CN111596498A - 一种基于液晶相控阵的环形光束产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于液晶相控阵的环形光束产生方法，属于光束整形技术领域，包括以下步骤：确定目标环形光束的内径和外径；第一液晶相控阵对入射光束进行一次偏转，形成圆锥形发散光束；当圆锥形发散光束的直径与目标环形光束的外径相同时，第二液晶相控阵对圆锥形发散光束进行二次偏转，得到目标环形光束，本发明的光学系统简单，涉及使用的器件技术成熟，相较于传统的几何变换技术，具有调试难度低、面型精确可控等优势，同时，通过对第一液晶相控阵、第二液晶相控阵施加可编程控制的驱动电压，能够方便灵活、精密的动态控制偏转角度值，进而改变目标环形光束的发散角、内径及外径，以匹配不同类型卡式系统对环形光束的要求。

Description

一种基于液晶相控阵的环形光束产生方法

技术领域

本发明属于光束整形技术领域，具体地说涉及一种基于液晶相控阵的环形光束产生方法。

背景技术

卡塞格林式望远镜发射系统(简称卡式系统)，由于其具有结构紧凑、容易实现大口径扩束、无色差、反射效率高等优点，常用于高功率大口径激光发射系统。但是，在卡式系统中，由于次镜位于主镜发射光路中，而且主镜中心有圆环，在用于扩束时，将会造成入射的圆形光束经过扩束器后变成环形光束，即发射系统中的中心遮拦。中心遮拦一方面会使得能量最为集中的部分被浪费掉而无法发挥作用，另一方面被遮拦的激光会变成杂散光，需要进行有效管控。为了解决中心遮拦比带来的能量损失问题，常用方法是在光束入射到卡式系统次镜前，通过空间整形将光束整形成环形光束，且环形光束的内外径与卡式系统相匹配，提高激光利用率。

传统的环形光束产生技术是：利用圆锥棱镜结合两块反射镜，或者圆锥反射镜组合等，通过几何变换，将圆形光束转换成环形光束。传统技术普遍存在以下缺陷：1、虽然理论上可以实现完美变换，且不带来任何像差，但复杂镜组存在加工困难和装调困难的问题，且微小的偏差都将给系统带来明显误差。2、针对特定卡式系统设计加工的镜组，仅能产生与其匹配的特定环形光束，当卡式系统中心遮拦比发生变化时，不再适用。3、仅对光束产生几何形状的转化，对激光发散角无改善。

发明内容

鉴于此，发明人提出了基于液晶相控阵的环形光束产生方法，通过对液晶相控阵的驱动电压进行可编程控制，能够方便灵活、精密的动态控制目标环形光束的内径及外径，以匹配不同类型卡式系统对环形光束的要求。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于液晶相控阵的环形光束产生方法，包括以下步骤：

S1：确定目标环形光束的内径和外径；

S2：第一液晶相控阵对入射光束进行一次偏转，形成圆锥形发散光束；

S3：当圆锥形发散光束的直径与目标环形光束的外径相同时，第二液晶相控阵对圆锥形发散光束进行二次偏转，得到目标环形光束，输出，即可。

进一步，所述步骤S1中，设定入射光束的直径为

目标环形光束的外径为

目标环形光束的内径为

则

进一步，所述第一液晶相控阵和第二液晶相控阵间隔且平行放置，通过控制系统分别对第一液晶相控阵、第二液晶相控阵施加驱动电压。

进一步，一次偏转与二次偏转的偏转角度值相同，且偏转角度方向相反。

进一步，设定第一液晶相控阵与第二液晶相控阵的间距为L，偏转角度值为β，则

进一步，确定偏转角度对应的驱动电压，通过控制系统将驱动电压分别传送至第一液晶相控阵、第二液晶相控阵的驱动电路，对第一液晶相控阵、第二液晶相控阵进行可编程电压驱动，产生所需的光束偏转角度。

进一步，所述入射光束为单波长圆形光束。

进一步，所述第一液晶相控阵、第二液晶相控阵均为透射式位相调制型液晶相控阵。

本发明的有益效果是：

光学系统简单，涉及使用的器件技术成熟，相较于传统的几何变换技术，具有调试难度低、面型精确可控等优势，同时，通过对驱动电压进行编程控制，能够方便灵活、精密的动态控制偏转角度值，进而改变目标环形光束的发散角、内径及外径，以匹配不同类型卡式系统对环形光束的要求。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是圆锥形位相分布示意图。

附图中：1－入射光束、2－第一液晶相控阵、3－第二液晶相控阵、4－目标环形光束。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。

实施例一：

一种基于液晶相控阵的环形光束产生方法，如图1所示，首先，通过第一液晶相控阵2将入射光束1按照一定角度圆锥形发散，进行一次偏转并形成圆锥形发散光束，入射光束1为单波长圆形光束，然后，圆锥形发散光束传输一定距离后，当圆锥形发散光束的直径变大到与目标环形光束4外径相同时，再通过第二液晶相控阵3将圆锥形发散光束反向偏转，进行二次偏转变成空心平行光，得到目标环形光束4，输出。

其中，所述第一液晶相控阵2和第二液晶相控阵3间隔且平行放置，且两者均为透射式位相调制型液晶相控阵，通过控制系统分别对第一液晶相控阵2、第二液晶相控阵3施加驱动电压，对入射光束1形成圆锥形位相分布，如图2所示，横坐标R表示径向，沿径向形成以2π相位延迟为复位周期的相移单元阵列，单个相移周期内相位呈线性变化。相移单元阵列对入射光束1作用后，改变出射光束传输方向，进而改变光束几何直径。

设定入射光束1的直径

目标环形光束4的内径

和外径

则

一次偏转与二次偏转的偏转角度值β相同，且偏转角度方向相反，第一液晶相控阵2与第二液晶相控阵3的间距L，则

也就是说，通过圆锥形位相分布的第一液晶相控阵2后，入射光束1呈锥形发散，偏转角度为β，圆锥形发散光束传输距离L后，再通过圆锥形位相分布的第二液晶相控阵3偏转角度为－β，变成平行光输出。通过适当的选择第一液晶相控阵2与第二液晶相控阵3的间距L，控制偏转角度值，就能获得符合要求的目标环形光束4。

根据偏转角度值、液晶相控阵的电压－相移特性，确定驱动电压，通过控制系统将驱动电压分别传送至第一液晶相控阵2、第二液晶相控阵3的驱动电路，对第一液晶相控阵2、第二液晶相控阵3进行可编程电压驱动，产生所需的光束偏转角度。也就是说，通过对驱动电压进行编程控制，改变构成2π复位周期内的电极数或使相位复位为2π整数倍，能够方便灵活、精密的动态控制偏转角度值，进而改变目标环形光束4的内径及外径，以匹配不同类型卡式系统对环形光束的要求，同时，由于液晶相控阵可以实现的电极间距小，驱动电压分辨率高，能够实现微弧度量级的光束角度精密偏转。本发明涉及的光学系统较为简单，同时，液晶器件(即液晶相控阵)技术成熟，相较于传统的几何变换技术，具有调试难度低、面型精确可控等优势。

此外，通过改变驱动电压，可以实现第一液晶相控阵2与第二液晶相控阵3不同的偏转角度，改变目标环形光束4发散角，设定依次偏转角度为β1，二次偏转角度为β2。当β1＝－β2，不改变目标环形光束发散角。当|β1|＞|β2|时，目标环形光束发散角变大。当|β1|＜|β2|时，目标环形光束发散角变小。

以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (8)

1.一种基于液晶相控阵的环形光束产生方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：确定目标环形光束的内径和外径；

S2：第一液晶相控阵对入射光束进行一次偏转，形成圆锥形发散光束；

S3：当圆锥形发散光束的直径与目标环形光束的外径相同时，第二液晶相控阵对圆锥形发散光束进行二次偏转，得到目标环形光束，输出，即可。

2.根据权利要求1所述的基于液晶相控阵的环形光束产生方法，其特征在于，所述步骤S1中，设定入射光束的直径为

目标环形光束的外径为

目标环形光束的内径为

则

3.根据权利要求2所述的基于液晶相控阵的环形光束产生方法，其特征在于，所述第一液晶相控阵和第二液晶相控阵间隔且平行放置，通过控制系统分别对第一液晶相控阵、第二液晶相控阵施加驱动电压。

4.根据权利要求3所述的基于液晶相控阵的环形光束产生方法，其特征在于，一次偏转与二次偏转的偏转角度值相同，且偏转角度方向相反。

5.根据权利要求4所述的基于液晶相控阵的环形光束产生方法，其特征在于，设定第一液晶相控阵与第二液晶相控阵的间距为L，偏转角度值为β，则

6.根据权利要求5所述的基于液晶相控阵的环形光束产生方法，其特征在于，确定偏转角度对应的驱动电压，通过控制系统将驱动电压分别传送至第一液晶相控阵、第二液晶相控阵的驱动电路，对第一液晶相控阵、第二液晶相控阵进行可编程电压驱动，产生所需的光束偏转角度。

7.根据权利要求1－6任一所述的基于液晶相控阵的环形光束产生方法，其特征在于，所述入射光束为单波长圆形光束。

8.根据权利要求7所述的基于液晶相控阵的环形光束产生方法，其特征在于，所述第一液晶相控阵、第二液晶相控阵均为透射式位相调制型液晶相控阵。

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