进一步的，所述强度调制器改善调谐激光器的波长调谐效果的方法，是通过利用强度调制器来抑制在调谐激光器输出波长切换过程产生的杂散波长，提高调谐激光器输出波长的边模抑制比，提高调谐激光器的波长调谐效果。

所述光放大器与强度调制器相结合大范围实时地调节输出光功率方法，是通过利用所述强度调制器实现对输出光功率实时小范围的调节；在此基础上，再利用所述光放大器实现对输出光功率大范围的实时调节。

本发明同时提出了一种基于调谐激光器的高速、大角度光束扫描装置，包括调谐激光器、强度调制器、光放大器、驱动控制电路单元、光准直器、色散分光装置、发射天线、光接收单元、主控单元九个部分；

所述调谐激光器：用于提供波长可高速精准切换的激光输出；

所述强度调制器：用于光调制产生光脉冲，并结合调谐激光器的控制，改善输出光的边模抑制比，提高输出光质量以及动态调整输出的光功率；

所述光放大器：用于与所述强度调制器一起大范围实时地调节输出光功率；

所述驱动控制电路单元：用于产生调谐激光器、强度调制器和光放大器工作所需的驱动信号；

所述光准直器：用于对光束整形与准直，提供高质量光束；

所述色散分光装置：用于将光的波长与角度关联起来，提供角度关于波长的精确表达；

所述发射天线：用于对发射光束的角度进行放大和调整，并对光束质量进行改善；

所述光接收单元：用于接收各个扫描方向上的回波信号，并将光信号转化成电信号；

所述主控单元：作为整个扫描装置的控制中心，用于装置各个部分的控制与协调，以及与外部的交互；对光接收单元采集的信号进行分析和处理，获取被扫描物体的相应特征量。

优选的，所述的色散分光装置包括多级衍射光栅，所述多级衍射光栅以一定关系级联。

进一步优选的，所述发射天线包括一个凸透镜和一个凹透镜，所述凸透镜焦距f₁是凹透镜焦距f₂的M倍，两个透镜组成一个共焦系统，光束依次经过凸透镜和凹透镜发射出去，M是光束出射角度的正切值相对于入射角的正切值的比值。

所述光接收单元包括接收天线、光电转化单元和信号采集处理单元，所述接收天线由接收透镜与凹面镜构成，所述接收透镜为凸透镜，所述凹面镜放在所述接收透镜的像平面之前，且接收透镜像平面上的像点与凹面镜的焦点关于凹面镜的反射曲面对称，所述光电转化单元放置在凹面镜的焦点处，用于对大角度多点扫描回波探测；所述信号采集处理单元采集所述光电转化单元的电信号，发送到所述主控单元。

本发明以调谐激光器为基础，结合强度调制器、光放大器、准直器、色散分光装置、发射天线以及光接收单元，实现了纯电控式高速、大角度光束扫描。解决了目前纯电控式光束扫描技术面临的若干技术难题。在此基础上，本发明利用强度调制器和光放大器相结合方法实现大范围快速有效地调节输出光功率，以及改善输出光束的质量。并且在光接收单元中引入一种特定曲面凹面镜，减少探测所需的光电探测器数量。本发明具有高扫描速度、大扫描角度、高角度控制精度以及高光束质量等特点，在激光雷达、空间激光通信等诸多领域有广阔的应用前景。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

图1是本发明基于调谐激光器的高速、大角度光束扫描装置的结构原理示意图。

图2是强度调制器的调制信号图2(a)与调谐激光器的波长调谐驱动信号图2(b)之间的关系示意图。

图3是利用强度调制器和光放大器动态调节输出光功率方法示意图。

图4是反射式衍射光栅图4(a)和透射式衍射光栅图4(b)色散分光示意图。

图5是利用反射式衍射光栅构建所述色散分光装置示意图。

图6是利用透射式衍射光栅构建所述色散分光装置示意图。

图7是利用所述发射天线实现角度放大原理示意图。

图8是本发明中所述接收天线示意图。

具体实施方式

本发明的基于调谐激光器的高速、大角度光束扫描方法的实施结构原理示意图如图1所示。它主要包括：调谐激光器、强度调制器、光放大器、驱动控制电路单元、光准直器、色散分光装置、发射天线、光接收单元、主控单元九个部分。

其中，调谐激光器及其控制单元主要用于提供波长可精准高速切换的激光输出。调谐激光器为可高速、大范围调谐的调谐激光器，如图2(a)中所示，根据其工作和调谐原理，设计相关控制和驱动电路；使得调谐激光器的输出波长能以10MHz以上的调谐速度稳定切换，产生多个波长通道。

强度调制器(10GHz调制速度以上)级联在调谐激光器的输出端。强度调制器及其驱动单元主要用于调制产生光脉冲信号；并结合调谐激光器的工作原理，改善输出光的边模抑制比，提高输出光质量。如图2(b)中所示，根据所选强度调制器的工作原理，设计强度调制器的控制驱动电路，并使其与调谐激光器调谐控制单元时钟同步。在每个波长通道的波长最稳定时段进行调制，产生光脉冲；在波长通道切换过程中使强度调制器处于关断状态，抑制波长通道切换过程产生杂散波长的干扰，提高输出光信号的边模抑制比和单模特性。为了确保光束扫描过程中，光束的传播和照射对人眼或扫描物体的安全可靠性，在强度调制器后面接一个光放大器。由于目前实用光放大器的响应速度达不到本发明所述10MHz以上的扫描速度，无法实时地根据回波的强度来调整输出光功率。同时，如果通过调节强度调制器的调制信号的幅度，虽然可以实时根据回波的强度快速调整输出光功率，但过度依赖强度调制器来调节输出光功率会影响到输出光脉冲的调制深度。因此本发明采用强度调制器和光放大器相结合的方法，既能大范围调节输出光功率，也能实现输出光功率的实时调节。。

光放大器的输出端连接一个光准直器，光准直器主要用于对光束进行整形扩束，提高输出光束的质量。

色散分光装置主要用于将光波的波长与角度关联起来，提供角度关于波长的精确表达。

在所述的色散分光装置后面接上一个由多个透镜构成的发射天线。发射天线主要用于对光束的发射角度进行放大和调整；并对光束质量进行改善。发射天线由一个凸透镜和一个凹透镜构成，如图7所示。

其中凸透镜的焦距f₁是凹透镜的焦距f₂的M倍，并且两个透镜组成一个共焦系统。光束依次经过凸透镜和凹透镜发射出去。

依据图7中所示的发射天线结构，结合光学成像原理与相应的几何关系，可得：

$\frac{{\mathrm{tan\α}}_2}{{\mathrm{tan\α}}_1}=\frac{f_1}{f_2}=M$

其中α₁、α₂分别为入射光束和出射光束与光轴的夹角。

光接收单元主要用于接收各个扫描方向上的回波光信号，并将光信号转化成电信号。

主控单元是整个扫描系统的控制中心，主要用于系统各个部分的控制与协调，以及与外部的交互。

本发明提供的基于调谐激光器的高速、大角度光束扫描方法，包括如下实施步骤。

步骤一：可高速、大范围调谐的调谐激光器以10MHz以上的调谐速度稳定地切换输出波长，产生多个波长通道。

步骤二：使光束经过强度调制器的调制产生一定强度的高速光脉冲；如图3中所示，利用强度调制器来动态调节输出光功率，根据第N个回波信号幅度与与预设功率预警线的差值，通过负反馈来调节第n+1个波长通道的调制驱动信号幅度，使得第n+1个波长通道的输出光功率减少；同理在依据第N+1个回波信号幅度来调节第n+2个波长通道的调制驱动信号幅度，依次类推，实现输出光功率的快速调节。

同时，通过控制强度调制器的驱动信号，提高调谐激光器输出波长的边模抑制比。如图2中所示，强度调制器选择在每个波长通道的波长最稳定时段进行调制，最好的，是在相应波长通道的中间时刻点调制，产生光脉冲。在波长通道切换时刻使强度调制器处于关断状态，避免由于图2(a)中①处过程中产生大量其它波长分量叠加到相应的波长通道中，抑制波长通道切换过程产生杂散波长的干扰，提高输出光信号的边模抑制比和单模特性。

步骤三：将高速光脉冲通过光放大器。通过强度调制器来调节输出光功率在一定程度上牺牲了输出光脉冲的质量，因此该方法只适合小幅度快速调节输出光功率，使得输出光功率在图3(a)中所示的功率警戒线附近趋于稳定。如果需要大幅调节输出光功率时，如图3(a)中①所标识的位置，这种情况就需要通过光放大器来调节，确保输出光功率不会超过功率安全线。因此，本发明所述的强度调制器和光放大器相结合调节输出光功率的方法，既能对输出光功率大范围调节，也能实时动态地调节输出光功率。

步骤四：光放大器的输出光束进入光准直器，光准直器对光束进行整形扩束，提高输出光束的质量。

步骤五：将光准直器输出的高质量的光束，以一定角度入射到色散分光装置中，使得光束的出射角度与波长相关联，如图4所示。

色散分光装置为多个透射式衍射光栅或反射式衍射光栅以特定关系级联而成。该结构不但提高系统的角色散率，同时极大限度的保证了输出光束的质量和衍射效率。

所述衍射光栅的色散方程为：

d*(sinθ_i+sinθ_m)＝m*λ

其中m为衍射级数，λ为入射波长，d为光栅常数，θ_i为入射角度，θ_m为第m级衍射角度。

根据所述衍射光栅的色散方程可以得到其角色散率为：

$\frac{{\mathrm{d\θ}}_m}{d\mathrm{\λ}}=\frac{m}{d*{\mathrm{cos\θ}}_m}$

依据所述衍射光栅的特点，为了获得高的衍射效率，衍射级数通常取m＝±1。因此提高角色散率的方法就只能通过调节d*cosθ_m的值，同时由于衍射光栅方程的限制，单个衍射光栅的角色散率是有限的。通过多个光栅级联是提高系统角色散率的一种简单有效的办法。

所述多个衍射光栅的级联后的角色散率为：

$\frac{d\mathrm{\θ}}{d\mathrm{\λ}}=\frac{1}{d*{\mathrm{cos\θ}}_1^1}*\frac{1}{d*{\mathrm{cos\θ}}_1^2}*...\frac{1}{d*{\mathrm{cos\θ}}_1^k}$

其中分别为光束在第k级光栅的±1级衍射的出射角。多个衍射光栅级联后的角色散率接近指数增长，大大提高了色散分光的效果。

依据所述衍射光栅的衍射特性，在衍射光栅方向上，入射到衍射光栅的光束半径(ω_i)与出射的光束半径(ω_m)存在如下关系：

$\frac{{\mathrm{\ω}}_i}{{\mathrm{\ω}}_m}=\frac{{\mathrm{cos\θ}}_i}{{\mathrm{cos\θ}}_m}$

为了保证出射光束的质量，k个衍射光栅级联后的应该保证：

$\frac{{\mathrm{\ω}}_i^1}{{\mathrm{\ω}}_1^1}*\frac{{\mathrm{\ω}}_i^2}{{\mathrm{\ω}}_1^2}...\frac{{\mathrm{\ω}}_i^k}{{\mathrm{\ω}}_1^k}=\frac{{\mathrm{cos\θ}}_i^1}{{\mathrm{cos\θ}}_1^1}*\frac{{\mathrm{cos\θ}}_i^2}{{\mathrm{cos\θ}}_1^2}...\frac{{\mathrm{cos\θ}}_i^k}{{\mathrm{cos\θ}}_1^k}\→1$

其中分别为第k级衍射光栅的入射光束半径和±1级衍射的出射光束半径；分别为光束在第k级衍射光栅的入射角和±1级衍射的出射角。依据上式所述的关系，其值越逼近1，说明多个衍射光栅级联结构对入射光束质量的影响越小。

依据上面所述原则设计的多个衍射光栅级联的色散分光装置，既能提供足够的角色散率，又能将对光束质量的影响降到最低。值得说明的是，在调谐激光器的调谐范围内，并不能使得所有波长都满足对光束质量影响最小的条件。在实际的系统设计，往往通过选择调谐范围的中心波长使其满足对光束质量影响最小的条件，如图5和图6所示。这样整个调谐范围中所有波长对光束质量的影响总和达到最小。

步骤六：使光束经过发射天线进行发射角度放大、光束整形处理，获得高质量的光束发射出去。

步骤七：光束在大角度范围内快速地照射到一维的各个不同的方向上。光束在各个扫描方向上遇到目标物体后，会在扫描方向产生后向散射回波信号。光接收单元通过采集回波信号，将光信号转化为电信号，并将其放大整形。

由于发射和接收的光脉冲脉宽在ns量级，对光接收单元的光电探测器响应速度有较高要求，高速探测器的有效面积有限。在大角度扫描条件下，如果仅通过一个接收透镜来接收光的话，所有扫描方向在接收透镜的像平面上的像点位置比较分散，需要大量的高速探测器来采集各个像点光信号，增加了系统的复杂性。

对此，本发明的光接收单元依次由接收天线、光电转化和信号采集处理电路组成。

其中，接收天线由接收透镜和凹面镜组成，如图8所示。接收透镜为大口径凸透镜，能将不同扫描方向上的回波光信号聚焦在焦平面后进行探测，增大了探测的有效面积。

所述凹面镜放在接收透镜的焦平面之前的适当位置，使得接收透镜焦平面上的像点恰好与凹面镜的焦点关于凹面镜的反射曲面对称。即各个方向回波光信号经过接收透镜接收后，在经特殊凹面镜反射聚焦在凹面镜的焦点上，如图8所示。这样一个高速探测器就可以采集所有扫描方向的回波。

步骤八：主控单元通过高速模数转化器，将光接收单元输出模拟信号转化成数字信号，通过对采集的数据进行分析，获取被扫描物体的相关特征量，完成一次扫描过程。

本发明具有高扫描速度、大扫描角度、高角度控制精度以及高光束质量等特点，在激光雷达、空间激光通信等诸多领域有广阔的应用前景。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于调谐激光器的高速、大角度光束扫描方法，包括如下步骤：

步骤一：选取一个可高速调谐、大范围调谐的调谐激光器；

步骤二：使光束经过强度调制器调制产生高速光脉冲，并通过控制强度调制器的驱动信号，改善调谐激光器的调谐效果，提高调谐激光器输出波长的边模抑制比；

步骤三：将高速光脉冲通过光放大器和光准直器，光放大器与所述强度调制器相结合实现对输出光功率的大范围实时调节，产生高功率高质量的高速光脉冲；

步骤四：所述高速光脉冲经准直之后，经过色散分光装置使得波长与角度相关联；于是，通过改变调谐激光器的输出波长使得到的光束获得不同的偏转角度；所述调谐激光器的波长调谐范围决定扫描角度的范围，波长控制精度决定偏转角度的精度，输出波长调谐速度决定光束扫描的速度；

步骤五：使光束经过发射天线进行发射角度放大、光束整形处理，获得高质量的光束发射出去，这样能够在大角度范围内精确控制光束的扫描角度；

步骤六：通过光接收单元对回波信号进行采集与处理；

步骤七：主控单元对光接收单元采集的信号进行分析和处理，获取被扫描物体的相应特征量。

2.根据权利要求1所述的基于调谐激光器的高速、大角度光束扫描方法，其特征在于：所述强度调制器改善调谐激光器的波长调谐效果的方法，是通过利用强度调制器来抑制在调谐激光器输出波长切换过程产生的杂散波长，提高调谐激光器输出波长的边模抑制比，提高调谐激光器的波长调谐效果。

3.根据权利要求1或2所述的基于调谐激光器的高速、大角度光束扫描方法，其特征在于：所述光放大器与强度调制器相结合大范围实时地调节输出光功率方法，是通过利用所述强度调制器实现对输出光功率实时小范围的调节；在此基础上，再利用所述光放大器实现对输出光功率大范围的实时调节。

4.一种基于调谐激光器的高速、大角度光束扫描装置，其特征在于：包括调谐激光器、强度调制器、光放大器、驱动控制电路单元、光准直器、色散分光装置、发射天线、光接收单元、主控单元九个部分；

所述调谐激光器：用于提供波长可高速精准切换的激光输出；

所述强度调制器：用于光调制产生光脉冲，并结合调谐激光器的控制，改善输出光的边模抑制比，提高输出光质量以及动态调整输出的光功率；

所述光放大器：用于与所述强度调制器一起大范围实时地调节输出光功率；

所述驱动控制电路单元：用于产生调谐激光器、强度调制器和光放大器工作所需的驱动信号；

所述光准直器：用于对光束整形与准直，提供高质量光束；

所述色散分光装置：用于将光的波长与角度关联起来，提供角度关于波长的精确表达；

所述发射天线：用于对发射光束的角度进行放大和调整，并对光束质量进行改善；

所述光接收单元：用于接收各个扫描方向上的回波信号，并将光信号转化成电信号；

所述主控单元：作为整个扫描装置的控制中心，用于装置各个部分的控制与协调，以及与外部的交互；对光接收单元采集的信号进行分析和处理，获取被扫描物体的相应特征量。

5.根据权利要求4所述的基于调谐激光器的高速、大角度光束扫描装置，其特征在于：所述的色散分光装置包括多级衍射光栅，所述多级衍射光栅以一定关系级联。

6.根据权利要求4所述的基于调谐激光器的高速、大角度光束扫描装置，其特征在于：所述发射天线包括一个凸透镜和一个凹透镜，所述凸透镜焦距是凹透镜焦距的M倍，两个透镜组成一个共焦系统，光束依次经过凸透镜和凹透镜发射出去，M是光束出射角度的正切值相对于入射角的正切值的比值。

7.根据权利要求4所述的基于调谐激光器的高速、大角度光束扫描装置，其特征在于：所述光接收单元包括接收天线、光电转化单元和信号采集处理单元；

所述接收天线由接收透镜与凹面镜构成，所述接收透镜为凸透镜，所述凹面镜放在所述接收透镜的像平面之前，且接收透镜像平面上的像点与凹面镜的焦点关于凹面镜的反射曲面对称；

所述光电转化单元放置在凹面镜的焦点处，用于对大角度多点扫描回波探测；

所述信号采集处理单元采集所述光电转化单元的电信号，发送到所述主控单元。