CN116184738A - 一种二维光学相控阵扫描扩展装置及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种二维光学相控阵扫描扩展装置及其应用。该装置包括沿光路依次设置的激光光源模块100、光学相控阵模块200和多级扫描扩展模块300。激光光源模块100通过波长可调谐的激光器110和起偏器120将产生的出射激光转变为线偏振光，光学相控阵模块200用于水平方向的光束扫描，多级扫描扩展模块300通过复合机械偏转单元310、液晶电扫描单元320和综合时序控制单元330，在改变激光器波长的同时实现了垂直方向的光束偏转、光束扩束以及二维范围内的光束扫描扩展。该装置将光束扫描扩展为二维的同时使偏转角度逐级放大，间接解决了光学相控阵发射口径有限导致光偏转角度小的问题，实现了更大的二维探测范围，同时保障了系统的探测精度。

Description

一种二维光学相控阵扫描扩展装置及其应用
技术领域
本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种二维光学相控阵扫描扩展装置及其应用。
背景技术
现有技术中的经典光学相控阵(如光波导相控阵)通常将激光作为信息载体，利用光分束器将其分为多路光信号，通过调节阵列单元相位差完成波束的偏转。这类相控阵可集成在芯片上，具有尺寸小、质量轻、灵活性好、功耗低、响应速度快、控制电压低等优势，但其同时要求阵列单元间隔必须不大于半个波长，这也就意味着阵列单元的尺寸通常在纳米量级，并且在发射口径不变的条件下，想要通过减少阵列单元间隔、增加阵列数量的方式使得光偏转角度增大难以实现，受制于此整个光学相控阵的光探测能力有限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种二维光学相控阵扫描扩展装置，该装置包括沿光路依次布置的激光光源模块(100)、光学相控阵模块(200)、多级扫描扩展模块(300)，激光光源模块(100)产生的激光进入光学相控阵模块(200)，光学相控阵模块(200)对其进行特定方向的光束扫描后进入多级扫描扩展模块(300)，多级扫描扩展模块(300)对光束进行一系列处理后使其按照特定方式扫描并射出。
进一步的，所述激光光源模块(100)包括激光器(110)、起偏器(120)，所述起偏器(120)位于激光器(110)与光学相控阵模块(200)之间。
更进一步的，所述激光器(110)选自可调谐连续激光器、可调谐脉冲激光器中的至少一种，其出射准直光束且波段可调谐，可调范围为1555nm-1605nm。
更进一步的，利用起偏器(120)将激光器(110)出射的准直光束转变为线偏振光，并且其消光比为10000:1。
进一步的，光束经过光学相控阵模块(200)后沿X轴方向水平扫描，并且在Y轴上的光束偏转角度不超过±6°。
进一步的，所述多级扫描扩展模块(300)包括复合机械偏转单元(310)、液晶电扫描单元(320)、综合时序控制模块(330)，其中复合机械偏转单元(310)与光学相控阵模块(200)位于同一条光路上，液晶电扫描单元(320)位于所述光路侧面，综合时序控制模块(330)分别与复合机械偏转单元(310)、液晶电扫描单元(320)电连接并对其进行控制。
进一步的，所述复合机械偏转单元(310)包括棱镜(311)、扩束镜(312)、偏摆镜(313)、偏摆镜(313)、偏摆镜驱动器(314)，棱镜(311)、扩束镜(312)、偏摆镜(313)沿光路排列，偏摆镜(313)面向液晶电扫描单元(320)倾斜一定角度，偏摆镜驱动器(314)与偏摆镜(313)固定连接并带动其偏转，综合时序控制模块(330)通过偏摆镜驱动器(314)与复合机械偏转单元(310)电连接并控制其运动。
更进一步的，所述棱镜(311)选自直角棱镜、楔形棱镜、五角棱镜中的至少一种，所述偏摆镜(313)选自反射式偏摆镜、折射式偏摆镜、折射式光楔中的至少一种，所述偏摆镜驱动器(314)选自音圈电机驱动器、压电陶瓷驱动器中的至少一种。
进一步的，所述液晶电扫描单元(320)包括从上至下依次重叠排列的偏振态选择器(3211)、四分之一波片(3212)、液晶偏振光栅(3213)以及至少1组由偏振态选择器、液晶偏振光栅交替排列的多级电扫描子单元。
更进一步的，所述液晶电扫描单元(320)包括5组由偏振态选择器、液晶偏振光栅交替排列的多级电扫描子单元。
进一步的，所述四分之一波片(3212)为由铁电液晶或双频液晶高速响应材料制备而成的电控液晶半波片，偏振光栅器件选自角复用全息光栅、液晶光栅、超表面微纳结构光栅中的至少一种。
本发明的目的之二在于提供上述装置在光检测、激光测距、光通信、激光雷达、地形测绘等领域的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在以下几个方面：
(1)本发明提供的二维光学相控阵扫描扩展装置，通过在光学相控阵激光出射端引入复合机械偏转单元、液晶电扫描单元以及综合时序控制单元构成多级扫描扩展模块，充分结合了机械偏转技术和新型偏转技术，将光束扫描扩展为二维的同时实现了偏转角度的逐级放大，间接解决了光学相控阵发射口径有限导致光偏转角度小的问题；(2)本发明提供的二维光学相控阵扫描扩展装置是一种新型复合结构，相比于经典的光学相控阵能够实现更大的二维探测范围，同时保障了系统的探测精度；(3)该装置结构相对简单，使用效果好。
附图说明
图1为二维光学相控阵扫描扩展装置的结构示意图；
图2为多级扫描扩展模块的结构示意图；
图3为二维光学相控阵扫描扩展装置的立体示意图。
其中激光光源模块100，光学相控阵模块200，多级扫描扩展模块300；激光器110、起偏器120；复合机械偏转单元310、液晶电扫描单元320、综合时序控制模块330；棱镜311、扩束镜312、偏摆镜313、偏摆镜驱动器314；多级电扫描子单元321-326；偏振态选择器3211，四分之一波片3212，液晶偏振光栅3213、3222、3232、3242、3252、3262，偏振态选择器3221、3231、3241、3251、3261。
具体实施方式
为使本领域普通技术人员充分理解本发明的技术方案和有益效果，以下结合具体实施例及附图进行进一步说明。
如图1所示的二维光学相控阵扫描扩展装置，主要包括激光光源模块100、光学相控阵模块200、多级扫描扩展模块300。其中激光光源模块包括波长可调谐的激光器110和起偏器120，激光器110主要用于发射准直激光，起偏器120主要用于将激光器出射的激光转变为线偏振光，光学相控阵模块200主要用于水平方向的光束扫描。激光光源模块中的可调谐激光器110包括但不仅限于可调谐连续激光器、可调谐脉冲激光器，其波段可调谐范围为1555nm-1605nm，起偏器120的消光比为10000:1。光学相控阵模块200包含8个相位控制阵列单元，各个单元之间的间距为9μm，可实现Y轴最大±6°的光束偏转，并且角分辨率2μrad。
多级扫描扩展模块300的结构相对复杂，其主要包括复合机械偏转单元310、液晶电扫描单元320和综合时序控制模块330。其中复合机械偏转单元主要用于配合激光器变波长，同时实现垂直方向的光束偏转、光束扩束以及一定范围内的二维光束扫描扩展；液晶电扫描单元320主要用于光束扫描范围的进一步扩展；综合时序控制模块330主要作用于复合机械偏转单元310和液晶电扫描单元320，使光束按照设定规律顺序扫描。
图2为多级扫描扩展模块300的具体结构示意图。由图可知，多级扫描扩展模块300包括复合机械偏转单元310、液晶电扫描单元320以及综合时序控制模块330。其中复合机械偏转单元310包括棱镜311、扩束镜312以及偏摆镜313，棱镜311主要用于配合激光器改变波长并实现垂直方向(Z轴)的光束偏转；扩束镜312主要用于光束扩束；偏摆镜313主要用于范围内的光束扫描扩展。棱镜311包括但不仅限于直角棱镜、楔形棱镜、五角棱镜，偏摆镜包括但不仅限于反射式偏摆镜、折射式偏摆镜、折射式光楔，偏摆镜驱动器包括但不仅限于音圈电机驱动器、压电陶瓷驱动器。在某个具体的实施例中，棱镜为直角棱镜，其工作波长为200nm-2.1μm，在波长为1555nm-1605nm的激光器调节下，确保垂直方向小幅度偏转。扩束镜312工作波长为1550nm，放大率10x。偏摆镜313为反射式偏摆镜，镜面直径为73mm，反射镜面形(RMS)≤λ/40。偏摆镜313固定在偏摆镜驱动器314上并随之运动，整体可实现X轴、Y轴两个方向的角度偏转，且角度偏转范围为±12°，角分辨率为2mrad。
如图2-3所示，液晶电扫描单元320采用多级电扫描子单元321、322、323、324、325、326组合的结构，每级电扫描子单元依次对偏振光进行不同角度的偏转，多级电扫描子单元对偏振光的偏转角度具有累加效应。具体来看，电扫描子单元321包括同向依次排列的偏振态选择器3211、四分之一波片3212、液晶偏振光栅3213；液晶电扫描子单元322、323、324、325、326依次包括同向排列的偏振态选择器3221、3231、3241、3251、3261和液晶偏振光栅3222、3232、3242、3252、3262，排列方式为偏振态选择器、液晶偏振光栅交替排列。偏振态选择器3211、3221、3231、3241、3251、3261均采用铁电液晶电控半波片，响应频率为1kHz，物理尺寸为30mm×40mm。四分之一波片3212的工作波长为1550nm，有效通光口径为25.4mm。各个液晶偏振光栅的工作波长为1550nm，有效通光口径为25.4mm，并且液晶偏振光栅3213、3222、3232的液晶分子方向沿X轴周期性渐变，其在X轴方向上的偏转范围分别为±6°，±12°、±24°；液晶偏振光栅3242、3252、3262的液晶分子方向沿Y轴周期性渐变，在Y轴方向上的偏转范围为±6°，±12°、±24°。
以激光进入液晶电扫描单元321为例，准直偏振光首先进入3211并且偏振状态发生改变，然后进入3212使得线偏振光转变为对应状态的圆偏振光；接着进入3213并且光束发生定向偏转；其它电扫描单元的光路过程同理。此时回看整个液晶电扫描单元的偏转范围达到X轴方向±42°，Y轴方向±42°，角度分辨率为12°。
综合时序控制单元330(如信号发生器或时序控制电路)分别与复合机械偏转单元310、液晶电扫描单元320连接并加载控制电压，通过改变加载在不同单元的控制电压，可对光束偏转进行时序控制，进而控制整个外接扫描扩展模块的输出光束偏转，达到二维顺序扫描的目的。综合时序控制单元330包含至少7路触发电压接口，分别对应复合机械偏转单元310中的偏摆镜驱动器314以及液晶电扫描单元320中的偏振态选择器3211、3221、3231、3241、3251、3261。
总体的，假设光学相控阵模块200的偏转角度为β1，多级扫描扩展模块300中的复合机械偏转单元310的偏转角度为β2，液晶电扫描单元320的偏转角度为β3，则整个装置的偏转角度β＝β1+β2+β3。偏转范围由小到大依次为光学相控阵模块200、复合机械偏转单元310、液晶电扫描单元320。整个二维光学相控阵扫描扩展装置的扫描角分辨率取决于光学相控阵模块200的最小角分辨率。整个装置的偏转范围为光学相控阵模块200、多级扫描扩展模块300中的复合机械偏转单元310和液晶电扫描单元320的偏转角度范围之和，由此可知X轴为±6°、±12°、±24°之和即为±42°。Y轴考虑到棱镜部分偏转角度较小可忽略，因此Y轴为±12°、±24°之和即为±36°。故该装置的总体扫描范围从一维±6°扩展为二维±42°×±36°。
综上，本发明提供的二维光学相控阵扫描扩展装置，通过在光学相控阵激光出射端引入复合机械偏转单元、液晶电扫描单元以及综合时序控制单元构成的多级扫描扩展模块，充分结合了机械偏转技术和新型偏转技术的优点，将光束扫描扩展为二维的同时实现了偏转角度的逐级放大，间接解决了光学相控阵发射口径有限进而导致光偏转角度小等问题，实现了更大的二维探测范围同时保障了系统的探测精度。

Claims (10)

1.一种二维光学相控阵扫描扩展装置，其特征在于：该装置包括沿光路依次布置的激光光源模块(100)、光学相控阵模块(200)、多级扫描扩展模块(300)；其中激光光源模块(100)产生的激光进入光学相控阵模块(200)，光学相控阵模块(200)对激光进行特定方向的光束扫描后进入多级扫描扩展模块(300)，多级扫描扩展模块(300)对光束进行一系列处理后使其按照特定方式扫描并射出。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述激光光源模块(100)包括激光器(110)、起偏器(120)，所述起偏器(120)位于激光器(110)与光学相控阵模块(200)之间；所述激光器(110)选自可调谐连续激光器、可调谐脉冲激光器中的至少一种，其出射准直光束且波段可调谐，可调范围为1555nm-1605nm。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于：利用起偏器(120)将激光器(110)出射的准直光束转变为线偏振光。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于：光束经过光学相控阵模块(200)后沿X轴方向水平扫描，并且在Y轴上的光束偏转角度不超过±6°。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述多级扫描扩展模块(300)包括复合机械偏转单元(310)、液晶电扫描单元(320)、综合时序控制模块(330)，其中复合机械偏转单元(310)与光学相控阵模块(200)位于同一条光路上，液晶电扫描单元(320)位于所述光路侧面，综合时序控制模块(330)分别与复合机械偏转单元(310)、液晶电扫描单元(320)电连接并对其进行控制。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于：所述复合机械偏转单元(310)包括棱镜(311)、扩束镜(312)、偏摆镜(313)、偏摆镜(313)、偏摆镜驱动器(314)，其中棱镜(311)、扩束镜(312)、偏摆镜(313)沿光路排列，偏摆镜(313)面向液晶电扫描单元(320)倾斜一定角度，偏摆镜驱动器(314)与偏摆镜(313)固定连接并带动其偏转，综合时序控制模块(330)通过偏摆镜驱动器(314)与复合机械偏转单元(310)电连接并控制其运动。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于：所述棱镜(311)选自直角棱镜、楔形棱镜、五角棱镜中的至少一种，所述偏摆镜(313)选自反射式偏摆镜、折射式偏摆镜、折射式光楔中的至少一种，所述偏摆镜驱动器(314)选自音圈电机驱动器、压电陶瓷驱动器中的至少一种。
8.如权利要求5所述的装置，其特征在于：所述液晶电扫描单元(320)包括从上至下依次重叠排列的偏振态选择器(3211)、四分之一波片(3212)、液晶偏振光栅(3213)以及至少1组由偏振态选择器、液晶偏振光栅交替排列的多级电扫描子单元。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于：所述液晶电扫描单元(320)包括5组由偏振态选择器、液晶偏振光栅交替排列的多级电扫描子单元；所述四分之一波片(3212)为由铁电液晶或双频液晶高速响应材料制备而成的电控液晶半波片，所述偏振光栅器件选自角复用全息光栅、液晶光栅、超表面微纳结构光栅中的至少一种。
10.权利要求1-9任意一项所述二维光学相控阵扫描扩展装置在光检测、激光测距、光通信、激光雷达、地形测绘中的应用。
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