CN111668693B - 一种基于液晶几何相位调制的激光阵列光源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液晶几何相位调制的激光阵列光源。其基于液晶分子的几何相位调制原理，通过操纵液晶分子的主轴排布方向设计了几何相位阵列光栅。该光栅对入射光束的偏振态不敏感，可为任意偏振态的基模高斯光束引入0‑π二值化几何相位调制，进而将其转化为高维激光光束阵列。本发明的激光阵列光源采用金属套筒整体固定几何相位阵列光栅等光学元件，整体结构紧凑，且具有良好的稳定性。本发明结构可靠，易于控制，可作为新型阵列结构光源广泛应用于激光阵列雷达、面容识别、多点加工、显微成像等前沿应用领域，相比现有技术具有较大进步。

Description

一种基于液晶几何相位调制的激光阵列光源

技术领域

本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种基于液晶几何相位调制的激光阵列光源。

背景技术

激光阵列是一种由多束相同或不同的激光束在接收平面以一定位置规律排布的特殊光场。作为一种新型结构激光场，激光阵列在面阵激光雷达、面容识别、高功率激光合成、多点加工、显微成像、医疗等领域具有重要的应用价值。早期的激光阵列一般采用多个激光器按一定规律排布的方式直接生成，系统庞大且复杂。后来，随着衍射光学的发展，人们设计了包括纯相位光栅、数字微透镜反射阵列、液晶空间光调制器、超颖表面等衍射器件，将一束激光衍射成多束激光以构成激光阵列，使得整个系统大大简化，系统稳定性显著提升。但这种方法其仍面临着由分辨率不佳而导致的无法生成高维光束阵列的问题。现有的报道一般生成7×7及以下的激光光束阵列，对于更高维度的光束阵列鲜有报道。然而，在部分应用如激光面阵雷达、面容识别等前沿应用技术中，需要生成的激光光束阵列的维度应尽可能高，且同时还应具有良好的阵列均匀度、衍射效率等。此外，阵列光源还应尽可能小型化，以适应多种应用场景。

发明内容

有鉴于此，本发明公开了一种基于液晶几何相位调制的激光阵列光源，其可生成高维激光光束阵列，且阵列中各个光束的强度相同。

本发明的激光阵列光源基于液晶分子的几何相位调制原理，通过激光直写技术，操纵玻璃基片上液晶分子的主轴排布，而后固化定型获得几何相位阵列光栅，利用液晶分子的双折射特性，为入射基模高斯光束引入0-π二值化几何相位调制，进而将基模高斯光束转化为高维激光阵列。其中，相位分布函数根据目标阵列光场的特性经优化算法计算分析得到。由于本发明的几何相位阵列光栅的几何相位分布被设计为0-π二值化，使得其对入射基模高斯光束的偏振态不敏感，即无需采用特定偏振态的基模高斯光束入射即可生成激光阵列，这与传统的几何相位调制器件不同。

本发明的一种基于液晶几何相位调制的激光阵列光源，具备半导体激光模块、单模光纤、光纤转接板、透镜、几何相位阵列光栅和金属套筒，其中：

所述半导体激光模块用于产生基模高斯光束；

所述单模光纤的一端与半导体激光模块的输出端相连，用于传输半导体激光模块所产生的激光；

所述光纤转接板与单模光纤的另一端相连，用于将单模光纤中的基模高斯光束耦合到自由空间中；

所述透镜置于光纤转接板后方的激光光路中，用于将基模高斯光束准直；

所述几何相位阵列光栅置于透镜后方的激光光路中，用于将基模高斯光束衍射为多个激光束，并分别以不同的衍射角度射出，以生成激光阵列；

所述金属套筒用于依次固定光纤转接板、透镜和几何相位阵列光栅，以使这些器件稳定固定且同光轴，满足多种不同工程场景的应用需求。

本发明具有以下有益效果：

1)本发明的几何相位阵列光栅基于液晶分子的几何相位调制原理，通过操纵玻璃基片上液晶分子的主轴排布，而后固化定型获得，具有分辨率高、稳定性高、抗损伤阈值高等特点，可有效的将基模高斯光束转化为激光阵列；

2)本发明的基于液晶几何相位调制的激光阵列光源，采用金属套筒整体固定光纤转接板、透镜和几何相位阵列光栅，具有良好的稳定性。

附图说明

图1为本发明的一种基于液晶几何相位调制的激光阵列光源结构示意图，其中，1-半导体激光模块，2-单模光纤，3-光纤转接板，4-透镜，5-几何相位阵列光栅，6-金属套筒；

图2为本发明的一种基于液晶几何相位调制的激光阵列光源实物图；

图3为本发明的可生成64×64激光光束阵列的几何相位阵列光栅的相位分布图；

图4为本发明的可生成64×64激光光束阵列的几何相位阵列光栅实物图，以及偏振显微镜下本发明的几何相位阵列光栅的细节图；

图5为由本发明的一种基于液晶几何相位调制的激光阵列光源生成的64×64激光阵列。

具体实施方式

下面结合附图并实施例，对本发明做一详细描述。

本发明的一种基于液晶几何相位调制的激光阵列光源，可用于生成高维激光光束阵列，且阵列中各光束强度相等，其结构如图1所示，其实物图如图2所示，具备半导体激光模块、单模光纤、光纤转接板、透镜、几何相位阵列光栅和金属套筒，其中：

所述半导体激光模块用于产生基模高斯光束；所述单模光纤的一端与半导体激光模块的输出端相连，用于传输半导体激光模块所产生的激光；所述光纤转接板与单模光纤的另一端相连，用于将单模光纤中的基模高斯光束耦合到自由空间中；所述透镜置于光纤转接板后方的激光光路中，用于将基模高斯光束准直；所述几何相位阵列光栅置于透镜后方的激光光路中，用于将基模高斯光束衍射为多个激光束，并分别以不同的衍射角度射出，以生成激光阵列；所述金属套筒用于依次固定光纤转接板、透镜和几何相位阵列光栅，以使这些器件稳定固定且同光轴，满足多种不同工程场景的应用需求。

本发明的一种基于液晶几何相位调制的激光阵列光源的关键在于几何相位阵列光栅，其可将基模高斯光束转化为高维激光光束阵列。其工作原理在于，在衬底上排列有许多液晶室，每一个液晶室中所承载的液晶分子具有相同的主轴方向排布。每一个液晶室的厚度d满足：2π(n_eff-n_o)d/λ＝π，其中，n_eff为液晶分子的有效异常折射率，n_o为液晶分子的寻常折射率，此时每一个液晶室相当于一半波片。液晶室内液晶分子的主轴方向α决定了半波片的快轴方向α，考虑到半波片的琼斯矩阵：

当基模高斯光束|ψ_in>入射时，出射光场可表示为：

由于任意光束均可在正交圆偏基底{L,R}下分解：

|ψ_in>＝ψ_L|L>+ψ_R|R>

其中，

ψ_L,ψ_R分别为左右旋圆偏分量的复系数。因此可得出射光场：

|ψ>＝exp[i(-2α)]ψ_L|R>+exp[i(2α)]ψ_R|L>

即分别为入射光场的左旋和左右旋圆偏分量引入了-2α和2α的附加几何相位。通过激光直写技术控制衬底基片上不同液晶室内液晶分子的主轴排布方向α(x,y)，可分别为两个圆偏分量引入几何相位调制。为了消除入射光偏振态对几何相位调制的影响，这里设计0-π二值化纯相位调制，即相位分布φ_D(x,y)为0-π二值化，此时2φ_D(x,y)为0-2π二值化。令2α(x,y)＝φ_D(x,y)，代入上式，由于exp[i(2φ_D)]＝1，可得：

|ψ>＝exp(iφ_D)(ψ_L|R>+ψ_R|L>)

表明该几何相位阵列光栅为入射光场引入了exp(iφ_D)的相位调制，且该调制与入射光束的偏振态无关。

相位分布φ_D(x,y)依照目标光场特征(如维度等)进行设计，而后经过优化算法优化得到。对于生成不同维度的激光阵列，光栅的相位分布不同，但仍为0-π二值化，且设计思路相同。

本发明的几何相位阵列光栅主要包括三部分，即衬底、液晶层和覆盖层。衬底用于承载液晶分子，液晶层用于引入几何相位调制，覆盖层用于固化液晶并起保护作用。该光栅通过激光直写技术，根据前面所设计0-π二值化相位分布操纵衬底基片上液晶分子的主轴排布，使其可引入所需的几何相位调制，而后固化定型制得。

下面结合实施例，简要介绍本发明的一种基于液晶几何相位调制的激光阵列光源。

实施例：利用本发明的激光阵列光源生成1550nm波段64×64高维激光光束阵列

本实施例中，将利用本发明的激光阵列光源生成1550nm波段64×64高维激光光束阵列。其中，几何相位阵列光栅的液晶室尺寸为5μm，激光直写区域为10mm×10mm，照射在光栅处的基模高斯光束的直径为4.8mm。该可生成64×64激光光束阵列的几何相位阵列光栅的相位分布如图3所示，该可生成64×64激光光束阵列的几何相位阵列光栅实物图以及偏振显微镜下的细节图如图4所示。图5为仿真得到的生成的光束阵列的光场分布，阵列均匀度达到90.04％。可以看出，本发明的激光阵列光源具有良好的激光阵列生成性能。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (2)

1.一种可将基模高斯光束转化为高维激光光束阵列的几何相位阵列光栅，其特征在于：

所述几何相位阵列光栅包括衬底、液晶层和覆盖层，所述衬底用于承载液晶分子，所述液晶层用于引入几何相位调制，所述覆盖层用于固化液晶层并起保护作用；

在所述衬底上排列有许多液晶室，每一个液晶室中所承载的液晶分子具有相同的主轴方向排布，每一个液晶室的厚度d满足：2π(n_eff-n_o)d/λ＝π，其中，n_eff为液晶分子的有效异常折射率，n_o为液晶分子的寻常折射率；

通过激光直写技术控制所述衬底上不同液晶室内液晶分子的主轴排布方向α(x,y)，以此引入几何相位调制；

引入的几何相位分布为0-π二值化，使得其对入射基模高斯光束的偏振态不敏感，即无需采用特定偏振态的基模高斯光束入射即可生成激光阵列；

引入的几何相位分布依照目标光场特征进行设计，而后经过优化算法优化得到，对于生成不同维度的激光阵列，几何相位阵列光栅的相位分布不同，但仍为0-π二值化。

2.一种基于权利要求1所述的可将基模高斯光束转化为高维激光光束阵列的几何相位阵列光栅的激光阵列光源，所述激光阵列光源包括半导体激光模块、单模光纤、光纤转接板、透镜、几何相位阵列光栅和金属套筒，其中：

所述半导体激光模块用于产生基模高斯光束；

所述单模光纤的一端与半导体激光模块的输出端相连，用于传输半导体激光模块所产生的基模高斯光束；

所述光纤转接板与单模光纤的另一端相连，用于将单模光纤中的基模高斯光束耦合到自由空间中；

所述透镜置于光纤转接板后方的激光光路中，用于将基模高斯光束准直；

所述几何相位阵列光栅置于透镜后方的激光光路中，用于将基模高斯光束衍射为多个激光束，并分别以不同的衍射角度射出，以生成激光阵列；

所述金属套筒用于依次固定光纤转接板、透镜和几何相位阵列光栅，以使这些器件稳定固定且同光轴。

Images