CN112180585A - 一种基于光学相控阵扫描方式的激光杀毒装置及方法 - Google Patents

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于翠萍
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Abstract

一种基于光学相控阵扫描方式的激光杀毒装置及方法，包括可调谐激光器、刻蚀有耦合光栅的光学相控阵、控制板、供电单元，可调谐激光器设置有光纤接口，通过光纤接口与光学相控阵连接；光学相控阵为基于热光移向器的光波导相控阵；当可调谐激光器出射的同一波长的光通过光波导相控阵时，通过加热的方式实现相位的调制，再入射到耦合光栅中，最后实现光束在一个方向上的偏转扫描；当可调谐激光器出射的不同波长的光通过耦合光栅时，实现出射光束在另一方向的偏转扫描，此时光波导相控阵处于非加热状态。本发明提供一种采用光学相控阵和光栅耦合器组合的方式实现激光二维方向的大角度扫描的激光杀毒装置，使用方式灵活，扫描角度大，可应用的范围广泛。

Description

一种基于光学相控阵扫描方式的激光杀毒装置及方法
技术领域
本发明属于激光杀毒领域，具体涉及一种基于光学相控阵扫描方式的激光杀毒装置及方法。
背景技术
随着生活水平的不断提高，人们对公共区域的卫生条件要求不断提高，公共区域病毒、细菌消杀问题逐渐引起重视，空气净化设备、激光杀毒装置逐渐崭露头角，但相关设备在公共区域实际应用中受到诸多限制，市场占有率比较低。
现有技术CN110486840专利“一种基于飞秒激光的空气灭菌杀毒去霾装置及空调系统”采用高速扫描振镜及聚焦场镜光学元件实现激光在目标区域空间的分布，扫描空间受光学元件出射方向及出射角度限制；CN104368020的专利“紫外激光灭菌系统”，扫描模组同样采用反射镜实现光束扫描，扫描空间同样受光学元件出射方向及出射角度限制；CN103960218专利“一种激光杀菌灭虫方法及装置”，扫描装置采用振镜实现，同样存在扫描空间受光学元件出射方向及出射角度限制。总之，目前公共区域空间病菌消杀的空气净化装置、空间三维杀毒装置存在体型笨重、操作不灵敏等缺点，三维空间激光杀毒装置还存在出光光斑较小、效率低，扫描速度慢等缺点；再者，现有的激光杀毒装置光束扫描方式主要采用光学元件实现，激光出射方向受光学元件位置及布局的限制，对公共区域死角位置病菌的覆盖和消杀不完全。
发明内容
针对现有激光杀毒装置的缺点，提供一种采用光学相控阵和光栅耦合器组合的方式实现激光二维方向的大角度扫描的激光杀毒装置，使用方式灵活，扫描角度大，可应用的范围广泛。
本发明的一种基于光学相控阵扫描方式的激光杀毒装置，包括可调谐激光器、刻蚀有耦合光栅的光学相控阵、控制板、供电单元，
所述可调谐激光器设置有光纤接口，通过所述光纤接口与光学相控阵连接，具体地通过光纤拉锥熔接实现；
所述光学相控阵为基于热光移向器的光波导相控阵，利用硅材料的高热光系数，通过加热的方式实现材料折射率的变化，从而实现相位的调制；
所述耦合光栅通过刻蚀的方法刻蚀在光波导相控阵芯片上；
当所述可调谐激光器出射的同一波长的光通过光波导相控阵时，通过加热的方式实现相位的调制，再入射到耦合光栅中，最后实现光束在一个方向上的偏转扫描；
当所述可调谐激光器出射的不同波长的光通过耦合光栅时，实现出射光束在另一方向的偏转扫描，此时光波导相控阵处于非加热状态；具体地，所述另一方向是与单波长通过光波导相控阵后的激光偏转扫描方向垂直的方向；
所述控制板为热光移相器的控制装置，通过控制板程序驱动移相器外加电场的方式，使光波导折射率发生变化，进而实现光束经过热光移相器后相位改变；
所述供电单元为可调谐激光器、控制板提供符合要求的电压值。
进一步地，所述光波导相控阵设置于硅衬底上，沿着光路依次包括输入波导、光学分束器单元、光波导阵列、热光移相器单元及耦合光栅，所述激光光束经过拉锥光纤耦合进输入波导，再经过光学分束器单元进入光波导阵列，通过热光移相器单元给光波导阵列加热，实现波导折射率的改变，从而使光束相位发生变化，当给波导加热满足相邻波导出射光束相位差恒定时，出射光束实现横向偏转，即实现横向扫描。
进一步地，所述光波导相控阵采用硅基光电子集成技术制作全集成二维光学硅基光波导相控阵，利用硅较高的热光系数实现光束的热光调谐。
具体地，所述光波导相控阵即光波导相控阵芯片为硅基光波导相控阵，从下往上依次为硅衬底、硅氧化层和波导层，所述热光移相器单元包括加热片，所述光波导阵列为单模波导，加热片掩埋在硅氧化层中，加热片与控制板相连，通过控制板控制给各加热片电压的不同，实现热光移相器对波导阵列不同的移相效果。
所述耦合光栅通过刻蚀的方法刻蚀在光波导相控阵芯片的波导层上，所述耦合光栅与所述波导相连。
再进一步地，还包括支架，所述支架为整套装置的固定设备，为激光器、光学相控阵及控制板提供安装位置及固定方式，支架具有高度调节及灵活移动的功能。
可选地，所述激光器采用红外波段，利用激光的高能量通过热效应实现对病菌的消杀。
可选地，所述激光器采用紫外波段，利用光化学效应达到使病菌失活的目的。
一种基于光学相控阵扫描方式的激光杀毒装置的杀毒方法，包括步骤如下：
S1、安装固定基于光学相控阵扫描方式的激光杀毒装置；
S2、通过所述供电单元给可调谐激光器、控制板提供符合要求的电压值；
S3、当所述可调谐激光器出射的同一波长的光通过光波导相控阵时，通过加热的方式实现相位的调制，再入射到耦合光栅中，实现激光从光波导到空间的发射及光束横向方向的偏转，最后实现光束在一个方向（约定为纸面的横向）上的偏转扫描；
S4、当所述可调谐激光器出射的不同波长的光通过耦合光栅时，实现激光从光波导到空间的发射及光束纵向方向的偏转，实现出射光束在另一方向（约定为纸面的纵向）的偏转扫描，此时光波导相控阵处于非加热状态；具体地，所述另一方向是与S3步骤中通过光学相控阵后的激光偏转扫描方向垂直的方向；
步骤S3和S4顺序可以互换。
具体地，所述步骤S3中通过加热的方式实现相位的调制具体过程为：
S31、通过加热的方式实现相位的调制具体过程为：所述激光光束经过拉锥光纤耦合进输入波导，再经过光学分束器阵列进入光波导阵列，通过热光移相器单元给光波导阵列加热，实现波导折射率的改变，从而使光束相位发生变化，当给波导加热满足相邻波导出射光束相位差恒定时，出射光束实现横向偏转，即实现横向扫描。
进一步地，所述步骤S31中通过热光移相器单元给光波导阵列加热的具体方法为：
S311、通过所述热光移相器单元的加热片给光波导阵列加热，即通过控制板控制给各加热片不同的电压给光波导阵列加热。
本发明一种基于光学相控阵扫描方式的激光杀毒装置及方法的有益效果在于：
1、将可调谐激光器应用于激光杀毒领域，可调谐激光器光波段处于人眼安全的范畴，激光器可选用红外波段，利用激光的高能量通过热效应实现对病菌的消杀，激光器亦可采用紫外波段，利用光化学效应达到使病菌失活的目的；
2、采用光波导相控阵和光栅耦合器组合的方式实现激光二维方向的大角度扫描，使得杀毒装置使用方式灵活，扫描角度大，可应用的范围广泛；选用可调谐激光器，激光在可某一波段的连续变化，连续变化的激光通过光栅耦合器后就可实现光束的扫描；
3、在光束整形方面，出射激光经过光波导相控阵可实现光束均匀分束，均匀度达到90%以上，从而实现在二维扫描方向上光束的均匀整形，消杀区域病菌消杀均匀性好；
4、采用光波导相控阵和光栅耦合器组合的方式光束指向及扫描精度更高、扫描视场大；杀毒装置体积小、重量轻，可根据实际使用场景选择手持或随意移动或固定，使用方式灵活，实现不同方向、不同角度病菌的消杀，区域覆盖完全；
5、在应用场景方面，针对公共区域死角位置，可选择手持相控阵对准消毒位置进行病菌消杀，使用灵活。
总之，本发明的基于光学相控阵扫描方式的激光杀毒装置及方法充分利用激光高能量、强杀毒效果，相控阵小型化、扫描范围广、使用灵活性强等优势，实现公共区域病菌的有效消杀。
附图说明
图1为基于光学相控阵扫描方式的激光杀毒装置的结构框图；
图2为光波导相控阵的光束偏转原理图；
图3为光波导相控阵平面结构示意图；
图4为光波导相控阵截面平面结构示意图；
图5为光波导相控阵截面斜视结构示意图。
图中，1-可调谐激光器；2-光学相控阵；3-光栅耦合器；4-控制板；5-供电单元；6-支架；7-输入波导；8-光学分束器单元；9-热光移相器单元；10-耦合光栅；11-光波导（光波导阵列）；111-第一波导；112-第二波导；11N-第N波导；12-等相位面；13-波前面；14-热光移相器单元；15-Si层（硅层）；16-Si氧化层（硅氧化层）；17-波导层；101-光波导相控阵截面平面；102-与光波导相控阵截面平面垂直的垂直线；103-与垂直线相交的光波导相控阵截面平面上的横向线；104-与垂直线相交的光波导相控阵截面平面上的纵向线；105-
Figure 476864DEST_PATH_IMAGE002
角；106-
Figure 82420DEST_PATH_IMAGE004
角；Y1-第一波导对应的第一热光移相器单元；Y2-第二波导对应的第二热光移相器单元；Y3-第三波导对应的第三热光移相器单元；YN-第N波导对应的第N热光移相器单元。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明一种基于光学相控阵扫描方式的激光杀毒装置，包括可调谐激光器、刻蚀有耦合光栅的光学相控阵、控制板、供电单元，
所述可调谐激光器设置有光纤接口，通过所述光纤接口与光学相控阵连接，具体地通过光纤拉锥熔接实现；
所述光学相控阵为基于热光移向器的光波导相控阵，利用硅材料的高热光系数，通过加热的方式实现材料折射率的变化，从而实现相位的调制；
所述耦合光栅通过刻蚀的方法刻蚀在光学相控阵芯片上；
当所述可调谐激光器出射的同一波长的光通过光波导相控阵时，通过加热的方式实现相位的调制，再入射到耦合光栅中，最后实现光束在一个方向（约定为纸面的横向）上的偏转扫描；
当所述可调谐激光器出射的不同波长的光通过耦合光栅时，即当激光波长在一定范围内变化，实现出射光束在另一方向（约定为纸面的纵向）的偏转扫描，此时光波导相控阵处于非加热状态；具体地，所述另一方向是与通过加热状态的光波导相控阵后的激光偏转扫描方向垂直的方向；具体的本实施例中，考虑到装置的小型化、集成化，将光栅耦合器刻蚀到相控阵芯片上，通过光栅对不同波长光束的偏转原理，如下式，实现对出射光束在纵向方向的偏转，纵向方向的偏转角
Figure 862157DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 257366DEST_PATH_IMAGE008
其中
Figure 71739DEST_PATH_IMAGE010
表示光栅的周期，具体指光栅相邻刻蚀栅缝间距，
Figure 831884DEST_PATH_IMAGE012
表示波导的有效折射率，
Figure 98918DEST_PATH_IMAGE014
表示光在真空中的波长，
Figure 297818DEST_PATH_IMAGE016
是背景的折射率。
所述控制板为热光移相器的控制装置，热光移相器为硅基相控阵核心部分，通过改变加载在各个热光移相器上的电压，使加热片对波导进行加热改变波导的折射率，从而改变相邻热光移相器对应的波导的光束相位差，通过控制板程序驱动移相器外加电场的方式，使移相器实现对波导的加热控制，进而实现光束经过热光移相器后相位改变；
所述供电单元为可调谐激光器、控制板提供符合要求的电压值。
所述光波导相控阵设置于硅层衬底上，沿光路依次包括输入波导、光学分束器单元（即光学分束器阵列）、光波导阵列、热光移相器单元及耦合光栅，所述激光光束经过拉锥光纤耦合进输入波导，再经过光学分束器阵列进入光波导阵列，本实施例中光学分束器单元为星形耦合器实现光束分束，使光束均匀进入N个波导阵列中，N为大于等于2的自然数，如图2中为16个波导，通过热光移相器单元给光波导阵列加热，实现波导折射率的改变，从而使光束相位发生变化，当给波导加热满足相邻波导出射光束相位差恒定时，出射光束实现横向偏转，即实现横向扫描，如图2中约定为纸面的横向扫描；
所述光波导相控阵采用硅基光电子集成技术制作全集成二维光学硅基光波导相控阵，利用硅较高的热光系数实现光束的热光调谐。
所述光波导相控阵即光波导相控阵芯片为硅基光波导相控阵，从下往上依次为硅衬底、硅氧化层和波导层，所述热光移相器单元包括加热片，所述光波导阵列为单模波导，加热片掩埋在硅氧化层中，加热片与控制板相连，通过控制板控制给各加热片电压的不同，实现热光移相器对波导阵列不同的移相效果。所述耦合光栅通过刻蚀的方法刻蚀在光波导相控阵芯片的波导层上，所述耦合光栅与所述波导相连。
移相原理如下：
相邻波导输出的光束到达等相位面的光程差如下式所示，
Figure 966696DEST_PATH_IMAGE018
其中
Figure 147011DEST_PATH_IMAGE020
表示光束偏转的角度，
Figure 901340DEST_PATH_IMAGE022
为相邻波导间距；
由于这个光程差是由相位差引起的，因此，
Figure 638352DEST_PATH_IMAGE024
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE026AAA
为相邻波导的相位差，即,、、、 ......、为光波导阵列中从第一波导、第二波导......第N波导顺次编号的不同波导 对应的相位，
Figure DEST_PATH_IMAGE042AAA
为激光在空气中的波长；
从而可计算出光束在横向方向的偏转角度，亦可根据实际场景需要的扫描范围设计波导参数。
还包括支架，所述支架为整套装置的固定设备，为激光器、光学相控阵、光栅耦合器及控制板提供安装位置及固定方式，支架具有高度调节及灵活移动的功能。可根据具体场景选择出光高度，光学相控阵固定装置夹具灵活，根据具体应用对象可灵活选择手持或固定。
在本实施例中，所述激光器采用红外波段，利用激光的高能量通过热效应实现对病菌的消杀。
在另一个实施例中，所述激光器采用紫外波段，利用光化学效应达到使病菌失活的目的。
在本实施例中，可调谐激光器出射的激光波段为1530nm-1560nm，充分利用其出射激光高能量特性，通过光热效应实现对物品表面病菌的消杀，方法简单，操作方便。
所述可调谐激光器光波段处于人眼安全的范畴，出光功率密度可达到病菌消杀量级。
本发明还提供一种使用基于光学相控阵扫描方式的激光杀毒装置的杀毒方法，包括步骤如下：
S1、安装固定基于光学相控阵扫描方式的激光杀毒装置；
S2、通过所述供电单元给可调谐激光器、控制板提供符合要求的电压值；
S3、当所述可调谐激光器出射的同一波长的光通过光波导相控阵时，通过加热的方式实现相位的调制，再入射到耦合光栅中，实现激光从光波导到空间的发射及光束横向方向的偏转，最后实现光束在一个方向（约定为纸面的横向）上的偏转扫描；
所述步骤S3中通过加热的方式实现相位的调制具体过程为：
S31、所述激光光束经过拉锥光纤耦合进输入波导，再经过光学分束器阵列进入光波导阵列，通过热光移相器单元给光波导阵列加热，实现波导折射率的改变，从而使光束相位发生变化，当给波导加热满足相邻波导出射光束相位差恒定时，光束通过热光移相器可实现在一定方向上的相干相长，出射光束实现横向偏转，即实现横向扫描；
所述步骤S31中通过热光移相器单元给光波导阵列加热的具体方法为：
S311、通过所述热光移相器单元的加热片给光波导阵列加热，即通过控制板控制给各加热片电压的不同给光波导阵列加热。
S4、当所述可调谐激光器出射的不同波长的光通过耦合光栅时，实现激光从光波导到空间的发射及光束纵向方向的偏转，实现出射光束在另一方向（约定为纸面的纵向）的偏转扫描，此时光波导相控阵处于非加热状态；具体地，所述另一方向是与S3步骤中通过加热状态的光波导相控阵后的激光偏转扫描方向垂直的方向；
步骤S3和S4顺序可以互换。

Claims (10)

1.一种基于光学相控阵扫描方式的激光杀毒装置，其特征在于包括可调谐激光器、刻蚀有耦合光栅的光学相控阵、控制板、供电单元，
所述可调谐激光器设置有光纤接口，通过所述光纤接口与光学相控阵连接；
所述光学相控阵为基于热光移向器的光波导相控阵，利用硅材料的高热光系数，通过加热的方式实现材料折射率的变化，从而实现相位的调制；
所述耦合光栅通过刻蚀的方法刻蚀在光波导相控阵芯片上；
当所述可调谐激光器出射的同一波长的光通过光波导相控阵时，通过加热的方式实现相位的调制，再入射到耦合光栅中，最后实现光束在一个方向上的偏转扫描；
当所述可调谐激光器出射的不同波长的光通过耦合光栅时，实现出射光束在另一方向的偏转扫描，此时光波导相控阵处于非加热状态；
所述控制板为热光移相器的控制装置，通过控制板程序驱动移相器外加电场的方式，使移相器材料折射率发生变化，进而实现光束经过热光移相器后相位改变；
所述供电单元为可调谐激光器、控制板提供符合要求的电压值。
2.根据权利要求1所述的基于光波导相控阵扫描方式的激光杀毒装置，其特征在于所述光波导相控阵置于硅层衬底上，沿着光路依次包括输入波导、光学分束器单元、光波导阵列、热光移相器单元及耦合光栅，所述激光光束经过拉锥光纤耦合进输入波导，再经过光学分束器单元进入光波导阵列，通过热光移相器单元给光波导阵列加热，实现波导折射率的改变，从而使光束相位发生变化，当给波导加热满足相邻波导出射光束相位差恒定时，出射光束实现横向偏转，即实现横向扫描。
3.根据权利要求2所述的基于光波导相控阵扫描方式的激光杀毒装置，其特征在于所述光波导相控阵采用硅基光电子集成技术制作全集成二维光学硅基光波导相控阵。
4.根据权利要求3所述的基于光波导相控阵扫描方式的激光杀毒装置，其特征在于所述光波导相控阵即光波导相控阵芯片为硅基光波导相控阵，从下往上依次为硅衬底、硅氧化层和波导层，所述热光移相器单元包括加热片，所述光波导阵列为单模波导，加热片掩埋在硅氧化层中，加热片与控制板相连，通过控制板控制给各加热片电压的不同，实现热光移相器对波导阵列不同的移相效果。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的基于光波导相控阵扫描方式的激光杀毒装置，其特征在于还包括支架，所述支架为整套装置的固定设备，为可调谐激光器、光波导相控阵及控制板提供安装位置及固定方式。
6.根据权利要求5所述的基于光波导相控阵扫描方式的激光杀毒装置，其特征在于所述可调谐激光器采用红外波段，利用激光的高能量通过热效应实现对病菌的消杀。
7.根据权利要求5所述的基于光波导相控阵扫描方式的激光杀毒装置，其特征在于所述可调谐激光器采用紫外波段，利用光化学效应达到使病菌失活的目的。
8.根据权利要求1-4、6-7任一项所述的一种基于光学相控阵扫描方式的激光杀毒装置的激光杀毒方法，包括步骤如下：
S1、安装固定基于光波导相控阵扫描方式的激光杀毒装置；
S2、通过所述供电单元给可调谐激光器、控制板提供符合要求的电压值；
S3、当所述可调谐激光器出射的同一波长的光通过光波导相控阵时，通过加热的方式实现相位的调制，再入射到耦合光栅中，实现激光从光波导到空间的发射及光束横向方向的偏转，最后实现光束在一个方向上的偏转扫描；
S4、当所述可调谐激光器出射的不同波长的光通过耦合光栅时，实现激光从光波导到空间的发射及光束纵向方向的偏转，实现出射光束在另一方向的偏转扫描，此时光波导相控阵处于非加热状态；
步骤S3和S4顺序可以互换。
9.根据权利要求8所述的激光杀毒方法，其特征在于所述步骤S3中通过加热的方式实现相位的调制具体过程为：
S31、所述激光光束经过拉锥光纤耦合进输入波导，再经过光学分束器阵列进入光波导阵列，通过热光移相器单元给光波导阵列加热，实现波导折射率的改变，从而使光束相位发生变化，当给波导加热满足相邻波导出射光束相位差恒定时，出射光束实现横向偏转，即实现横向扫描。
10.根据权利要求9所述的激光杀毒方法，其特征在于所述步骤S31中通过热光移相器单元给光波导阵列加热的具体方法为：
S311、通过所述热光移相器单元的加热片给光波导阵列加热，即通过控制板控制给各加热片电压的不同给光波导阵列加热。
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