CN108761956B - 一种液晶光学相控阵口径扩展系统及方法 - Google Patents

一种液晶光学相控阵口径扩展系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种液晶光学相控阵口径扩展系统及方法，系统包括激光器(1)、偏振片(2)、液晶光学相控阵(3)、4f光学系统(4)和多个口径扩展装置；所述激光器(1)的出射激光依次经过偏振片(2)、液晶光学相控阵(3)、4f光学系统(4)和口径扩展装置。所述口径扩展装置的数量即为扩展口径的倍数；其中，第一口径扩展装置位于4f光学系统(4)的后焦平面上，其余口径扩展装置与第一口径扩展装置相互平行。本发明使用偏振分光棱镜实现激光分束，使用二分之一波片保证每个出射光路的光信息完全相同，使用液晶单元移向器进行相位补偿，采用单个光学相控阵即能实现多倍口径扩展，结构简单。

Description

一种液晶光学相控阵口径扩展系统及方法
技术领域
本发明属于液晶光学相控技术、液晶光电子器件技术领域，特别涉及一种液晶光学相控阵口径扩展系统及方法。
背景技术
在诸多激光应用系统中，光束指向控制是一个非常重要的组成部分。光束指向控制有机械控制偏转和非机械光束偏转两种方式，液晶光学相控阵是实现非机械光束偏转的主流方案。该技术核心思想和微波相控阵类似，通过控制激光近场波前的相位分布，经过远场相干后，波束将重新赋形，从而实现自定义调整光束形状、光束指向、光束个数、光束能量的目的。
目前液晶光学相控阵器件的口径偏小，而在实际应用中天线发射和接受的激光光束尺寸较大，目前的光学相控阵不能满足实际需求；此外，增大光学相控阵的尺寸可以实现大角度光束偏转。
实现大口径液晶光学相控阵主要是从器件设计本身和系统设计两个方面考虑。从器件设计本身来看，使用更多芯片实现控制或通过PAPA结构实现大口径，这增加了工艺上的难度；从系统设计方面来看，使用多个小孔径相控阵并列工作，实现大口径相控阵的工作效果，例如相干合束，相干合束扩大口径的方法对激光光源的时空相干性需求都较高，并且需要配套的高速闭环光锁相系统，系统结构复杂，成本较高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种使用偏振分光棱镜实现激光分束，使用二分之一波片保证每个出射光路的光信息完全相同，使用液晶单元移向器进行相位补偿，采用单个光学相控阵即能实现多倍口径扩展的液晶光学相控阵口径扩展系统及方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种液晶光学相控阵口径扩展系统，包括激光器、偏振片、液晶光学相控阵、4f光学系统和多个口径扩展装置；
所述激光器的出射激光依次经过偏振片、液晶光学相控阵、4f光学系统和口径扩展装置。
进一步地，所述偏振片的偏振方向与液晶光学相控阵的光轴方向一致，液晶光学相控阵位于4f光学系统的前焦平面上。
进一步地，所述口径扩展装置的数量即为扩展口径的倍数；其中，第一口径扩展装置位于4f光学系统4的后焦平面上，其余口径扩展装置与第一口径扩展装置相互平行。
进一步地，第一口径扩展装置包括两个二分之一波片、偏振分光棱镜和单元移相器组成；其余的口径扩展装置分别包括一个二分之一波片、偏振分光棱镜和单元移向器；
所述二分之一波片用于调节光强；偏振分光棱镜用于对入射进行半反射半透射，将入射光分成反射激光和透射激光两路激光射出；所述单元移向器的用于补偿对应光路的相位，使近场相位连续分布；
4f光学系统4的出射激光依次经过第一口径扩展装置的二分之一波片后照射到第一偏振分光棱镜上，第一偏振分光棱镜的透射激光依次经过第一口径扩展装置的另一个二分之一波片和第一单元移向器后射出；
第一偏振分光棱镜的反射激光经过第二口径扩展装置的二分之一波片后照射到第二偏振分光棱镜上，第二偏振分光棱镜的反射激光通过第二单元移向器后射出；
第二偏振分光棱镜的透射激光通过第三口径扩展装置的二分之一波片后照射到第三偏振分光棱镜上，第三偏振分光棱镜的反射激光通过第三单元移向器后射出；
其余口径扩展装置的结构和光路均与第二口径扩展装置相同。
进一步地，所述第一口径扩展装置的偏振分光棱镜激光出射方向上的二分之一波片的旋转角为45°。
进一步地，所述每个口径扩展装置中的二分之一波片的偏振变换角度通过琼斯矩阵法计算得到的。
进一步地，每个口径扩展装置中的单元移向器的加载电压由目标偏转角度决定，与液晶光学相控阵的加载电压匹配。
本发明还公开了一种液晶光学相控阵口径扩展方法，包括以下步骤：
S1、系统校准；
S2、确定口径扩展装置中的二分之一波片的偏振变换角度；
S3、计算所需偏振变换角度对应的相位调制量；
S4、确定口径扩展装置中的单元移向器的加载电压：查找液晶光学相控阵的电压-相位特性曲线，得到液晶光学相控阵相应的电压代码及口径扩展装置中的单元移向器的加载电压；
S5、信号加载，通过波控器将信号加载到液晶光学相控阵及口径扩展装置中的单元移向器，使得液晶光学相控阵产生的幅度调制量满足步骤S4中所计算的值。
进一步地，所述步骤S2具体包括以下子步骤：
S21、根据口径扩展装置的个数，通过琼斯矩阵法计算每个二分之一波片的偏振变换角度，使得每一路出射光束的光强一致；
S22、用光功率计测量每一路光束的强度，微调二分之一波片使每一路光束强度相等。
进一步地，所述步骤S3具体实现方法为：设目标波束偏转角度θ，根据相控阵原理，相邻移相单元之间的相位差
Figure BDA0001697428050000031
与偏转角度θ满足公式
Figure BDA0001697428050000032
其中k0＝2π/λ，λ为激光器工作波长，d为电极之间的间距光栅周期；将目标波束偏转角度θ代入计算得到偏转角度对应的
Figure BDA0001697428050000033
以初始电极的相位为0作为参考，计算N根电极上的相位值并进行2π取余操作，得到相位调制量。
本发明的有益效果是：本发明使用偏振分光棱镜实现激光分束，使用二分之一波片保证每个出射光路的光信息完全相同，使用液晶单元移向器进行相位补偿，采用单个光学相控阵即能实现多倍口径扩展，从系统设计上等效实现PAPA结构从而扩大口径，结构简单，操作方便。
附图说明
图1为本发明的液晶光学相控阵口径扩展系统结构示意图；
图2为本发明的液晶光学相控阵口径扩展方法的流程图；
图3为本发明的相位分布图；
附图标记说明：1-激光器；2-偏振片；3-液晶光学相控阵；4-4f光学系统；5,7,9-二分之一波片，6,10-偏振分光棱镜，8,11-单元移向器。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示，一种液晶光学相控阵口径扩展系统，包括激光器1、偏振片2、液晶光学相控阵3、4f光学系统4和多个口径扩展装置；
所述激光器1的出射激光依次经过偏振片2、液晶光学相控阵3、4f光学系统4和口径扩展装置，本实施例的4f光学系统4由两个透镜组成，透镜的个数可以根据实际需要增加或者减少。
进一步地，所述偏振片2的偏振方向与液晶光学相控阵3的光轴方向一致，液晶光学相控阵4位于4f光学系统4的前焦平面上。
进一步地，所述口径扩展装置的数量即为扩展口径的倍数；其中，第一口径扩展装置位于4f光学系统4的后焦平面上，其余口径扩展装置与第一口径扩展装置相互平行。
进一步地，第一口径扩展装置包括两个二分之一波片5和7、偏振分光棱镜6和单元移相器8组成；其余的口径扩展装置分别包括一个二分之一波片9、偏振分光棱镜10和单元移向器11；
所述二分之一波片用于调节光强；偏振分光棱镜用于对入射进行半反射半透射，将入射光分成反射激光和透射激光两路激光射出；所述单元移向器的用于补偿对应光路的相位，使近场相位连续分布；
4f光学系统4的出射激光依次经过第一口径扩展装置的二分之一波片后照射到第一偏振分光棱镜上，第一偏振分光棱镜6的透射激光依次经过第一口径扩展装置的另一个二分之一波片7和第一单元移向器8后射出；
第一偏振分光棱镜6的反射激光经过第二口径扩展装置的二分之一波片9后照射到第二偏振分光棱镜10上，第二偏振分光棱镜10的反射激光通过第二单元移向器11后射出；
第二偏振分光棱镜10的透射激光通过第三口径扩展装置的二分之一波片后照射到第三偏振分光棱镜上，第三偏振分光棱镜的反射激光通过第三单元移向器后射出；
其余口径扩展装置的结构和光路均与第二口径扩展装置相同。
进一步地，所述第一口径扩展装置的偏振分光棱镜激光出射方向上的二分之一波片的旋转角为45°。
进一步地，所述每个口径扩展装置中的二分之一波片的偏振变换角度通过琼斯矩阵法计算得到的。
进一步地，每个口径扩展装置中的单元移向器的加载电压由目标偏转角度决定，与液晶光学相控阵的加载电压匹配。
如图2所示，本发明的液晶光学相控阵口径扩展方法包括以下步骤：
S1、系统校准；确认激光器的出射激光束经过偏振片后为线偏振光，线偏振光经过4f系统的前焦面即光学相控阵后，经过光学相控阵调制的信息出现在4f系统的后焦平面即口径扩展装置上。
S2、确定口径扩展装置中的二分之一波片的偏振变换角度；具体包括以下子步骤：
S21、根据口径扩展装置的个数，通过琼斯矩阵法计算每个二分之一波片的偏振变换角度，使得每一路出射光束的光强一致；
S22、用光功率计测量每一路光束的强度，微调二分之一波片使每一路光束强度相等。
S3、计算所需偏振变换角度对应的相位调制量；具体实现方法为：设目标波束偏转角度θ，根据相控阵原理，相邻移相单元之间的相位差
Figure BDA0001697428050000041
与偏转角度θ满足公式
Figure BDA0001697428050000042
其中k0＝2π/λ，λ为激光器工作波长，d为电极之间的间距光栅周期；将目标波束偏转角度θ代入计算得到偏转角度对应的
Figure BDA0001697428050000043
以初始电极的相位为0作为参考，计算N根电极上的相位值并进行2π取余操作，得到相位调制量。由于单个相控阵的电极数量有限，单个相控阵的调制量不总是整数个2π，在多个相控阵并行排列时，近场相位分布不连续，如图3(a)所示，D为单个相控阵的宽度。所以在口径扩展装置中加入单元移向器进行相位补偿，补偿后的相位分布如图3(b)所示。
S4、确定口径扩展装置中的单元移向器的加载电压：查找液晶光学相控阵的电压-相位特性曲线，得到液晶光学相控阵相应的电压代码及口径扩展装置中的单元移向器的加载电压；
S5、信号加载，通过波控器将信号加载到液晶光学相控阵及口径扩展装置中的单元移向器，使得液晶光学相控阵产生的幅度调制量满足步骤S4中所计算的值。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种液晶光学相控阵口径扩展系统，其特征在于，包括激光器(1)、偏振片(2)、液晶光学相控阵(3)、4f光学系统(4)和多个口径扩展装置；
所述激光器(1)的出射激光依次经过偏振片(2)、液晶光学相控阵(3)、4f光学系统(4)和口径扩展装置；
所述口径扩展装置的数量即为扩展口径的倍数；其中，第一口径扩展装置位于4f光学系统(4)的后焦平面上，其余口径扩展装置与第一口径扩展装置相互平行；
第一口径扩展装置包括两个二分之一波片、偏振分光棱镜和单元移相器组成；其余的口径扩展装置分别包括一个二分之一波片、偏振分光棱镜和单元移向器；
所述二分之一波片用于调节光强；偏振分光棱镜用于对入射进行半反射半透射，将入射光分成反射激光和透射激光两路激光射出；单元移向器的用于补偿对应光路的相位，使近场相位连续分布；
4f光学系统(4)的出射激光依次经过第一口径扩展装置的二分之一波片后照射到第一偏振分光棱镜上，第一偏振分光棱镜的透射激光依次经过第一口径扩展装置的另一个二分之一波片和第一单元移向器后射出；
第一偏振分光棱镜的反射激光经过第二口径扩展装置的二分之一波片后照射到第二偏振分光棱镜上，第二偏振分光棱镜的反射激光通过第二单元移向器后射出；
第二偏振分光棱镜的透射激光通过第三口径扩展装置的二分之一波片后照射到第三偏振分光棱镜上，第三偏振分光棱镜的反射激光通过第三单元移向器后射出；
其余口径扩展装置的结构和光路均与第二口径扩展装置相同。
2.根据权利要求1所述的一种液晶光学相控阵口径扩展系统，其特征在于，所述偏振片(2)的偏振方向与液晶光学相控阵(3)的光轴方向一致，液晶光学相控阵(4)位于4f光学系统(4)的前焦平面上。
3.根据权利要求1所述的一种液晶光学相控阵口径扩展系统，其特征在于，所述第一口径扩展装置的偏振分光棱镜激光出射方向上的二分之一波片的旋转角为45°。
4.根据权利要求1所述的一种液晶光学相控阵口径扩展系统，其特征在于，所述每个口径扩展装置中的二分之一波片的偏振变换角度通过琼斯矩阵法计算得到的。
5.根据权利要求1所述的一种液晶光学相控阵口径扩展系统，其特征在于，每个口径扩展装置中的单元移向器的加载电压由目标偏转角度决定，与液晶光学相控阵的加载电压匹配。
6.一种液晶光学相控阵口径扩展方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、系统校准；
S2、确定口径扩展装置中的二分之一波片的偏振变换角度；
S3、计算所需偏振变换角度对应的相位调制量；
S4、确定口径扩展装置中的单元移向器的加载电压：查找液晶光学相控阵的电压-相位特性曲线，得到液晶光学相控阵相应的电压代码及口径扩展装置中的单元移向器的加载电压；
S5、信号加载，通过波控器将信号加载到液晶光学相控阵及口径扩展装置中的单元移向器，使得液晶光学相控阵产生的幅度调制量满足步骤S4中所计算的值。
7.根据权利要求6所述一种液晶光学相控阵口径扩展方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下子步骤：
S21、根据口径扩展装置的个数，通过琼斯矩阵法计算每个二分之一波片的偏振变换角度，使得每一路出射光束的光强一致；
S22、用光功率计测量每一路光束的强度，微调二分之一波片使每一路光束强度相等。
8.根据权利要求6所述一种液晶光学相控阵口径扩展方法，其特征在于，所述步骤S3具体实现方法为：设目标波束偏转角度θ，根据相控阵原理，相邻移相单元之间的相位差
Figure FDA0002394621950000021
与偏转角度θ满足公式
Figure FDA0002394621950000022
其中k0＝2π/λ，λ为激光器工作波长，d为电极之间的间距光栅周期；将目标波束偏转角度θ代入计算得到偏转角度对应的
Figure FDA0002394621950000023
以初始电极的相位为0作为参考，计算N根电极上的相位值并进行2π取余操作，得到相位调制量。
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