CN110542892B - 一种激光发射天线 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学技术领域，公开了一种激光发射天线，包括：超材料反射镜、抛物面反射镜、入射窗口、出射窗口；超材料反射镜与抛物面反射镜共焦点，入射窗口嵌于抛物面反射镜内，超材料反射镜的基底层作为出射窗口。本发明解决了现有技术中激光发射天线的体积较大的问题，能够缩短发射天线整体的轴向长度，实现更小的体积。

Description

一种激光发射天线

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种激光发射天线。

背景技术

激光雷达的光束发散角是决定雷达测距性能的关键参数之一，因此在激光雷达系统中通常需要采用激光发射天线对光束发散角进行压缩。压缩发散角不仅可以提升光斑的能量密度、增强激光雷达的探测能力、减小光束远场光斑大小、提高激光雷达的空间分辨率，还可以减小接收系统视场角，从而减小背景噪声、提高雷达探测概率与测距精度。

现有的用于扩束的激光发射天线一般由一片凹透镜和一片凸透镜组成，其发散角压缩能力由凸透镜与凹透镜焦距的比值决定，发散角压缩比越高，凸透镜焦距越长，发射天线总长度越长。但是，在激光雷达的诸多应用场景，特别是星载激光雷达中，对激光雷达系统的体积、重量有严格的限制，因此如何设计出一种小体积、高压缩比的激光发射天线是亟需解决的问题。

发明内容

本申请实施例通过提供一种激光发射天线，解决了现有技术中激光发射天线的体积较大的问题。

本申请实施例提供一种激光发射天线，包括：超材料反射镜、抛物面反射镜、入射窗口、出射窗口；

所述超材料反射镜与所述抛物面反射镜共焦点，所述入射窗口嵌于所述抛物面反射镜内，所述超材料反射镜的基底层作为所述出射窗口。

优选的，所述超材料反射镜从上至下依次包括：相位调节层、相位延迟层、反射层、基底层；所述相位调节层由纳米棒阵列构成。

优选的，所述纳米棒阵列由若干纳米棒组成，每个所述纳米棒与对应的相位延迟层、反射层、基底层构成超材料反射镜单元结构；每个所述超材料反射镜单元结构的尺寸相同，且均为亚波长尺寸。

优选的，所述超材料反射镜单元结构对对应波长的激光具有窄带响应。

优选的，每个所述纳米棒根据由G-S算法得出的相位设置朝向角。

优选的，所述相位调节层由铝纳米棒阵列构成，所述相位延迟层为氟化镁层，所述反射层为铝反射层。

优选的，所述入射窗口采用平板玻璃制成，所述入射窗口的两面镀有增透膜。

优选的，所述抛物面反射镜采用K9玻璃制作；所述抛物面反射镜的抛物面作为反射面，并镀有金属膜。

优选的，所述出射窗口采用平板玻璃制成，所述出射窗口的两面镀有增透膜。

优选的，所述入射窗口安装固定在所述抛物面反射镜的平面一侧所预留的安装孔位中，所述出射窗口安装固定在所述抛物面反射镜的抛物面一侧；所述入射窗口、所述出射窗口平行设置。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

在本申请实施例中，提供的激光发射天线包括超材料反射镜、抛物面反射镜、入射窗口、出射窗口；超材料反射镜与抛物面反射镜共焦点，入射窗口嵌于抛物面反射镜内，超材料反射镜的基底层作为出射窗口。光束经过入射窗口进入激光发射天线后，通过超材料反射镜将入射光束发散，发散的光束在传播过程中扩束，在抛物面反射镜的表面反射并准直，最终经由出射窗口出射。相比传统的非球面透镜，本发明采用的超材料反射镜单元结构尺寸在亚波长量级，可以对光束波前相位进行逐点调控，产生精确的相位分布，可以实现更大的数值孔径，在入射光束孔径相同的条件下，可以减小反射镜焦距，从而缩短发射天线整体的轴向长度，实现更小的体积。

附图说明

为了更清楚地说明本实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种激光发射天线的整体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种激光发射天线的光路图；

图3为本发明实施例提供的一种激光发射天线中超材料反射镜单元结构的侧视图；

图4为本发明实施例提供的一种激光发射天线中超材料反射镜单元结构的俯视图；

图5为本发明实施例提供的一种激光发射天线中超材料反射镜单元结构的相位分布图；

图6为本发明实施例提供的一种激光发射天线的扩束效果图。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

本实施例提供了一种激光发射天线，如图1所示，包括：抛物面反射镜1、超材料反射镜2、入射窗口3、出射窗口4；所述超材料反射镜2与所述抛物面反射镜1共焦点，所述入射窗口3嵌于所述抛物面反射镜1内，所述超材料反射镜2的基底层作为所述出射窗口4。

光束经过所述入射窗口3进入激光发射天线后，使用所述超材料反射镜2将入射光束发散，发散的光束在传播过程中扩束，在所述抛物面反射镜1的表面反射并准直，最终经由所述出射窗口4出射。

需要强调的是，所述超材料反射镜2的基底层与所述出射窗口4为同一结构；例如，具体的，所述出射窗口采用平板玻璃制成，则此平面玻璃即为所述超材料反射镜2的基底层。可以理解为所述超材料反射镜2直接制作在所述出射窗口4的平板玻璃基底上，或所述超材料反射镜2以所述出射窗口4的平板玻璃为基底进行制作。

本发明提供的激光发射天线在工作过程中的光传播路径如图2所示，激光器输出的准平行光经过所述入射窗口到达所述超材料反射镜的表面，所述超材料反射镜将光束发散，发散光束的反向延长线交于一点，通过合理的设置所述超材料反射镜的位置，使该点与所述抛物面反射镜的焦点重合，则所述超材料反射镜输出的光束经由所述抛物面反射镜反射后重新得到准直，且光束直径扩大，发散角压缩，准直性更好。

如图3所示，所述超材料反射镜从上至下依次包括：相位调节层5、相位延迟层6、反射层7、基底层8；所述相位调节层5由纳米棒阵列构成。其中，图3中的基底层8与图1中的出射窗口4为同一结构。

具体的，所述纳米棒阵列由若干纳米棒组成，每个所述纳米棒与对应的相位延迟层、反射层、基底层构成超材料反射镜单元结构，如图4所示。每个所述超材料反射镜单元结构的尺寸相同，具有加工简单、便于组成阵列的优点；且所述超材料反射镜单元结构为亚波长尺寸。所述超材料反射镜单元结构对对应波长的激光具有窄带响应。每个所述纳米棒根据由G-S算法得出的相位设置朝向角。

一个具体的结构为：所述相位调节层由铝纳米棒阵列构成，所述相位延迟层为氟化镁层，所述反射层为铝反射层。

需要说明的是，根据不同的入射波长可以选择不同的材料，在某些波段，铝可以替换为金或银，氟化镁可以替换为其他低损耗的光学薄膜材料如硫化锌、二氧化钛等。

每个铝纳米棒为长方体，其长宽高均为亚波长尺寸；铝纳米棒的相位由G-S算法得出，根据其不同相位，每个铝纳米棒的朝向角不同。

优选的方案中，所述入射窗口采用高精度的平板玻璃制成，所述入射窗口的两面镀有增透膜，能够减小光束的能量损耗。所述出射窗口的两面镀有增透膜，以减小光束能量损耗。

所述抛物面反射镜可以根据工作的波长选择不同的光学玻璃，以所述抛物面反射镜采用K9玻璃制作为例，内侧加工为抛物面面型；所述抛物面反射镜的抛物面作为反射面，抛光后镀有金属膜。

具体的固定方式可以为：所述入射窗口安装固定在所述抛物面反射镜的平面一侧所预留的安装孔位中，以硅橡胶固定；所述出射窗口安装固定在所述抛物面反射镜的抛物面一侧，同样以硅橡胶固定。从结构的角度，所述入射窗口、所述出射窗口平行设置。从功能的角度，所述超材料反射镜、所述入射窗口、所述出射窗口三者相互平行。

下面结合数据提供一个具体的实施例。

入射光束采用波长为532nm的激光光源，所述入射窗口及所述出射窗口镀相应的增透膜以减小光束能量损耗，其透过率均优于99％。

入射光束的直径为2mm，根据所述超材料反射镜能达到的数值孔径(最大到0.8左右)，设计所述超材料反射镜的焦距为0.625mm。

在该系统近轴区域，激光光束的压缩比等于所述超材料反射镜的焦距与所述抛物面反射镜的焦距之比。要达到20倍压缩比，所述抛物面反射镜的焦距设计为12.5mm，其直径为50mm。

所述超材料反射镜单元结构可分为四层，由上至下依次为：铝纳米棒层、氟化镁层、铝反射层以及玻璃基底层。

其中，如图4所示，铝纳米棒层起到调节相位的作用，纳米棒的长边方向代表长轴，短边方向代表短轴，长轴与x轴的夹角为朝向角θ，当入射光束为左旋或者右旋圆偏光束时，出射光束旋向相反，同时将产生2θ的位相延迟。因此通过调整θ的大小(也就是纳米棒在xoy坐标平面内的朝向角)，就可以调节和控制出射光的位相。氟化镁层起到法布里-玻罗腔的作用，使光束在铝反射层与纳米棒之间反复振荡，产生一定的相位延迟。铝反射层起到反射镜的作用，反射入射光束。

根据入射光束的波长λ＝532nm，使用电磁仿真软件Comsol对所述超材料反射镜单元结构的参数进行了仿真优化，得到所述超材料反射镜单元结构的长宽尺寸C＝300nm(此处的长宽尺寸300nm指的是相邻的两个铝纳米棒中心之间在长宽方向上的间隔均为300nm，而氟化镁层、铝反射层和基底层则根据纳米棒的间隔人为分成或理解为一个个小单元，实际上是连续的)，其中，氟化镁层的厚度d＝15nm；每个铝纳米棒的宽度W＝35nm，高度H＝40nm，长度L＝97nm。

入射光束在所述超材料反射镜的表面发射时，其波前分布由平面波变为球面波，所述超材料反射镜的相位分布可由公式

进行计算，也可由G-S算法进行优化求解，两者的结果基本相同，根据各点的相位分布可以得到各个所述超材料反射镜单元结构中纳米棒的朝向角θ。根据本例中入射光束波长为532nm，对应的所述超材料反射镜的相位分布如图5所示。

经本发明提供的激光发射天线进行扩束前后的光束直径的对比如图6的所示，(a)代表入射光束，(b)代表出射光束，可以看出，扩束倍率较高，中心遮挡小，因此在扩束过程中激光光束的能量损失非常小。

由于所述超材料反射镜可以达到较大的数值孔径(0.8左右)，本发明提供的激光发射天线在实现20倍扩束比的同时将天线整体的轴向长度压缩到了20mm，而传统的同样扩束比的伽利略式扩束系统的轴向长度一般大于100mm，因此本发明能够在保证高压缩比、低能量损耗的前提下大幅缩小激光发射天线的体积，且发射天线结构简单，设计合理，易于加工及装配，装配完成后整体密封，结构稳定性好，实用性强。

综上，本发明利用超材料反射镜以及抛物面反射镜组成一种小体积高压缩比的激光发射天线，通过超材料反射镜单元结构能对光束波前相位进行调制，实现入射光束的发散，再经过抛物面反射镜准直后，得到直径扩大、发散角压缩的出射光束。相比传统的球面与非球面透镜，超材料反射镜可达到更大的数值孔径，可以有效缩短发射天线的长度，减小发射天线的体积与重量。

本发明实施例提供的一种激光发射天线至少包括如下技术效果：

(1)相比传统的非球面透镜，本发明采用的超材料反射镜可以实现更大的数值孔径，在入射光束孔径相同的条件下可以减小反射镜焦距，从而缩短发射天线整体的轴向长度，实现更小的体积。

(2)本发明中的超材料反射镜通过对光束的逐点相位调控，可以实现光束的衍射极限发散，而由于抛物面的几何特性，由焦点出射的光束经过反射后将平行于光轴出射。因此，光束经过发射天线准直后可以实现衍射极限发散角。

(3)本发明提供的激光发射天线结构简单，设计合理，易于加工及装配，装配完成后整体密封，结构稳定性好，实用性强。

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，尽管参照实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 (10)

1.一种激光发射天线，其特征在于，包括：超材料反射镜、抛物面反射镜、入射窗口、出射窗口；

所述超材料反射镜与所述抛物面反射镜共焦点，所述入射窗口嵌于所述抛物面反射镜内，所述超材料反射镜的基底层作为所述出射窗口；

激光光束的压缩比等于所述超材料反射镜的焦距与所述抛物面反射镜的焦距之比；根据所述超材料反射镜的数值孔径设计所述超材料反射镜的焦距；

所述入射窗口的两面镀有增透膜；所述出射窗口的两面镀有增透膜。

2.根据权利要求1所述的激光发射天线，其特征在于，所述超材料反射镜从上至下依次包括：相位调节层、相位延迟层、反射层、基底层；所述相位调节层由纳米棒阵列构成。

3.根据权利要求2所述的激光发射天线，其特征在于，所述纳米棒阵列由若干纳米棒组成，每个所述纳米棒与对应的相位延迟层、反射层、基底层构成超材料反射镜单元结构；每个所述超材料反射镜单元结构的尺寸相同，且均为亚波长尺寸。

4.根据权利要求3所述的激光发射天线，其特征在于，所述超材料反射镜单元结构对对应波长的激光具有窄带响应。

5.根据权利要求3所述的激光发射天线，其特征在于，每个所述纳米棒根据由G-S算法得出的相位设置朝向角。

6.根据权利要求2所述的激光发射天线，其特征在于，所述相位调节层由铝纳米棒阵列构成，所述相位延迟层为氟化镁层，所述反射层为铝反射层。

7.根据权利要求1所述的激光发射天线，其特征在于，所述入射窗口采用平板玻璃制成。

8.根据权利要求1所述的激光发射天线，其特征在于，所述抛物面反射镜采用K9玻璃制作；所述抛物面反射镜的抛物面作为反射面，并镀有金属膜。

9.根据权利要求1所述的激光发射天线，其特征在于，所述出射窗口采用平板玻璃制成。

10.根据权利要求1所述的激光发射天线，其特征在于，所述入射窗口安装固定在所述抛物面反射镜的平面一侧所预留的安装孔位中，所述出射窗口安装固定在所述抛物面反射镜的抛物面一侧；所述入射窗口、所述出射窗口平行设置。

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