CN110646873A - 空间光学激光反射器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间光学激光反射器，所述空间光学激光反射器包括：三直角反射面反射结构，用于将入射的激光光束沿原光路方向精确返回；衍射相位整形结构，为一系列周期规律亚波长同心环状光栅，设置于三直角反射面反射结构的出入射面，用于将经过三直角反射面反射结构反射的激光光束通过其表面光栅衍射后，在目标接收位置干涉整形形成符合要求的光斑。

Description

空间光学激光反射器

技术领域

本发明涉及激光测距领域，尤其涉及一种空间光学激光反射器。

背景技术

激光反射器是一种特殊的逆向反射器，由三个相互垂直(90°)的反射面和一个入(出)射面构成，为四面体锥状棱镜，具有空间定向发射特性。理想情况下，一束激光从角锥棱镜的底面入射，依次经过3个直角面的反射后，出射光将以与入射光平行的方向反向射出。

在航空航天领域，激光反射器是跟踪和测量卫星、航空航天器距离必须的部件，为无源光学器件，装载在飞行器表面，其作用是将测距激光光束按入射方向原光路反射，以实现测距点和飞行器之间的远距离精密测量。另外，在对远距离目标、导弹、运载火箭等物体的精密测量中也有广泛的应用。

实际工程应用中，为增大反射面积，激光反射器的结构通常由若干多个角反射器阵列结构组成，与单一角反射器相比，可显著减小尺寸和重量，提高合作目标远场角，对传输中激光因大气非均匀性引起的畸变进行光学补偿。为实现科学目标的有效测量，激光反射器组件应具有较高的激光反射率和较小的发散特性，以保证反射信号具有足够的光强。比如，对于低轨卫星，激光合作目标通常采用半球或半圆台结构，使阵列的有效发射面积在观测区域对称分布且尽可能保持均匀，以保证即使观测站在低仰角条件下也可进行测距；对于高轨卫星，由于一般要求反射面积大，则采取平面圆形排列方式。

作为传统激光反射器，其工作技术状态(发散角、最大倾斜角、有效发射面积、发射率、远场衍射光斑、速度光行差补偿等)由反射器的特性(形状、尺寸、角误差)决定，比如，直角面镀膜的角误差直接决定激光合作目标的远场衍射光斑和速度光行差补偿；反射器口径决定了光斑发散角。理论和实验证明：角反射器直角存在偏差时，出射光的六个子光束处于分离状态，分别与入射光存在微小的夹角，衍射光斑能量分布也与理想角反射器不同，无角度偏差理想反射器远场能量分布为中心艾里斑，带偏差反射器远场能量分布除中心艾里斑外，周围为6个子环形光斑。

对于高速目标，由于速差(Velocity Aberration)效应，当激光光束指向卫星或其它高速飞行器，出射光相对入射光方向会有一个偏离角，反射光束光斑中心会偏离SLR位置。实际设计中为减小光行差的影响，通常采用光行差补偿法来设计星载角反射器，改变加工偏差使之在以速差角为半径的圆环上的归一化能量达到最佳值，角度补偿法通过设计相应的直角面偏差可以分离出射子光束，从而增大接收位置的激光光能密度和探测概率，但圆环内能量利用效率很低，不到10％。

对于低速目标，可采取无偏差的反射器，但中心艾里斑为典型的贝塞尔函数分布形式，中间强，两边低，能量不均匀，容易影响回波光子数和探测效率，造成回馈数据不稳定。

发明内容

本发明实施例提供一种空间光学激光反射器，用以解决现有技术中的上述问题。

本发明实施例提供一种空间光学激光反射器，包括：

三直角反射面反射结构，用于将入射的激光光束沿原光路方向精确返回；

衍射相位整形结构，为一系列周期规律亚波长同心环状光栅，设置于三直角反射面反射结构的出入射面，用于将经过三直角反射面反射结构反射的激光光束通过其表面光栅衍射后，在目标接收位置干涉整形形成符合要求的光斑。

优选地，三直角反射面反射结构为实心反射器或空心反射器，其中，实心反射器包括三个相互垂直的反射面和一个出入射面，为四面体锥状棱镜，具有空间定向发射特性；空心反射器由三个相互垂直的反射面构成。

优选地，在三直角反射面反射结构为实心反射器时，衍射相位整形结构为在三直角反射面反射结构的出入射表面雕刻或腐蚀的一系列周期规律亚波长同心环状光栅；或者，衍射相位整形结构为设置于三直角反射面反射结构出入射表面位置的一平面的位相片，位相片入射表面雕刻或腐蚀有一系列周期规律亚波长环形扇光栅。

优选地，在三直角反射面反射结构为空心反射器时，衍射相位整形结构为设置于三直角反射面反射结构出入射表面位置的一平面的位相片，位相片入射表面雕刻或腐蚀有一系列周期规律亚波长环形扇光栅。

优选地，一系列周期规律的参数具体包括：光栅线数、槽深、形状、以及周期。

优选地，三直角反射面反射结构的材质包括：玻璃、工程塑料、以及金属，其中，在空间环境使用时实心反射器的材料为熔融石英玻璃。

优选地，三直角反射面反射结构的直角反射面或反射面膜层面型精度至少为1/10λ。

优选地，衍射相位整形结构具体包括：二台阶、多台阶、连续位相二元光学元件结构形式以及亚波长微结构和连续位相结构。

优选地，位相片通过机械外壳连接或胶合的方式设置于三直角反射面反射结构的出入射面。

采用本发明实施例，利用激光光学单色衍射干涉合成原理，通过在激光反射器表面(或位置)添加特定的符合要求的一定规律中心对称亚波长环形位相结构以实现反射光场能量的高度控制和集中可大幅提高合作目标的反射效率，可极大提高目标的反射能量和作用距离，降低探测设备功耗、体积和重量，效果更为明显。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例的空间光学激光反射器的功能结构示意图；

图2是本发明实施例的实心反射器结构示意图；

图3是本发明实施例的空心反射器结构示意图；

图4是本发明实施例的传统高速探测目标整形后的接收光场光斑图样环带示意图；

图5是本发明实施例的高速探测目标整形后的接收光场光斑图样环带示意图；

图6是本发明实施例的传统低速探测目标整形后的接收光场光斑图样中心平顶示意图；

图7是本发明实施例的的低速探测目标整形后的接收光场光斑图样中心平顶示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

利用光学衍射、干涉理论制成的衍射位相技术是一项日益成熟的技术，可对激光衍射斑各级光谱的几何尺寸和能量进行精密调控，以实现预期衍射光强的分布。

二元光学是基于光波衍射理论发展起来的新兴光学分支，是光学和微电子技术相互渗透、交叉而形成的前沿学科。二元光学器件基于光波衍射理论，利用计算机辅助设计，利用超大规模集成电路制作工艺或其他微米纳米微加工方式，在片基上或传统光学表面刻蚀产生两个或多个台阶深度、连续浮雕结构，实现传统光学难以具备的功能，二元光学促进了光学系统的微型化、阵列化和集成化，在空间技术、激光加工、计算技术与信息处理、光纤通信及生物医学等现代国防与工业领域具有日渐明显的重要作用及广阔的应用前景；二元光学元件(BOE)的制作工艺有很多种，包括多台阶和连续位相二元光学元件加工工艺，前者包括刻蚀法、薄膜沉积法，后者包括激光束直写法、电子束直写法和金刚石车削法，另外还有准分子激光加工法和灰阶掩模法等新型制作方法，二元光学元件加工工艺不断成熟，目前已实现数十纳米甚至几纳米精度的加工。

用于控制激光波面的位相的技术叫做激光波束整形技术，在光学工程的许多领域都有重要的应用，在激光加工和处理中需要各种形状的激光光斑，包括平顶、矩形、环形、直线形，在超分辨的激光波束整形中，用不同半径的环形位相分布的位相片实现对远场衍射光的调制，可实现各种环形分布的衍射场。

通过衍射位相技术在反射器上刻蚀光栅可大大提高星载激光反射器的激光远场光斑的利用效率和光斑均匀性，对于需考虑速差效应的高速目标，通过衍射位相技术将反射器远场光斑整形成圆环状，至少可将有效利用能量提高到40％以上，理论上可接近100％；对于不需考虑速差效应的低速目标，通过衍射位相技术将反射器远场光斑整形成平顶光，可极大匀化光斑，提高探测均匀性、稳定性和站点观测效率。

本发明实施例的目的是为了提高激光反射器的反射能力，提高激光反射器远场衍射区域的光斑能量和利用效率，在此基础上，一方面可极大拓宽光电测距系统的探测能力，同时进一步减小设备体积和重量。

本发明实施例基于衍射干涉理论，创造性地提出了一种位相反射器，通过在反射器出入光学表面(或位置)添加刻蚀有规律光栅的方式，可大大增强反射器目标光学远场能量密度和均匀性，极大提高光电系统探测能力和距离，从而进一步缩小设备成本和体积，这尤其对有合作目标的空间探测系统具有重要的工程意义和实用经济价值。

本发明实施例基于衍射位相技术，利用激光的光学单色衍射干涉合成原理，独特提出通过在激光反射器表面通过激光光刻、化学蚀刻等微加工方式添加特定的一定规律微米亚微米纳米级亚波长环形光栅以实现反射器目标远场光场能量的高度控制和集中，极大提高合作目标的反射效率和系统的探测能力。

依据本发明实施例，可精确实现设计激光反射器目标接收光场远场光斑图样的调控、集中和匀化，典型应用包括1)高速目标天探测反射器目标光场的圆环环带形态调控2)低速目标探测反射器目标光场的平顶匀化。

下面对本发明实施例的技术方案进行详细说明。

根据本发明实施例，提供了一种空间光学激光反射器，图1是本发明实施例的空间光学激光反射器的功能结构示意图，如图1所示，根据本发明实施例的空间光学激光反射器具体包括：

三直角反射面反射结构1，用于将入射的激光光束沿原光路方向精确返回；三直角反射面反射结构1为实心反射器或空心反射器，其中，实心反射器包括三个相互垂直的反射面和一个出入射面，为四面体锥状棱镜，具有空间定向发射特性；空心反射器由三个相互垂直的反射面构成。三直角反射面反射结构1的材质包括：玻璃、工程塑料、以及金属，其中，在空间环境使用时实心反射器的材料为熔融石英玻璃。三直角反射面反射结构1的直角反射面或反射面膜层面型精度至少为1/10λ。

衍射相位整形结构2，为一系列周期规律亚波长同心环状光栅，设置于三直角反射面反射结构1的出入射面，用于将经过三直角反射面反射结构1反射的激光光束通过其表面光栅衍射后，在目标接收位置干涉整形形成符合要求的光斑。其中，一系列周期规律的参数具体包括：光栅线数、槽深、形状、以及周期。

在三直角反射面反射结构1为实心反射器时，衍射相位整形结构2为在三直角反射面反射结构1的出入射表面雕刻或腐蚀的一系列周期规律亚波长同心环状光栅；或者，衍射相位整形结构2为设置于三直角反射面反射结构1出入射表面位置的一平面的位相片，位相片入射表面雕刻或腐蚀有一系列周期规律亚波长环形扇光栅。在三直角反射面反射结构1为空心反射器时，衍射相位整形结构2为设置于三直角反射面反射结构1出入射表面位置的一平面的位相片，位相片入射表面雕刻或腐蚀有一系列周期规律亚波长环形扇光栅。其中，位相片通过机械外壳连接或胶合的方式设置于三直角反射面反射结构1的出入射面。

衍射相位整形结构2具体包括：二台阶、多台阶、连续位相二元光学元件结构形式以及亚波长微结构和连续位相结构。

综上所述，如图1所示意，从功能结构角度，本发明实施例的一种空间星载位相激光反射器可实现两个功能：1)衍射位相整形，2)反射激光原光路返回，相应结构包括衍射相位整形结构2和三直角反射面反射结构1(角锥棱镜)。衍射相位整形结构2用以实现目标接收远场光斑能量的整形、集中和匀化；三直角反射面结构1(角锥棱镜)用以实现激光光束的原光路方向精确返回。

对本发明实施例的上述结构总结如下：

1、三直角反射面结构1(角锥棱镜)为可为实心或空心逆向反射器，实心反射器由三个相互垂直(90°)的反射面和一个入(出)射面构成，为四面体锥状棱镜，具有空间定向发射特性；空心反射器由三个相互垂直(90°)的反射面构成；

2、对于实心反射器，如图2所示意，衍射相位整形结构2为反射器出入射表面雕刻或腐蚀一系列周期规律亚波长同心环状光栅，使经过反射器反射的激光光束通过表面光栅衍射后，在目标接收位置干涉整形形成符合要求的圆环环带、平顶光或其它形式光斑；

3、对于空心反射器，如图3所示意，衍射相位整形结构2为反射器出入射表面位置添加一平面位相片，在位相片入射表面雕刻或腐蚀一系列周期规律亚波长环形扇光栅，使经过反射器反射的激光光束通过表面光栅衍射后，在目标接收位置干涉整形形成符合要求的圆环环带、平顶光或其它形式光斑；

4、根据光电系统目标探测性能指标(距离、速度)要求，改变位相片具体参数(光栅线数、槽深、形状、周期)以满足目标光场不同探测需要(环带、中央平顶)；

本发明在激光反射器技术领域创造性地首次提出采用衍射位相技术制造设计激光光学反射器，依据本发明设计的反射器可极大提高激光反射器的反射能力，对比传统反射器，可提高激光反射器远场衍射区域的光斑能量和利用效率，在拓宽光电测距系统的探测能力同时，可进一步大大缩减探测设备功率、口径、体积和重量，尤其对于无大气干扰的合作目标空间激光探测以及采取角锥棱镜反射腔结构的激光器领域，具有非常好的工程应用价值和经济意义。

以下结合附图，对本发明实施例的上述技术方案进行详细说明。

如图1所示意，本发明实施例的反射器结构由衍射位相整形结构2和三直角反射面反射结构1(角锥棱镜)组成。衍射位相整形结构2用以实现目标接收远场光斑能量的整形、集中和匀化；三直角反射面结构1(角锥棱镜)用以实现激光光束的原光路方向精确返回。

参看图1所示，本发明设计的反射器主要可实现两个功能，1)用于反射激光整形，2)实现探测激光原光路返回；相应的包括衍射相位整形结构2和三直角反射面结构1(角锥棱镜)。反射器衍射相位整形结构2用以实现目标接收远场光斑能量的整形、集中和匀化；三直角反射面结构1(角锥棱镜)用以实现激光光束的原光路方向精确返回。

在本实施例中，根据不同用途，衍射相位整形结构2为反射器出入射表面雕刻或腐蚀一系列周期规律微米、亚微米或纳米光栅位相同心圆环，使经过反射器反射的激光光束通过表面光栅衍射后，在目标接收位置干涉整形形成符合要求的圆环环带、平顶光或其它形式光斑；

在本实施例中，反射激光依次通过三直角反射面反射结构1(角锥棱镜)实现光路的原方向返回，根据不同用途，三直角反射面反射结构1(角锥棱镜)包括实心直角棱镜和空心直角棱镜等形式；

参看图1和图2所示，对于实心反射器，衍射相位整形结构2即可作为实心反射器的一部分，直接刻蚀在实心反射器的出入射表面；也可作为一单独位相衍射片通过机械外壳连接或胶合等方式放置于实心反射器的出入射外表面；无论哪种方式，为保证整形光斑的同相位传播，实心反射器的出入射外表面面型精度至少为1/20λ。

参看图1和图3所示，对于空心反射器，衍射相位整形结构2作为一单独位相衍射片通过机械外壳连接或胶合等方式放置于空心反射器的出入射外表面位置；

直角棱镜的材质可为玻璃、工程塑料、金属等各种光学用途材料；考虑空间环境要求，空间环境使用时实心直角棱镜材料为熔融石英玻璃；根据反射目标特性(速度、轨道)三直角外侧面可采取镀膜(铝、金、银)或非镀膜形式，相应的光路反射面可为内反射和膜层反射，无论哪种方式，直角面的面型精度影响整形光斑的传播和调控，对于中高精度反射器，直角反射面或反射面膜层面型精度至少为1/10λ；

在本实施例中，根据不同用途、衍射效率和经济成本，可选取不同的衍射相位整形结构2结构和加工方式，衍射位相整形结构可包括二台阶、多台阶和连续位相二元光学元件等结构形式，对于不同台阶(2，4，8，16)位相器件，对应衍射效率分别为40.5％，81％，94.9％，98.6％，采用亚波长微结构及连续位相结构，可达到接近100％的衍射效率。前者加工方法包括刻蚀法、薄膜沉积法，后者包括激光束直写法、电子束直写法和金刚石车削法，另外还有准分子激光加工法和灰阶掩模法等新型制作方法，对于精度要求较低的场合，可选择二台阶结构形式、刻蚀法湿法加工；对于精度要求一般的场合，可选择二台阶或8台阶以下结构形式、刻蚀法干法或薄膜沉积法加工；对于精度要求较高的场合，可选择多台阶和连续位相结构形式，激光束直写法、电子束直写法和金刚石车削法加工；对于精度要求很高的场合(比如空间星载激光反射器)，可选择连续位相结构形式，选择严格控制脉冲数目的准分子激光加工法和灰阶掩模法(无套刻对准误差、短周期、成本较低)加工，定位精度应控制在100nm以下，以确保位相片的轮廓精度、特征尺寸等器件制造要素。

在本实施例中，光束整形元件制作过程包括相位设计、模板制作(直写法不需要模板制作、刻蚀成片，相位设计可利用成熟的商用计算机光学软件根据整形要求进行程序编码和优化设计；相位刻蚀参数(深度)、大小与探测激光波长及目标所需光场图样分布(发散角)有关，可根据具体要求进行设计，同时相位设计与表面刻蚀形状相关，但均相对于中心对称。

参看图4和图5所示，对于高速探测目标，经过本发明技术方案添加位相结构可将传统带偏差反射器远场能量分布(中心艾里斑外，周围为6个子环形光斑)整形为一环形光场，提高目标接受光场能量密度和接收效率；典型用途为带光学合作目标空间卫星定位、空间飞行器编队、空间站光电对接、高速航空器探测等；

参看图6和图7所示，对于低速探测目标，经过本发明技术方案添加位相结构可将传统无偏差反射器远场能量分布(中心艾里斑)整形为一平顶形光场，提高目标接受光场能量密度和接收效率；典型用途为带光学合作目标的舰载机无人机着舰着陆、低速飞行器跟踪测距、带角锥棱镜的激光器等；

综上所述，本发明实施例技术方案适用于有合作目标的光电激光测距定位系统，利用激光光学单色衍射干涉合成原理，通过在激光反射器表面(或位置)通过刻蚀法、激光束直写法等微加工方式添加特定的符合要求的一定规律中心对称亚波长环形位相结构以实现反射光场能量的高度控制和集中，本技术方案可大幅提高合作目标的反射效率，其产品可应用于各类航空、航天等测距领域，尤其对于无大气干扰的空间星载飞行器激光定位、空间站交会对接，可极大提高目标的反射能量和作用距离，降低探测设备功耗、体积和重量，效果更为明显。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种空间光学激光反射器，其特征在于，包括：

三直角反射面反射结构，用于将入射的激光光束沿原光路方向精确返回；

衍射相位整形结构，为一系列周期规律亚波长同心环状光栅，设置于所述三直角反射面反射结构的出入射面，用于将经过三直角反射面反射结构反射的激光光束通过其表面光栅衍射后，在目标接收位置干涉整形形成符合要求的光斑。

2.如权利要求1所述的空间光学激光反射器，其特征在于，所述三直角反射面反射结构为实心反射器或空心反射器，其中，所述实心反射器包括三个相互垂直的反射面和一个出入射面，为四面体锥状棱镜，具有空间定向发射特性；所述空心反射器由三个相互垂直的反射面构成。

3.如权利要求2所述的空间光学激光反射器，其特征在于，在所述三直角反射面反射结构为实心反射器时，所述衍射相位整形结构为在所述三直角反射面反射结构的出入射表面雕刻或腐蚀的一系列周期规律亚波长同心环状光栅；或者，所述衍射相位整形结构为设置于所述三直角反射面反射结构出入射表面位置的一平面的位相片，所述位相片入射表面雕刻或腐蚀有一系列周期规律亚波长环形扇光栅。

4.如权利要求2所述的空间光学激光反射器，其特征在于，在所述三直角反射面反射结构为空心反射器时，所述衍射相位整形结构为设置于所述三直角反射面反射结构出入射表面位置的一平面的位相片，所述位相片入射表面雕刻或腐蚀有一系列周期规律亚波长环形扇光栅。

5.如权利要求1所述的空间光学激光反射器，其特征在于，所述一系列周期规律的参数具体包括：光栅线数、槽深、形状、以及周期。

6.如权利要求1所述的空间光学激光反射器，其特征在于，所述三直角反射面反射结构的材质包括：玻璃、工程塑料、以及金属，其中，在空间环境使用时实心反射器的材料为熔融石英玻璃。

7.如权利要求1所述的空间光学激光反射器，其特征在于，所述三直角反射面反射结构的直角反射面或反射面膜层面型精度至少为1/10λ。

8.如权利要求1所述的空间光学激光反射器，其特征在于，所述衍射相位整形结构具体包括：二台阶、多台阶、连续位相二元光学元件结构形式以及亚波长微结构和连续位相结构。

9.如权利要求3或4所述的空间光学激光反射器，其特征在于，所述位相片通过机械外壳连接或胶合的方式设置于所述三直角反射面反射结构的出入射面。

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