CN114428397A - 旋转复用体布拉格光栅二维角度偏转器 - Google Patents
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Abstract
一种旋转复用体布拉格光栅二维角度偏转器，构成是：沿入射光方向依次是第1块旋转复用透射式体布拉格光栅的前表面的第1增透膜、第1块旋转复用透射式体布拉格光栅、第2块旋转复用透射式体布拉格光栅、…、第N块旋转复用透射式体布拉格光栅和第N块旋转复用透射式体布拉格光栅的后表面的第2增透膜，N为2以上的正整数。所包含的所有光栅通道按出射光与光轴夹角的大小沿光轴方向从小到大依次级联。本发明的设计灵活、制备便利，有效提高了二维角度偏转体布拉格光栅的制备效率，具有性能优越，结构简单，可大规模生产的优势，在激光光束扫描技术领域具有重要的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及激光二维方向光束扫描，特别是一种旋转复用体布拉格光栅二维角度偏转器。
背景技术
传统的光束扫描装置通常是采用机械运动的方法实现的，这种实现方式存在扫描速度和精度相对较低且体积非常庞大、重、昂贵和易受机械振动影响等缺点。随着相关技术的突破，近年来，以光学相控阵技术为代表的非机械式光束扫描装置得到了较快的发展，可以较为方便和快速的对激光光束进行非机械式光束扫描，其主要实现方法包括电光偏转器、声光偏转器、微透镜阵列、液晶偏振光栅、液晶光学相控阵等。光学相控阵不仅使相控阵激光雷达系统成为可能，而且在目标捕获、高精度瞄准、高分辨率成像、通信链接、定向红外反侦查和自适应光学系统等方面有广阔的应用。目前光学相控阵虽然可以实现二维方向上的光束偏转，但由于受到各种因素的制约，其低损耗的光束角度偏转能力十分有限(以液晶光学相控阵为例，典型的为±3°～5°)，难以满足实际应用中大角度偏转范围的需求，因此需要将光学相控阵与其他大角度光束偏转技术相结合。
将光学相控阵与体布拉格光栅相结合制成二维光束扫描系统，可以实现二维方向、大角度、准连续的光束扫描。记录在光敏材料(特别是光热敏折变玻璃)内的体布拉格光栅在入射光束满足布拉格条件时可以实现大角度的光束偏转(图1)，并且具有高衍射效率、低吸收、低散射损耗和高功率耐受性。
发明内容
为了使光束扫描系统更加小型化、轻量化和获得尽可能高的输出衍射效率，本发明提出一种旋转复用体布拉格光栅二维角度偏转器。通过设计体布拉格光栅的周期和条纹倾斜角参数，可以实现光束的小角度入射和大角度偏转出射，在体布拉格光栅前级使用光学相控阵来调制入射到体布拉格光栅的光束角度，可以实现光束的偏转或不偏转。当光束的入射角度调节至旋转复用体布拉格光栅二维角度偏转器各个光栅通道对应的入射角度时，光束会被对应的光栅通道选择性的以大角度衍射，再通过旋转复用体布拉格光栅二维角度偏转器之后的精调光学相控阵对特定角度出射的光束进行精细控制和填充，最终可实现大角度范围内的二维准连续光束角度控制。
本发明的技术解决方案如下：
一种旋转复用体布拉格光栅二维角度偏转器，特点在于其构成包括：沿入射光方向依次是第1块旋转复用透射式体布拉格光栅的前表面的第1增透膜、第1块旋转复用透射式体布拉格光栅、第2块旋转复用透射式体布拉格光栅、…、第N块旋转复用透射式体布拉格光栅和第N块旋转复用透射式体布拉格光栅的后表面的第2增透膜，所述的第1块旋转复用透射式体布拉格光栅、第2块旋转复用透射式体布拉格光栅、…、第N块旋转复用透射式体布拉格光栅的光栅通道按出射光与光轴夹角的大小沿光轴方向从小到大依次排列，所述的旋转复用透射式体布拉格光栅通过折射率匹配液贴合成一个整体，每一块旋转复用体布拉格光栅的各路光栅通道对应着特定的入射角和出射角，N为2以上的正整数。所述的每一块旋转复用透射式体布拉格光栅包含多组沿光栅前表面法线旋转的光栅，每一组光栅的周期相同，其条纹倾斜角在对应光栅矢量与入射光波矢所在的平面内相同。
所述的各通道对应的入射角均在旋转复用体布拉格光栅二维角度偏转器前端的光学相控阵的角度偏转能力范围内，相邻通道的入射角间隔大于该两个通道的角度选择曲线零值半宽；各通道的出射角范围对应着所需的角度偏转范围，相邻通道的出射角度间隔略小于光学相控阵的角度偏转能力范围。
每一块旋转复用体布拉格光栅的相邻通道入射角间隔大于角度选择曲线的零值半宽，其所有光栅通道的折射率调制度之和略小于光热敏玻璃的折射率动态调制范围。
以光栅矢量在y-z平面(图1(8))内的对应光栅通道为基准，若该通道对应的从旋转复用体布拉格光栅二维角度偏转器后出射的光束与光轴的夹角为φ，则该通道对应的出射光就可以用[0°，φ]来表示，沿光栅前表面法线旋转θ的光栅通道对应的出射光就可以用[θ，φ]来表示，每一个通道的出射光都可以用同样的方法来唯一表示。
假定光学相控阵在二维方向上可以实现β以内的角度偏转，通过矢量分析可以表示出从旋转复用体布拉格光栅二维角度偏转器之后的光学相控阵出射的光束的波矢量，每一个通道对应的从旋转复用体布拉格光栅二维角度偏转器之后的光学相控阵出射的光束的波矢量可以组成一个集合，考察各个通道从旋转复用体布拉格光栅二维角度偏转器之后的光学相控阵出射的光束的波矢量集合的重合率(可以根据不同的需求设置不同的标准)，即可得到所述的旋转复用体布拉格光栅二维角度偏转器所需要的最低光栅通道数S。由于旋转复用体布拉格光栅二维角度偏转器0°入射0°出射这一通道不需要光栅即可实现，所以不需要额外增加光栅通道。实际应用中在S数值的基础上适当增加几路通道，以提高系统的容错率。
所有光栅通道沿光栅前表面法线旋转，各通道光栅的周期相同，其条纹倾斜角在对应光栅矢量与入射角所在的平面内相同，在制备工艺的曝光过程中共用一套曝光光路。所述的旋转复用体布拉格光栅二维角度偏转器各通道对应的入射角均在其前端的光学相控阵的角度偏转能力范围内，相邻通道的入射角间隔大于该两个通道的角度选择曲线零值半宽；相邻通道的出射角度间隔略小于光学相控阵的角度偏转能力范围。
通过设计光栅通道的入射角度和出射角度可以降低相邻通道间的串扰作用。每一块旋转复用体布拉格光栅的所有光栅通道的折射率调制度之和略小于光热敏玻璃的折射率动态调制范围，同时保证光栅具有较低的厚度，降低了光束发散角对每一路通道光栅最终衍射效率的影响。多块旋转复用体光栅所包含的光栅通道的出射角度按出射光与光轴夹角的大小沿光轴方向从小到大依次排列，第一块旋转复用体布拉格光栅的前表面和最后一块旋转复用体布拉格光栅的后表面镀制了工作波长下的标准增透膜，多块旋转复用体布拉格光栅通过折射率匹配液贴合成一个整体。
通过调节光束的入射角度至若干个离散的角度，光束会被不同光栅通道选择性的衍射出去，实现光束多个大角度二维离散偏转。旋转复用体布拉格光栅二维角度偏转器之后的精调光学相控阵再对特定角度出射的光束进行精细控制和填充，最终可实现大角度范围内的准连续光束角度控制。
本发明的优点：
1、采用体布拉格光栅作为光束角度偏转元件，其入射角度和出射角度设计灵活，角度选择性好，效率高，复用特性良好，并具有优异的高功率耐受性；
2、级联的方式使本发明旋转复用体布拉格光栅二维角度偏转器的结构更加紧凑，便于光束连续偏转系统的小型化与轻量化；
3、旋转复用的记录方式使制备更为便利，有效提高了二维角度偏转体布拉格光栅的制备效率；
4、旋转复用体布拉格光栅的制备难度相对较低，易于实现批量化生产。
附图说明
图1为本发明旋转复用体布拉格光栅二维角度偏转器的结构示意图。
图2为在旋转复用体布拉格光栅二维角度偏转器后放置接收屏时接收屏所接收到的二维离散光点的示意图。
图3为本发明旋转复用体布拉格光栅二维角度偏转器实施例的入射角度和各通道光栅最终相对衍射效率的关系图，其中(a)、(b)、(c)分别为VBG1、VBG2、VBG3的入射角度和各通道光栅最终相对衍射效率的关系图。
图中：
1-光轴，2-对应着不同光栅通道的入射角度的入射光，3-第1增透膜系，4-第1旋转复用体布拉格光栅VBG1，5-第2旋转复用体布拉格光栅VBG2，6-第N旋转复用体布拉格光栅VBGN(N为最后一块光栅的序号)，7-第2增透膜系，8-空间直角坐标系(光轴为z轴)，a～f–第1旋转复用体布拉格光栅VBG1的出射通道，g～r–第2旋转复用体布拉格光栅VBG2的出射通道,A～R–第3旋转复用体布拉格光栅VBG3的出射通道
具体实施方式
下面结合附图和附表对本发明作进一步说明，但不应以此限制发明的保护范围。
图1给出了本发明旋转复用体布拉格光栅二维角度偏转器的结构示意图。由图可见，本发明旋转复用体布拉格光栅二维角度偏转器，构成是：沿入射光方向依次是第1块旋转复用透射式体布拉格光栅4的前表面的第1增透膜3、第1块旋转复用透射式体布拉格光栅4、第2块旋转复用透射式体布拉格光栅5、…、第N块旋转复用透射式体布拉格光栅6和第N块旋转复用透射式体布拉格光栅的后表面的第2增透膜7，所述的第1块旋转复用透射式体布拉格光栅4、第2块旋转复用透射式体布拉格光栅5、…、第N块旋转复用透射式体布拉格光栅6的光栅通道按出射光与光轴夹角的大小从小到大依次排列，所述的旋转复用透射式体布拉格光栅通过折射率匹配液贴合成一个整体，每一块旋转复用体布拉格光栅的各路光栅通道对应着特定的入射角和出射角，N为2以上的正整数。所述的每一块旋转复用透射式体布拉格光栅包含多组沿光栅前表面法线旋转的光栅，每一组光栅的周期相同，其条纹倾斜角在对应光栅矢量与入射光波矢所在的平面内相同。
实施例
本实施例采用光热敏折变(PTR)玻璃为记录材料，工作波长为1064nm。本实施例的N＝3，即构成是：沿入射光方向依次是第1块旋转复用透射式体布拉格光栅4的前表面的第1增透膜3、第1块旋转复用透射式体布拉格光栅(简称为第1旋转复用光栅VBG1或VBG1)4、第2块旋转复用透射式体布拉格光栅(简称为第2旋转复用光栅VBG2或VBG2)5、第3块旋转复用透射式体布拉格光栅(简称为第3旋转复用光栅VBG3或VBG3)6和第3块旋转复用透射式体布拉格光栅的后表面的第2增透膜7。本实施例以重合率为零，即各个通道从旋转复用体布拉格光栅二维角度偏转器之后的光学相控阵出射的光束的波矢量集合刚好有重合部分，作为确定最低光栅通道数的标准。根据需求的角度偏转范围(以-30°～30°为例)和光学相控阵的角度偏转能力(典型为-5°～5°)，我们将VBG1、VBG2、VBG3所需的光栅通道数分别设置为6、12、18个，且VBG1、VBG2、VBG3各通道间的旋转角度相等(VBG1、VBG2、VBG3各通道间旋转的夹角分别为60°、30°、20°)，VBG1、VBG2、VBG3入射光与光轴夹角和出射光与光轴夹角之间的间隔分别设置为1.5°和10°。根据kogelnik耦合波理论，在每一路光栅通道的入射角度和出射角度确定后，计算出各个光栅通道的周期和倾斜角参数。表1给出了体布拉格光栅各通道的角度偏转特性和结构参数。
表1
在综合考虑衍射效率、通道间串扰等因素后，最终选择在3mm厚的PTR玻璃内部复写光栅通道，其中第1旋转复用光栅VBG1包含通道a,b,c,d,e,f；第2旋转复用光栅VBG2包含通道g,h,i,j,k,l,m,n,o,p,q,r；第3旋转复用光栅VBG3包含通道A,B,C,D,E,F,G,H,I,J,K,L,M,N,O,P,Q,R。图2给出了在旋转复用体布拉格光栅二维角度偏转器后放置接收屏时接收屏所接收到的二维离散光点的示意图，按前述方法可以将每一个光栅通道对应的从旋转复用体布拉格光栅二维角度偏转器后出射的光束唯一表示，例如，a通道对应的出射光表示为[0°,10°]，b通道对应的出射光表示为[60°，10°]。通过将周期相同的光栅通道(如通道a和通道b)制备在一块旋转复用体光栅内部的方式，简化了曝光工艺过程(旋转的各光栅通道可使用同一套曝光光路)。通过设计入射光与光轴夹角、出射光与光轴夹角，可以有效的避免相邻通道的串扰作用。我们将具有较小角放大率的光栅VBG1放置在前级，光栅VBG2位于中间，具有较大角放大率的光栅VBG3放置在后级进行级联使用，此时系统所需要的孔径可实现最小化。
在确定各旋转复用体光栅的结构参数后，基于双光束干涉原理搭建相应通道的紫外双光束干涉曝光光路。对于每块旋转复用体光栅，只需要搭建一套曝光光路。在曝光各通道光栅中的另一路时，将PTR玻璃分别沿前表面法线方向旋转60°、30°、20°即可。依次曝光所需的光栅通道，每次曝光量一致，均为60mJ/cm2。将曝光后的PTR玻璃在510℃下进行1h恒温热处理。完成3块旋转复用体光栅的制备后，在光栅VBG1的前表面和光栅VBG3的后表面镀制1064nm标准增透膜。使用折射率匹配液将旋转复用体光栅VBG1、VBG2和VBG3按照图1所示方式进行级联构成旋转复用体布拉格光栅二维角度偏转器。
使用时，光束从旋转复用体布拉格光栅二维角度偏转器的前端入射，入射角度由前端的光学相控阵在小角度范围内连续调控。当入射角度对应着某一光栅通道的入射角时，会被选择性的衍射出去。例如入射光与光轴夹角调节为1.5°，且入射光波矢量与光栅通道a的光栅矢量在同一平面内，此时会对应着旋转复用体光栅VBG1内的光栅通道a([0°,10°])，光束会先被VBG1偏转至与光轴夹角为10°，然后无偏转的通过VBG2和VBG3并出射；入射光与光轴夹角调节为4.5°，且入射光波矢量与光栅通道A的光栅矢量在同一平面内，此时会对应着VBG3中的光栅通道A([0°,30°])，光束先无偏转的通过VBG1，VBG2，然后被VBG3偏转至与光轴夹角为30°出射。
图3给出了所制备出的本发明旋转复用体布拉格光栅二维角度偏转器实施例的入射角度和各通道光栅最终相对衍射效率的关系图，测试时各通道的角度扫描均在该通道对应光栅矢量与入射角所在的平面内进行。实验表明，本发明旋转复用体布拉格光栅二维角度偏转器能够达到最低60％以上的相对衍射效率，各通道光束衍射角度与设计值相差不超过0.1°，能够满足使用需要。该结构器件具有角度设计灵活、结构紧凑、制备简单等优点，是理想的非机械式角度偏转器件，在激光光束扫描技术领域具有良好实用前景。
Claims (3)
1.一种旋转复用体布拉格光栅二维角度偏转器，特征在于其构成是：沿入射光方向依次是第1块旋转复用透射式体布拉格光栅(4)的前表面的第1增透膜(3)、第1块旋转复用透射式体布拉格光栅(4)、第2块旋转复用透射式体布拉格光栅(5)、…、第N块旋转复用透射式体布拉格光栅(6)和第N块旋转复用透射式体布拉格光栅的后表面的第2增透膜(7)，所述的第1块旋转复用透射式体布拉格光栅(4)、第2块旋转复用透射式体布拉格光栅(5)、…、第N块旋转复用透射式体布拉格光栅(6)的光栅通道按出射光与光轴夹角的大小沿光轴方向从小到大依次排列，所述的旋转复用透射式体布拉格光栅通过折射率匹配液贴合成一个整体，每一块旋转复用体布拉格光栅的各路光栅通道对应着特定的入射角和出射角，N为2以上的正整数，所述的每一块旋转复用透射式体布拉格光栅包含多组沿光栅前表面法线旋转的光栅，每一组光栅的周期相同，其条纹倾斜角在对应光栅矢量与入射光波矢所在的平面内相同。
2.根据权利要求1所述的旋转复用体布拉格光栅二维角度偏转器，其特征在于：所述的各通道对应的入射角均在旋转复用体布拉格光栅二维角度偏转器前端的光学相控阵的角度偏转能力范围内，相邻通道的入射角间隔大于该两个通道的角度选择曲线零值半宽；各通道的出射角范围对应着所需的角度偏转范围，相邻通道的出射角度间隔略小于光学相控阵的角度偏转能力范围。
3.根据权利要求1或2所述的旋转复用体布拉格光栅二维角度偏转器，其特征在于：每一块旋转复用体布拉格光栅的相邻通道入射角间隔大于角度选择曲线的零值半宽，其所有光栅通道的折射率调制度之和略小于光敏材料的折射率动态调制范围。
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