CN107728314B - 一种基于旋转双闪耀光栅的阵列光束偏转的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于旋转双闪耀光栅的阵列光束偏转的方法，采用多个旋转双闪耀光栅构成阵列，每一个旋转双闪耀光栅根据两闪耀光栅的绕轴独立旋转来控制其中单路激光的定向偏转，通过旋转双闪耀光栅阵列实现阵列激光束的定向偏转控制。在每一个旋转双闪耀光栅控制单路激光定向偏转的过程中，准直激光光源入射到第一块闪耀光栅上，再通过第二块闪耀光栅，两闪耀光栅进行绕轴独立旋转，从而实现出射光束的二维偏转，每单路出射光束的偏转角和方位角可根据两闪耀光栅的旋转角度得出。本方法具有输出光束功率高、光束能量损耗少，偏转精度高、系统体积轻便等特点。

Description

一种基于旋转双闪耀光栅的阵列光束偏转的方法

技术领域

本发明属于光束控制技术领域，具体涉及一种基于旋转双闪耀光栅的阵列光束偏转的方法。

背景技术

光束偏转控制技术是指对通过控制激光光束的波前对光束的传输方向等进行精确控制的技术，在激光雷达、激光通信、光存储等领域都发挥着不可或缺的作用。自上世纪以来，光束偏转技术不断革新取得了很多突破性的进展，经历了从传统机械装置向新型机械器件、微机械器件以及无机械器件惯量的发展历程。其中，机械式光束偏转技术依赖万向节、转向台等机械设备通过改变光轴的方向来实现光束的偏转，其典型技术有机械转台、电动扫描等；微机械式主要指依赖例如微机电系统等通过较小的位移控制来实现光束偏转，其典型技术有旋转双棱镜、扫描微平面镜、偏心透镜和微透镜阵列；非机械式光束偏转技术依靠衍射控制或者波前调制等方式实现光束的偏转控制，其典型技术有声光调制、液晶相控阵等；其中，机械转台存在体积笨重、机械转动惯量大、控制复杂等缺点，电动扫描同样存在光学镜片尺寸以及个数受限等问题，扫描微平面镜器件的占空比及较大，且受面镜尺寸及个数的限制，偏心透镜和微透镜阵列系统本身控制复杂，声光调制和液晶调制普遍面临工作谱宽窄、衍射效率低、扫描范围小等问题。

其中，微机械式的旋转双棱镜方法具有偏转角度大，光波段范围宽，透射率高等优点，作为折射棱镜光束指向装置的典型代表，旋转双棱镜为光束指向调整和扫描提供了一种简单而充满潜力的方式，光束指向装置的回转轴位于同一直线，无线绕力矩，无需滑环，避免了导线绕动问题，因而还具有结构紧凑、转动惯量小、光束转向速度快、对载体振动不敏感、工作可靠性高等特点。相比本人之前提出的专利申请CN201710450647.8(《一种基于旋转双闪耀光栅的二维光束偏转的方法》)，因基于闪耀光栅实现的偏转光束的偏转角度范围与棱镜的楔角有关，偏转角度越大需要棱镜的楔角越大，需要棱镜的体积和重量都大，实现随机指向困难且具有机械惯量。当旋转双闪耀光栅构成阵列时，可承受高功率的光束输入，且系统轻量化，可降低系统的加工难度。

针对现有技术存在的不足之处，本发明提出了一种基于旋转双闪耀光栅的阵列光束偏转的方法，并给出了相应的装置，如图1所示。该方法不仅可以实现高功率、高精度、低损耗的光束偏转，而且装置简单，系统体积小、轻便。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种基于旋转双闪耀光栅的阵列光束偏转的方法，可实现高功率、高精度、低损耗的光束偏转，而且系统体积小、轻便。

本发明采用的技术方案为：一种基于旋转双闪耀光栅的阵列光束偏转的方法，在双闪耀光栅的控制阵列光束偏转的过程中，光源入射到每个孔径的第一闪耀光栅上，再通过第二闪耀光栅，两闪耀光栅进行绕轴独立旋转，从而实现每路光束的二维偏转。根据两闪耀光栅的旋转角度可得出每路出射光束的偏转角和方位角。该方法具体包括如下步骤：

步骤1、构建实现该方法的装置，包括旋转双闪耀光栅阵列(阵列的排布方式可根据实际需求设定)、旋转电机、位置传感器、探测器以及控制器，每单路中双闪耀光栅垂直于光束传播方向平行放置，旋转电机在闪耀光栅边沿带动光栅旋转，控制器连接旋转电机控制光栅的旋转方向和调整绕轴旋转角度，位置传感器位于旋转电机和控制器之间可测量旋转角度。在旋转双闪耀光栅控制阵列光束的偏转过程中，光源入射到第一闪耀光栅上，再通过第二闪耀光栅，两闪耀光栅进行绕轴独立旋转，每路出射光束的偏转角和方位角可根据两闪耀光栅的旋转角度得出，从而实现阵列出射光束的二维偏转；

步骤2、采用多个旋转双闪耀光栅构成阵列，每一个旋转双闪耀光栅根据两闪耀光栅的绕轴独立旋转来控制其中单路激光的定向偏转，通过旋转双闪耀光栅阵列实现阵列激光束的定向偏转控制机制，阵列光栅的排布方式可根据不同的工程实际应用来设定，基于旋转双闪耀光栅控制阵列光束偏转的过程中，每单路平行光束首先通过第一闪耀光栅后实现偏转，偏转光束再通过第二闪耀光栅后实现二次偏转，通过两闪耀光栅的绕轴独立旋转，从而实现每路光束的二维偏转；当每个孔径中两光栅的绕轴旋转角度一致时可实现阵列光束平行偏转出射，当两光栅的旋转角度不同时阵列出射光束的指向位置就不同，也可实现阵列偏转光束聚焦；

步骤3、当光线平行入射，阵列旋转双闪耀光栅每个孔径中两光栅对光束的偏转角分别为：

其中，λ为入射光束波长，第一、第二闪耀光栅衍射级次m₁和m₂为正整数，d₁和d₂分别为第一、第二闪耀光栅周期；

系统总偏转矢量Φ可看作δ₁和δ₂的矢量和。偏转矢量Φ在δ_X和δ_Y轴上的投影分量分别为：

Φ_x＝δ₁cosθ₁+δ₂cosθ₂

Φ_y＝δ₁sinθ₁+δ₂sinθ₂，

则每路出射光束的偏转角Φ和方位角Θ可通过下式计算：

式中θ₁和θ₂分别为第一闪耀光栅、第二闪耀光栅的旋转角，δ₁为光束经过第一闪耀光栅的偏转矢量，δ₂为光束经过第二闪耀光栅的偏转矢量。

其中，所用的光栅可以是闪耀光栅，也可以是其他透射式光栅，相对于其他透射式光栅，闪耀光栅实现光束偏转的效果更好。

其中，旋转双闪耀光栅阵列排布，排布方式可根据实际工程应用来设定。

其中，可利用一级近轴近似方法、非近轴光线追迹、衍射光学等方法得出每路出射光束指向随旋转双闪耀光栅角度位置变化的解析关系，已知两闪耀光栅的旋转角度可得出偏转光束的偏转角和方位角。

其中，光束平行入射到阵列闪耀光栅上，光束波长需满足λ＝m·(n-1)b，其中m为正整数，n为闪耀光栅的折射率，b为闪耀光栅的齿高。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)、本发明通过旋转双闪耀光栅实现阵列光束的偏转，相比目前有的光束偏转方法，该系统原理简单，系统结构也相对简单轻便，出射光束功率大、偏转精度高且损耗少；

(2)、本发明利用一级近轴近似的方法得出光束的指向位置，因此已知旋转双闪耀光栅角度位置的情况下，可精确得出偏转光束的偏转角和方位角。

附图说明

图1为阵列旋转双闪耀光栅光束偏转示意图；其中，1为第一闪耀光栅，2为第二闪耀光栅，3为第一旋转电机，4为第二旋转电机；

图2为中心算法推算偏转角和方位角。

具体实施方式

下面结合附图以及理论推导对本发明具体实施方式进行详细说明。

本发明基于旋转双闪耀光栅的阵列光束偏转的方法，阵列偏转光束的指向位置可由旋转双闪耀光栅的旋转角度确定，偏转光束拥有很高的精确性且光束能量高。每单路中双闪耀光栅垂直于光束传播方向平行放置，第一旋转电机3或第二旋转电机4在闪耀光栅边沿带动光栅旋转，控制器连接第一旋转电机3或第二旋转电机4控制光栅的旋转方向和调整绕轴旋转角度，位置传感器位于旋转电机和控制器之间可测量旋转角度。本发明中，首先光源投射到每个孔径的第一闪耀光栅1和第二闪耀光栅2上，如图1所示。其中入射光束波长满足：

式中衍射级次m为正整数，n为闪耀光栅的折射率，b为闪耀光栅的齿高。

本发明中，闪耀光栅为周期性锯齿型闪耀光栅，因此闪耀光栅相邻周期相位差为2π·m，m为衍射级次，且光束偏转角由光栅方程给出：

式中θ_inc和θ分别为入射角和出射角(与光栅阵面法线所组成的夹角)，λ为工作波长，d为光栅周期。

本发明中，第一闪耀光栅1、第二闪耀光栅2可绕中心轴Z独立旋转，两光栅相互平行且垂直于Z轴，光栅周期为d，其旋转角度θ₁和θ₂用光栅上端指向与X轴正向间的夹角描述。入射光束逆Z轴方向入射，出射光束指向用偏转角Φ和方位角Θ描述。当光线平行入射，每个孔径中两光栅对每路光束的偏转角分别为：

式中λ为入射光束波长，d₁为第一闪耀光栅1的光栅周期，d₂为第二闪耀光栅2的光栅周期。

本发明中，基于一级近轴近似，光束经过子孔径双闪耀光栅系统后的指向可用中心算法得出，如图2所示。O点代表系统光轴方向，两坐标轴δ_X和δ_Y代表光束在X轴、Y轴方向上的偏转角度。以O点为坐标原点的矢量描述了光束指向，矢量大小代表偏转角，矢量指向与δ_X轴夹角代表方位角。光束逆光轴Z射入系统，从第一闪耀光栅1出射后，随着光栅的旋转，偏转矢量δ₁的末端将沿着以δ₁的大小为半径的圆周运动。光束继续入射第二闪耀光栅2，偏转矢量δ₂的末端将沿着以δ₂的大小为半径的圆周运动。系统总偏转矢量Φ可看作δ₁和δ₂的矢量和。偏转矢量Φ在δ_X和δ_Y轴上的投影分量分别为：

Φ_x＝δ₁ cosθ₁+δ₂ cosθ₂ (5)

Φ_y＝δ₁ sinθ₁+δ₂ sinθ₂ (6)

则出射光束的偏转角Φ和方位角Θ可通过下式计算：

式中θ₁和θ₂分别为第一闪耀光栅1、第二闪耀光栅2的旋转角，δ₁为光束经过第一闪耀光栅1的偏转矢量，δ₂为光束经过第二闪耀光栅2的偏转矢量。

本发明提出的基于旋转双闪耀光栅的阵列光束偏转的方法，其工作过程是：光源通过光阑和准直镜后入射到子孔径第一闪耀光栅1上，再通过第二闪耀光栅2，两闪耀光栅进行绕轴独立旋转，从而实现每路出射光束的二维偏转。当每个孔径中两光栅的绕轴旋转角度一致时可实现阵列光束平行偏转出射，当两光栅的旋转角度不同时阵列出射光束的指向位置就不同，也可实现阵列偏转光束聚焦。

基于旋转双闪耀光栅的阵列光束偏转的方法，一方面能实现系统结构简单灵活，另一方面光束偏转精度高、光束能量损耗少出射功率高，且系统轻量化，可降低系统的加工难度。

当然，在本例中，对于闪耀光栅加工精度要求都很严格，光栅参数也需要严格控制，由于光栅体积小，在一定误差范围内，对测量环境也需不断提升，才能不断提高最终偏转光束的指向精度。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种基于旋转双闪耀光栅的阵列光束偏转的方法，其特征是：在双闪耀光栅控制阵列光束偏转的过程中，光源入射到每个孔径的第一闪耀光栅上，再通过第二闪耀光栅，两闪耀光栅进行绕轴独立旋转，从而实现每路光束的二维偏转，根据两闪耀光栅的旋转角度可得出每路出射光束的偏转角和方位角，该方法具体包含以下步骤：

步骤1、构建实现该方法的装置，包括旋转双闪耀光栅阵列、旋转电机、位置传感器、探测器以及控制器，每单路中两双闪耀光栅垂直于光束传播方向平行放置，旋转电机在闪耀光栅边沿带动光栅旋转，控制器连接旋转电机控制光栅的旋转方向和调整绕轴旋转角度，位置传感器位于旋转电机和控制器之间可测量旋转角度，在旋转双闪耀光栅控制阵列光束的偏转过程中，光源入射到第一闪耀光栅上，再通过第二闪耀光栅，两闪耀光栅进行绕轴独立旋转，每路出射光束的偏转角和方位角根据两闪耀光栅的旋转角度得出，从而实现阵列出射光束的二维偏转；其中入射光束波长满足：

式中衍射级次m为正整数，n为闪耀光栅的折射率，b为闪耀光栅的齿高；

其中，闪耀光栅为周期性锯齿型闪耀光栅，因此闪耀光栅相邻周期相位差为2π·m，m为衍射级次，且光束偏转角由光栅方程给出：

式中θ_inc和θ分别为入射角和出射角即与光栅阵面法线所组成的夹角，λ为工作波长，d为光栅周期；

步骤2、采用多个旋转双闪耀光栅构成阵列，每一个旋转双闪耀光栅根据两闪耀光栅的绕轴独立旋转来控制其中单路激光的定向偏转，通过旋转双闪耀光栅阵列实现阵列激光束的定向偏转控制机制，阵列光栅的排布方式根据不同的工程实际应用来设定，基于旋转双闪耀光栅控制阵列光束偏转的过程中，每单路平行光束首先通过第一闪耀光栅后实现偏转，偏转光束再通过第二闪耀光栅后实现二次偏转，通过两闪耀光栅的绕轴独立旋转，从而实现每路光束的二维偏转；当每个孔径中两光栅的绕轴旋转角度一致时可实现阵列光束平行偏转出射，当两光栅的旋转角度不同时阵列出射光束的指向位置就不同，也可实现阵列偏转光束聚焦；

步骤3、当光线平行入射，阵列旋转双闪耀光栅每个孔径中两光栅对光束的偏转角分别为：

其中，λ为入射光束波长，第一、第二闪耀光栅衍射级次m₁和m₂为正整数，d₁和d₂分别为第一、第二闪耀光栅周期；

系统总偏转矢量Φ看作δ₁和δ₂的矢量和，偏转矢量Φ在δ_X和δ_Y轴上的投影分量分别为：

Φ_x＝δ₁cosθ₁+δ₂cosθ₂，

Φ_y＝δ₁sinθ₁+δ₂sinθ₂，

则每路出射光束的偏转角Φ和方位角Θ通过下式计算：

式中θ₁和θ₂分别为第一闪耀光栅、第二闪耀光栅的旋转角，δ₁为光束经过第一闪耀光栅的偏转矢量，δ₂为光束经过第二闪耀光栅的偏转矢量。

2.根据权利要求1所述的一种基于旋转双闪耀光栅的阵列光束偏转的方法，其特征是：旋转双闪耀光栅阵列排布，排布方式根据实际工程应用来设定。

3.根据权利要求1所述的一种基于旋转双闪耀光栅的阵列光束偏转的方法，其特征是：利用一级近轴近似方法、非近轴光线追迹、衍射光学方法得出每路出射光束指向随旋转双闪耀光栅角度位置变化的解析关系，已知两闪耀光栅的旋转角度可得出偏转光束的偏转角和方位角。

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