CN108873316B - 多块多通道复用体布拉格光栅级联角度偏转器 - Google Patents

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Abstract

一种多块多通道复用体布拉格光栅级联角度偏转器，构成是：沿入射光方向依次是第1块复用体布拉格光栅的前表面的第1增透膜、第1块复用透射式体布拉格光栅、第2块复用透射式体布拉格光栅、…、第N块复用透射式体布拉格光栅和第N块复用透射式体布拉格光栅的后表面的第2增透膜，N为2以上的正整数。所包含的所有光栅通道的最小偏转角度从小到大依次级联。本发明提高了入射光束的绝对衍射效率，具有性能优越，结构简单，可大批量生产，在激光光束扫描技术领域具有重要的实用前景。

Description

多块多通道复用体布拉格光栅级联角度偏转器
技术领域
本发明涉及激光光束扫描，特别是一种多块多通道复用体布拉格光栅级联角度偏转器。
背景技术
传统的光束扫描装置通常是采用机械运动的方法实现的，这种实现方式存在扫描速度和精度相对较低且体积非常庞大、重、昂贵和易受机械振动影响等缺点。随着相关技术的突破，近年来，光学相控阵技术得到了较快的发展，可以较为方便和快速的对激光光束进行非机械式二维扫描。光学相控阵不仅使相控阵激光雷达系统成为可能，而且在目标捕获、高精度瞄准、高分辨率成像、通信链接、定向红外反侦查和自适应光学系统等方面有广阔的应用。但是，受到各种因素的制约，目前光学相控阵的光束角度偏转能力有限(典型的为±3°～5°)，难以满足实际应用中大角度偏转范围的需求，因此需要将光学相控阵与其他大角度光束偏转技术相结合。
记录在光热敏折变玻璃内的体布拉格光栅可以实现大角度的光束偏转，同时具有高的衍射效率、极低的散射损耗、吸收损耗和良好的高功率耐受性，使其成为理想的多块多通道复用体布拉格光栅级联角度偏转器之一。通过设计体布拉格光栅的周期和条纹倾斜角参数，可以实现光束的小角度入射和大角度偏转出射，在体布拉格光栅前级使用光学相控阵来调制通过体布拉格光栅的光束角度，可以实现光束的偏转或不偏转。当光束的入射角度调节至多块多通道复用体布拉格光栅级联角度偏转器各个光栅通道对应的入射角度时，光束会被不同光栅通道选择性的大角度衍射出去，再通过多块多通道复用体布拉格光栅级联角度偏转器之后的精调相控阵对特定角度出射的光束进行精细控制和填充，最终可实现大角度范围内的准连续光束角度控制。所需的大角度偏转范围和精调相控阵的角度调节范围共同决定了多块多通道复用体布拉格光栅级联角度偏转器的通道数量。受限于光热敏折变玻璃的折射率调制范围(2×10-3)以及相邻通道之间的串扰影响，当在一块玻璃内复写太多组光栅(如10路以上)时，玻璃需要具有较大的厚度，以满足实现高衍射效率的条件。而当厚度较大时，体布拉格光栅的角度选择半宽较小(毫弧度量级)，此时激光束的发散特性会大大降低入射光束最终的衍射效率，如图2所示。此外，在一块玻璃内复写太多组光栅，给光栅制备工艺带来了极大的挑战，成品率低、成本高且耗时费力。而通过多个单路体布拉格光栅的级联使用，虽然可以避免复用体布拉格光栅中相邻通道的串扰效应和获得较高的衍射效率，但该方法会增加系统所需的孔径大小、元件数量以及系统复杂性，使得光束扫描系统难以实用化。目前，尚未见有相关文献或专利给出较好的解决方案。
发明内容
为了使光束扫描系统更加小型化、轻量化和尽可能获得高的最终衍射效率，本发明提出一种多块复用体布拉格光栅级联角度偏转器。该角度偏转器，记录在光敏材料(特别是光热敏玻璃)内的体布拉格光栅具有入射角度和出射角度设计灵活、优异的角度选择性以及良好的复用特性。
本发明的技术解决方案如下：
一种多块多通道复用体布拉格光栅级联角度偏转器，特点在于其构成是：沿入射光方向依次是第1块复用体布拉格光栅的前表面的第1增透膜、第1块复用透射式体布拉格光栅、第2块复用透射式体布拉格光栅、…、第N块复用透射式体布拉格光栅和第N块复用透射式体布拉格光栅的后表面的第2增透膜，所述的第1块复用透射式体布拉格光栅、第2块复用透射式体布拉格光栅、…、第N块复用透射式体布拉格光栅的光栅通道的最小出射角从小到大依次排列，所述的复用透射式体布拉格光栅通过折射率匹配液贴合成一个整体，每一块复用体布拉格光栅的各路光栅通道对应着特定的入射角和出射角，N为2以上的正整数。
所述的各通道对应的入射角均在多块多通道复用体布拉格光栅级联角度偏转器前端的光学相控阵的角度偏转能力范围内，相邻通道的入射角间隔大于该两个通道的角度选择曲线零值半宽；各通道的出射角范围对应着所需的角度偏转范围，相邻通道的出射角度间隔略小于光学相控阵的角度偏转能力范围。
每一块复用体布拉格光栅包含多组相互对称的光栅，相互对称光栅的周期相同，条纹倾斜角互补。
每一块复用体布拉格光栅的相邻通道入射角间隔远大于角度选择曲线的零值半宽，其所有光栅通道的折射率调制度之和略小于光热敏玻璃的折射率动态调制范围。
假定需求的最大偏转角度为±θom，光学相控阵的角度偏转范围为±θim，由于多块多通道复用体布拉格光栅级联角度偏转器0°入射0°出射这一通道本身即可实现，不需要额外增加光栅通道，所以所述的多块多通道复用体布拉格光栅级联角度偏转器所需要的最低光栅通道数M＝[(2θom-2θim)/θim]+1。实际应用中在M数值基础上适当增加几路通道，以提高系统的容错率。
每一路光栅通道的入射角度αx和出射角度βx同时为正或为负，并为正相关关系，所述的x为光栅通道的序号，所有光栅通道两两相互对称，相互对称的光栅周期相同，条纹倾斜角互补，在制备工艺的曝光过程中共用一套曝光光路。所述的多块多通道复用体布拉格光栅级联角度偏转器各通道对应的入射角均在其前端的光学相控阵的角度偏转能力范围内，相邻通道的入射角间隔大于该两个通道的角度选择曲线零值半宽；相邻通道的出射角度间隔略小于光学相控阵的角度偏转能力范围。
将入射角度间隔远大于角度选择曲线零值半宽的光栅通道以及相互对称的光栅通道放置在一块复用体布拉格光栅内，以降低相邻通道间的串扰作用。每一块复用体光栅的所有光栅通道的折射率调制度之和略小于光热敏玻璃的折射率动态调制范围，同时保证光栅具有较低的厚度，降低了光束发散角对每一路通道光栅最终衍射效率的影响。多块多通道复用体光栅按照其所包含的光栅通道的最小出射角度沿光束方向从小到大依次排列，第一块复用体布拉格光栅的前表面和最后一块复用体布拉格光栅的后表面镀制了工作波长下的标准增透膜，多块复用透射式体布拉格光栅通过折射率匹配液贴合成一个整体。
通过调节光束的入射角度至若干个离散的角度，光束会被不同光栅通道选择性的衍射出去，实现光束多个大角度离散偏转。多块多通道复用体布拉格光栅级联角度偏转器之后的精调相控阵再对特定角度出射的光束进行精细控制和填充，最终可实现大角度范围内的准连续光束角度控制。
本发明的优点：
1、采用体布拉格光栅作为光束角度偏转元件，其角度选择性好，效率高，具有优异的高功率耐受性；
2、级联的方式使本发明多块多通道复用体布拉格光栅级联角度偏转器的结构更加紧凑，便于光束连续偏转系统的小型化与轻量化；
3、入射光束的发散角对最终衍射效率的影响较小；
4、低通道路数的复用体布拉格光栅的制备难度相对较低，易于实现批量化生产。
附图说明
图1为本发明多块多通道复用体布拉格光栅级联角度偏转器的结构示意图。
图2为入射光束高斯发散角与各通道光栅衍射效率关系图。
图3给出本发明多块多通道复用体布拉格光栅级联角度偏转器实施例的入射角度和各通道光栅最终相对衍射效率的关系示意图
图中：
1-对应着不同光栅通道的入射角度的入射光，2-第1增透膜系，3-第1复用体布拉格光栅MVBG1，4-第2复用体布拉格光栅MVBG2，5-第N复用体布拉格光栅MVBGN(N为最后一块光栅的序号)，6-第2增透膜系，7-多块多通道复用体布拉格光栅级联角度偏转器所需的最小孔径，8-单块复用体布拉格光栅厚度，9-多块多通道复用体布拉格光栅级联角度偏转器厚度，a～f–多块多通道复用体布拉格光栅级联角度偏转器的出射通道，θim-多块多通道复用体布拉格光栅级联角度偏转器的最大入射角度，θom-多块多通道复用体布拉格光栅级联角度偏转器的最大出射角度
具体实施方式
下面结合附图和附表对本发明作进一步说明,但不应以此限制本发明的保护范围。
图1给出了本发明多块多通道复用体布拉格光栅级联角度偏转器的结构示意图。由图可见。本发明多块多通道复用体布拉格光栅级联角度偏转器，构成是：沿入射光方向依次是第1块复用体布拉格光栅3的前表面的第1增透膜2、第1块复用透射式体布拉格光栅3、第2块复用透射式体布拉格光栅4、…、第N块复用透射式体布拉格光栅5和第N块复用透射式体布拉格光栅的后表面的第2增透膜6，所述的第1块复用透射式体布拉格光栅3、第2块复用透射式体布拉格光栅4、…、第N块复用透射式体布拉格光栅5的光栅通道的最小出射角从小到大依次排列，所述的复用透射式体布拉格光栅通过折射率匹配液贴合成一个整体，每一块复用体布拉格光栅的各路光栅通道对应着特定的入射角和出射角，N为2以上的正整数。
实施例
本实施例采用光热敏折变(PTR)玻璃为记录材料，工作波长为1064nm。本实施例的N＝3，即构成是：沿入射光方向依次是第1块复用体布拉格光栅3的前表面的第1增透膜2、第1块复用透射式体布拉格光栅(简称为第1复用光栅MVBG1或MVBG1)3、第2块复用透射式体布拉格光栅4、第3块复用透射式体布拉格光栅5和第3块复用透射式体布拉格光栅的后表面的第2增透膜6。根据需求的角度偏转范围(以-45°～45°为例)和光学相控阵的角度偏转能力(典型为-5°～5°)，我们将所需的光栅通道数设置为12个，相邻入射角度和出射角度之间的间隔分别设置为0.8°和7.5°。根据kogelnik耦合波理论，在每一路光栅通道的入射角度和出射角度确定后，计算出各个光栅通道的周期和倾斜角参数。表1给出了体布拉格光栅各通道的角度偏转特性和结构参数。
表1
Figure BDA0001724577220000061
由于本实施例以光热敏折变(PTR)玻璃为记录材料，因此在综合考虑PTR玻璃的折射率调制范围(2×10-3左右)及保证复用体光栅具有较低的厚度后，我们选择在1mm厚的PTR玻璃内部复写四路光栅通道，其中第1复用光栅MVBG1包含通道a,d,g,j；第2复用光栅MVBG2包含通道b,e,h,k；第3复用光栅MVBGN包含通道c、f、i、l。通过将周期相同和条纹倾斜角互补的相互对称的光栅通道(如通道a和通道g)和角度间隔远大于角度选择曲线零值半宽的光栅通道组合在一块复用体光栅内部的方式，降低了相邻通道的串扰作用和简化了曝光工艺过程(对称的光栅通道可使用同一套曝光光路)。我们将具有较小角放大率的光栅MVBG1放置在前级，光栅MVBG2位于中间，具有较大角放大率的光栅MVBG3放置在后级进行级联使用，此时系统所需要的孔径可实现最小化。
在确定各复用光栅的结构参数后，基于双光束干涉原理搭建相应通道的紫外双光束干涉曝光光路。对于每块4路复用体光栅，只需要搭建两套不同参数的曝光光路。在曝光对称通道光栅中的另一路时，将PTR玻璃沿垂直表面法线方向的面内旋转180°即可。依次曝光所需的4路光栅通道，每次曝光量一致，均为150mJ/cm2。将曝光后的PTR玻璃在500℃下热处理6.5h。完成3块复用体光栅的制备后，在光栅MVBG1的前表面和光栅MVBG3的后表面镀制1064nm标准增透膜。使用折射率匹配液将复用体光栅MVBG1、MVBG2和MVBG3按照图1所示方式进行级联构成多块多通道复用体布拉格光栅级联角度偏转器。
使用时，光束从多块多通道复用体布拉格光栅级联角度偏转器的前端入射，入射角度由前端的光学相控阵在小角度范围内连续调控。当入射角度对应着某一光栅通道的入射角时，会被选择性的衍射出去。例如光束入射角θim调节为0.8°，此时会对应着复用体光栅MVBG1内的光栅通道a，光束会先被MVBG1偏转至7.5°，然后无偏转的通过MVB2和MVBG3并出射；光束入射角θim调节为4.8°，此时会对应着MVBG3中的光栅通道f，光束先无偏转的通过MVBG1，MVBG2，然后被MVBG3偏转至45°出射。
图3给出所制备出的本发明多块多通道复用体布拉格光栅级联角度偏转器实施例的入射角度和各通道光栅最终相对衍射效率的关系示意图。实验表明，本发明的多块多通道复用体布拉格光栅级联角度偏转器能够达到80％以上的相对衍射效率，各通道光束衍射角度与设计值相差不超过0.5°，能够满足使用需要。该结构器件具有角度设计灵活、结构紧凑，制备简单等优点，是理想的多块多通道复用体布拉格光栅级联角度偏转器件，在激光光束扫描技术领域具有良好实用前景。

Claims (3)

1.一种多块多通道复用体布拉格光栅级联角度偏转器，特征在于其构成是：沿入射光方向依次是第1块复用体布拉格光栅(3)的前表面的第1增透膜(2)、第1块复用透射式体布拉格光栅(3)、第2块复用透射式体布拉格光栅(4)、第3块复用透射式体布拉格光栅(5)和第3块复用透射式体布拉格光栅的后表面的第2增透膜(6)，所述的第1块复用透射式体布拉格光栅(3)、第2块复用透射式体布拉格光栅(4)、第3块复用透射式体布拉格光栅(5)的光栅通道的最小出射角从小到大依次排列，所述的复用透射式体布拉格光栅通过折射率匹配液贴合成一个整体，每一块复用体布拉格光栅的各路光栅通道对应着特定的入射角和出射角；
第1块复用透射式体布拉格光栅(3)编号为MVGB1，包含光栅通道a,d,g,j；第2块复用透射式体布拉格光栅(4)编号为MVBG2，包含光栅通道b,e,h,k；第3块复用透射式体布拉格光栅(5)编号为MVBG3，包含光栅通道c、f、i、l；光栅通道a/g、d/j、b/h、e/k、c/i、f/l的入射角度分别为0.8°/-0.8°、3.2°/-3.2°、1.6°/-1.6°、4°/-4°、2.4°/-2.4°、4.8°/-4.8°，出射角度分别为7.5°/-7.5°、30°/-30°、15°/-15°、37.5°/-37.5°、22.5°/-22.5°、45°/-45°，光栅周期分别为9117.3nm、2352.4nm、4586.6nm、1920.3nm、3089.7nm、1642.4nm，条纹倾斜角度分别为87.22°/92.78°、79.12°/100.88°、84.46°/95.54°、81.75°/98.25°、74.22°/105.78°。
2.根据权利要求1所述的多块多通道复用体布拉格光栅级联角度偏转器，其特征在于：所述的各通道对应的入射角均在多块多通道复用体布拉格光栅级联角度偏转器前端的光学相控阵的角度偏转能力范围内，相邻通道的入射角间隔大于该相邻通道的角度选择曲线零值半宽；各通道的出射角范围对应着所需的角度偏转范围，相邻通道的出射角度间隔小于光学相控阵的角度偏转能力范围。
3.根据权利要求1或2所述的多块多通道复用体布拉格光栅级联角度偏转器，其特征在于：每一块复用体布拉格光栅的相邻通道入射角间隔大于角度选择曲线的零值半宽，其所有光栅通道的折射率调制度之和小于光热敏玻璃的折射率动态调制范围。
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