CN106444209B - 一种消偏振的激光相控阵波束扫描系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消偏振的激光相控阵波束扫描系统及方法，扫描系统具体包括：激光器、偏振分光棱镜、分光棱镜、第一液晶光学相控阵、第一反射镜、第二反射镜、第二液晶光学相控阵和二分之一波片；通过采用两个偏振敏感的一维液晶光学相控阵级联，其中一个作为x方向偏转器，另一个作为y方向偏转器，利用偏振分光棱镜、二分之一波片和反射镜等光学元件，实现对任意偏振态入射光束相位的调制，实现消偏振激光扫描，达到在远场二维偏转的目的，同时消偏振的功能可以降低系统设计难度，提升系统的整体效率。

Description

一种消偏振的激光相控阵波束扫描系统及方法

技术领域

本发明属于激光相控、液晶光电子技术领域，具体涉及一种消偏振的激光相控阵波束扫描和系统。

背景技术

随着激光技术的飞速发展，在空间激光通信、激光雷达等领域，对激光波束进行高精度、高灵敏度的快速指向控制成为一项重要技术。目前，由于非机械式方法是采用相控方式来实现激光束控制，这种扫描结构具有体积小、无机械惯性、扫描响应速度快、可靠性好等优点，相比于机械式方法而言具有明显的优势。因此，非机械式、高分辨率的激光相控扫描技术成为激光波束控制领域最为热门和实用性最强的研究方向之一。

目前，实现光学相控阵的方式中，采用液晶材料实现电控等效折射率控制，从而实现对激光光束的偏转，该技术称为液晶光学相控阵(liquid crystal optical phasedarray，LCOPA)。由于其具有驱动电压低、相位调制深度大等优点，使得相控阵器件具有体积小、重量轻、功耗低、易于和微电子控制电路结合等独特优点，因此液晶成为高性能光学相控阵器件主要的工作方式。

根据液晶光学相控阵的工作机制，外加电场仅对入射光的非常光折射率具有调制作用，从而才能改变入射光的空间分布。因此，液晶光学相控阵具有偏振敏感性，即当入射光的偏振方向与液晶分子的光轴一致时，才具有相位调制的效果。然而，在很多应用场合，非偏振敏感的工作模式具有很大的必要性。例如，不同偏振态的线偏振光或者偏振复用的波束被广泛的应用于激光通信系统中，但现有文献对此种情况涉及的都非常少。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提出了一种消偏振的激光相控阵波束扫描系统。

本发明的技术方案为：一种消偏振的激光相控阵波束扫描系统，具体包括：激光器、偏振分光棱镜、分光棱镜、第一液晶光学相控阵、第一反射镜、第二反射镜、第二液晶光学相控阵和二分之一波片；

所述第一液晶光学相控阵光轴方向是x(水平)方向，作为x方向偏转器；所述第二液晶光学相控阵光轴方向是y(垂直)方向，作为y方向偏转器；所述二分之一波片光轴方向是45°，用于x偏振光与y偏振光之间的转换；

所述激光器发射的激光束经过分光棱镜，透射的光再经过偏振分光棱镜后被分为两束，透射光为x偏振方向，而反射光为y偏振方向；

所述x偏振方向光经过第一液晶光学相控阵后实现水平方向偏转，再由第一反射镜反射到二分之一波片后变成y方向偏振光，再由第二反射镜反射到第二液晶光学相控阵后实现垂直方向偏转，最后经过偏振分光棱镜和分光棱镜反射后进入接收面；

所述y偏振方向光经过第二液晶光学相控阵后实现垂直方向偏转，再由第二反射镜反射到二分之一波片后变成x方向偏振光，再由第一反射镜反射到第一液晶光学相控阵后实现水平方向偏转，最后经过偏振分光棱镜和分光棱镜后进入接收面。所述两束偏振光最终汇聚到接收面上的同一点，实现对任意偏振态入射光的二维偏转。

基于上述系统，本发明还提出了一种消偏振的激光相控阵波束扫描方法，具体步骤如下：

步骤1：建立系统：

该步骤目的在于使得系统初始状态为光束经过光路中各器件的中心且出射光束处于接收面原点，即初始偏转角为(0°，0°)，系统初始设置如下：第一液晶光学相控阵A光轴方向为x方向，第二液晶光学相控阵光轴方向为y方向。二分之一波片光轴与x方向夹角为45°放置。激光器输出任意偏振态的光经过分光棱镜，分光棱镜设置使得透射光经过下一偏振分光棱镜，同时使得从后级偏转装置的输出光反射进入接收面，偏振分光棱镜设置使得透射的x偏振光进入第一液晶光学相控阵，反射的y偏振光进入第二液晶光学相控阵B；

步骤2：设置波束扫描角度：

设置波束二维扫描角度为(θ_x,θ_y)，θ_x，θ_y分别为远场光束在x方向和y方向在空间的偏转角。

步骤3：计算两个液晶光学相控阵的相位调制量：

根据相控阵原理，相邻移相单元之间的相位差Δφ与偏转角θ满足公式

其中λ为激光波长，d为相邻相控单元之间的间距，由此可以计算得到每一个移相单元上对应的相位调制量。

步骤4：生成两个液晶光学相控阵驱动电压代码：

查找第一液晶光学相控阵与第二液晶光学相控阵的电压-相位特性曲线，得到各自的相位调制量对应的电压代码；

步骤5：相位调制并实现二维波束偏转。

通过波控器将信号加载到各对应的液晶光学相控阵，加载驱动电压代码，最终实现对入射任意偏振态的光的二维扫描。

本发明的有益效果：本发明的消偏振的激光相控阵波束扫描系统采用两个偏振敏感的一维液晶光学相控阵级联，其中一个作为x方向偏转器，另一个作为y方向偏转器，利用偏振分光棱镜、二分之一波片和反射镜等光学元件，实现对任意偏振态入射光束相位的调制，实现消偏振激光扫描，达到在远场二维偏转的目的，同时消偏振的功能可以降低系统设计难度，提升系统的整体效率，可广泛应用于空间激光通信、激光雷达等领域。

附图说明

图1为本发明实施例的消偏振的激光相控阵波束扫描系统结构示意图，附图标记说明：激光器11、分光棱镜(BS)12、偏振分光棱镜(PBS)13、液晶光学相控阵A14、反射镜A15、二分之一波片16、反射镜B17、液晶光学相控阵B18，接收面19。

图2为本发明实施例的消偏振的激光相控阵波束扫描方法流程图。

图3为本发明实施例的二维波束扫描x偏振态光束偏转光路图。

图4为本发明实施例的二维波束扫描y偏振态光束偏转光路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明实施例的的消偏振的激光相控阵波束扫描系统结构如图1所示，液晶光学相控阵A的光轴方向为水平方向，液晶光学相控阵B的光轴方向为垂直方向。二分之一波片光轴与x方向夹角为45度。

根据光路图，所述激光器的出射激光束依次经过所述分光棱镜、偏振分光棱镜，所述偏振分光棱镜出射光分为透射光和反射光；所述透射光为水平偏振态，依次经过液晶光学相控阵A、反射镜A、二分之一波片、反射镜B、液晶光学相控阵B、偏振分光棱镜、分光棱镜、接收面；所述反射光为垂直偏振态，依次经过液晶光学相控阵B、反射镜B、二分之一波片、反射镜A、液晶光学相控阵A、偏振分光棱镜、分光棱镜、接收面。其中，偏振分光棱镜、液晶光学相控阵A、反射镜A与二分之一波片之间的光为水平偏振态；偏振分光棱镜、液晶光学相控阵B、反射镜B与二分之一波片之间的光为垂直偏振态。最终，具有水平分量的光和垂直分量的光汇聚到二维接收面。

本发明提供的消偏振的激光相控阵波束扫描方法如图2所示，包括以下步骤：

步骤1：建立系统：

该步骤目的在于使得系统初始状态为光束经过光路中各器件的中心且出射光束处于接收面原点，即初始偏转角为(0°，0°)。系统初始设置如下：液晶光学相控阵A光轴方向为x方向，液晶光学相控阵B光轴方向为y方向，二分之一波片光轴与x方向夹角为45°放置。激光器输出任意偏振态的光经过分光棱镜，分光棱镜设置使得透射光进入下一偏振分光棱镜，同时使得从后级偏转装置的输出光反射进入接收面。偏振分光棱镜设置使得透射光进入液晶光学相控阵A，反射光进入液晶光学相控阵B。反射镜A和反射镜B设置使得光束经过两液晶光学相控阵和二分之一波片，同时透射光与反射光初始调整为共轴。接收面处于远场焦平面，且初始入射光射入接收面中心上。

步骤2：设置波束二维扫描角度：

设置波束二维扫描角度为(θ_x,θ_y)，θ_x，θ_y分别为远场光束在x方向和y方向在空间的偏转角。

步骤3：计算两个液晶光学相控阵的相位调制量。

根据相控阵原理，相邻移相单元之间的相位差Δφ与偏转角θ满足公式

其中λ为激光波长，d为相邻相控单元之间的间距。由此可以计算得到每一个移相单元i上对应的相位调制量。液晶光学相控阵A的相位调制量为φ_A，液晶光学相控阵B的相位调制量为φ_B。

步骤4：生成两个液晶光学相控阵驱动电压代码。

根据两液晶光学相控阵的相位调制量，查找液晶光学相控阵A与液晶光学相控阵B的电压-相位特性曲线，得到各自的相位调制量对应的电压代码V_code-A与V_code-B。

步骤5：相位调制并实现二维波束偏转。

通过波控器将信号加载到各对应的液晶光学相控阵，加载驱动电压代码V_code-A与V_code-B，最终在接收面上得到实现的对入射任意偏振光的二维扫描光束。

假设激光器输出激光为存在x方向和y方向的偏振光，归一化幅值均为1，初始相位均为0，即

其中，E_x,E_y分别表示水平和垂直方向偏振光分量。

如图3所示的二维波束扫描x偏振态光束偏转光路图，经过偏振分光棱镜后，透射光为x方向偏振光

先经过液晶光学相控阵A后，激光束的近场电场分量为

出射光发生了x方向的偏转，偏转角度为θ_x；随后光束经过光轴方向为45°的二分之一波片后，激光的电场分量为

即光束的偏振态发生了90°偏转；该光束再经过液晶光学相控阵B后出射光为

出射光再次发生了y方向的偏转，偏转角度为θ_y；根据傅里叶光学理论，远场激光光束为出射光波光场分布函数E₄的空间二维傅里叶变换，即：

E_far(θ_x,θ_y)＝F₂{E_4x(x,y)}＝F₁{exp(-jφ_A(x))}·F₁{exp(-jφ_B(y))}，(θ_x,θ_y)分别为远场光束在x方向和y方向在空间的偏转角。

如图4所示的二维波束扫描y偏振态光束偏转光路图，对于E₀经过偏振分光棱镜，反射光为y方向偏振光

先经过液晶光学相控阵B后，激光束的近场电场分量为

出射光发生了y方向的偏转，偏转角度为θ_y；随后光束经过光轴方向为45°的二分之一波片后，激光的电场分量为

即光束的偏振态发生了90°偏转；该光束再经过液晶光学相控阵A后出射光为

出射光再次发生了x方向的偏转，偏转角度为θ_x。同理，远场激光光束为出射光波光场分布函数E₈的空间二维傅里叶变换，即E_far(θ_x,θ_y)＝F₂{E_8y(x,y)}＝F₁{exp(-jφ_B(y))}·F₁{exp(-jφ_A(x))}，(θ_x,θ_y)分别为远场光束在x方向和y方向在空间的偏转角，与上述出射光在同一偏转位置，最终二维波束偏转如接收面所示。

综上所述，本发明提供的系统和方法可以实现消偏振的激光相控阵二维波束扫描，该系统和方法也适用于其他的激光相控阵的消偏振波束偏转，也可以应用于二维偏转器件。

可以理解，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理，然而本发明并不局限于此，对于本领域内的技术人员，可以做出各种改进和变型，这些改进和变型也视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种消偏振的激光相控阵波束扫描系统，具体包括：激光器、偏振分光棱镜、分光棱镜、第一液晶光学相控阵、第一反射镜、第二反射镜、第二液晶光学相控阵和二分之一波片；

所述第一液晶光学相控阵光轴方向是x方向，作为x方向偏转器；所述第二液晶光学相控阵光轴方向是y方向，作为y方向偏转器；所述二分之一波片光轴方向是45°，用于x偏振光与y偏振光之间的转换；

所述激光器发射的激光束经过分光棱镜，透射的光再经过偏振分光棱镜后被分为两束，透射光为x偏振方向，而反射光为y偏振方向；

所述x偏振方向光经过第一液晶光学相控阵后实现水平方向偏转，再由第一反射镜反射到二分之一波片后变成y方向偏振光，再由第二反射镜反射到第二液晶光学相控阵后实现垂直方向偏转，最后经过偏振分光棱镜和分光棱镜反射后进入接收面；

所述y偏振方向光经过第二液晶光学相控阵后实现垂直方向偏转，再由第二反射镜反射到二分之一波片后变成x方向偏振光，再由第一反射镜反射到第一液晶光学相控阵后实现水平方向偏转，最后经过偏振分光棱镜和分光棱镜后进入接收面，所述x偏振方向光与y偏振方向光最终汇聚到接收面上的同一点，实现对任意偏振态入射光的二维偏转。

2.一种消偏振的激光相控阵波束扫描方法，具体步骤如下：

步骤1：建立系统：

该步骤目的在于使得系统初始状态为光束经过光路中各器件的中心且出射光束处于接收面原点，即初始偏转角为(0°，0°)，系统初始设置如下：第一液晶光学相控阵A光轴方向为x方向，第二液晶光学相控阵B光轴方向为y方向，二分之一波片光轴与x方向夹角为45°放置，激光器输出任意偏振态的光经过分光棱镜，分光棱镜设置使得透射光经过下一偏振分光棱镜，同时使得从后级偏转装置的输出光反射进入接收面，偏振分光棱镜设置使得透射的x偏振光进入第一液晶光学相控阵，反射的y偏振光进入第二液晶光学相控阵；

步骤2：设置波束扫描角度：

设置波束二维扫描角度为(θ_x,θ_y)，θ_x，θ_y分别为远场光束在x方向和y方向在空间的偏转角；

步骤3：计算两个液晶光学相控阵的相位调制量：

根据相控阵原理，相邻移相单元之间的相位差Δφ与偏转角θ满足公式

其中λ为激光波长，d为相邻相控单元之间的间距，由此可以计算得到每一个移相单元上对应的相位调制量；

步骤4：生成两个液晶光学相控阵驱动电压代码：

查找第一液晶光学相控阵与第二液晶光学相控阵的电压-相位特性曲线，得到各自的相位调制量对应的电压代码；

步骤5：相位调制并实现二维波束偏转：

通过波控器将信号加载到各对应的液晶光学相控阵，加载驱动电压代码，最终实现对入射任意偏振态的光的二维扫描。

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