CN116719162A - 一种基于光学系统的激光光束仿真方法和系统 - Google Patents

一种基于光学系统的激光光束仿真方法和系统 Download PDF

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CN116719162A CN202310989158.5A CN202310989158A CN116719162A CN 116719162 A CN116719162 A CN 116719162A CN 202310989158 A CN202310989158 A CN 202310989158A CN 116719162 A CN116719162 A CN 116719162A
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Abstract

本发明公开了一种基于光学系统的激光光束仿真方法和系统，包括设置激光光束参数；构建光学系统模型；对光束偏转模型的参数进行设置；将激光光束准直地作用于光束偏转模型，以便光束偏转模型的多个第二ITO电极在驱动电压作用下，使得液晶层沿电场旋转并生成理想指向矢量分布，根据理想指向矢量分布生成与理想相位曲线匹配的仿真相位曲线，基于仿真相位曲线将输入的激光光束偏转至预设的角度，输出仿真结果。本发明通过构建光束偏转模型，根据给定衍射角对模型的参数进行优化，进而得到与理想相位曲线匹配的仿真相位曲线，提升衍射效率，将输入的激光光束偏转至预设的角度，为激光光束在光束偏转器的实际应用提供有力的数据支持。

Description

一种基于光学系统的激光光束仿真方法和系统
技术领域
本发明涉及激光仿真技术领域，具体涉及一种基于光学系统的激光光束仿真方法和系统。
背景技术
光束偏转系统是指在主动控制下，通过液晶分子调制光场的某个参量，例如通过折射率调制相位，从而将一定的信息写入光波中，达到光波调制的目的。光束偏转系统是构成实时光学信息处理、光互连和光计算等系统的核心器件，被广泛应用于如衍射透镜系统、光通信系统、相控阵光束转向系统以及基于波导的电光学系统等。
液晶光阀是光束偏转系统的典型器件，其通过电压控制液晶分子的折射率来实现对光的相位延迟。通过在两片平板玻璃中间填充液晶材料，并在玻璃片上镀上透明电极与校准层；玻璃板之间的空隙由其边缘精细的玻璃纤维进行控制，进而制成液晶相位延迟器。当激光光束准直地输入至液晶光阀时，通过向液晶光阀的电极施加不同电压来生成相位曲线，利用相位曲线将激光光束偏转至所需的角度。然而，在实际应用中，常常出现随着液晶层衍射角的增加，由于相邻电极在下层玻璃基板上发生边缘效应，导致光束的衍射效率急剧下降，进而导致光束无法偏转至理想位置的情况，此时需要对光束偏转系统的硬件结构参数和工作参数进行调整，以满足预设衍射角的需求。然而，光束偏转系统的硬件成本较高，如果通过实验方式对其结构参数和工作参数进行优化调整，将造成不必要的额外成本，而计算机模型仿真能够很好解决上述问题，基于此，本申请提出了一种基于光学系统的激光光束仿真方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术光束的衍射效率急剧下降，导致光束无法偏转至理想位置时，需要对光束偏转系统的硬件结构参数和工作参数进行调整，造成不必要的额外成本的技术问题，本申请提供了一种基于光学系统的激光光束仿真方法和系统，以至少达到通过模型仿真获得与满足衍射角要求的仿真相位曲线，提高液晶层的衍射效率的目的。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一方面本发明提供一种基于光学系统的激光光束仿真方法，包括：
设置激光光束参数，其中，激光光束参数至少包括波类型、波长和连续作用时间；
构建光学系统模型，所述光学系统模型至少包括光束偏转模型，光束偏转模型包括上玻璃基板和下玻璃基板，所述上玻璃基板下方设有第一ITO电极，所述第一ITO电极设为无图形的公共电极，所述下玻璃基板上方设有多个等距间隔设置的第二ITO电极以形成衍射光栅，所述第二ITO电极设为一维的有图形电极，所述第一ITO电极和所述第二ITO电极之间填充有液晶层；
对光束偏转模型的参数进行设置，包括：设置衍射角，并设置与衍射角相匹配的结构参数和驱动电压分布，以便在后续的模型仿真中获得液晶层的理想指向矢量分布；
将激光光束准直地作用于光束偏转模型，以便所述光束偏转模型的多个第二ITO电极在驱动电压作用下，使得液晶层沿电场旋转并生成理想指向矢量分布，根据理想指向矢量分布生成与理想相位曲线匹配的仿真相位曲线，并基于仿真相位曲线将输入的激光光束偏转至预设的角度，输出仿真结果。
在一种可能的设计中，所述液晶层为向列型液晶层。
在一种可能的设计中，所述激光光束的波长、所述液晶层的折射率差以及所述液晶层的单元间隙均提供大于2π的相位调制，以便满足所述仿真相位曲线的相位匹配需求。
在一种可能的设计中，设置衍射角，并设置与衍射角相匹配的结构参数和驱动电压分布，包括：
设置与激光光束的波长匹配的衍射角；
根据衍射角，对所述光束偏转模型至少进行独立单元划分、第一ITO电极高度设定、第二ITO电极高度设定、与第一ITO电极和/或第二ITO电极相邻的液晶层分子的预倾角设定、液晶层分子与第一玻璃基板和/或第二玻璃基板的锚定以及液晶层参数设定；
根据模型的结构参数， 采用线性法则生成与预设灰度值区间对应且具有多个电压等级的驱动电压分布。
在一种可能的设计中，所述光束偏转模型的多个第二ITO电极在驱动电压作用下，使得液晶层沿电场旋转并生成理想指向矢量分布，根据理想的指向矢量分布生成与理想相位曲线匹配的仿真相位曲线，包括：
采用不同电压等级的驱动电压分别施加在所述光束偏转模型的每一所述第二ITO电极上，以形成全相位电极阵列，所述全相位电极阵列在电压驱动作用下使得液晶层沿电场旋转并生成理想指向矢量分布；
对理想指向矢量分布进行解析，利用解析结果对液晶层的有效折射率进行计算，并根据有效折射率计算得到与理想相位曲线匹配的仿真相位曲线。
在一种可能的设计中，包括：对理想指向矢量分布进行解析，利用解析结果对液晶层的有效折射率进行计算，并根据有效折射率计算得到与理想相位曲线匹配的仿真相位曲线，包括：
对理想指向矢量分布在xz平面内平均折射率的空间分布进行计算，计算公式如下：
；（1）
其中，表示激光光束从光束偏转模型的xz平面入射后，理想指向矢量分布在xz平面上内平均折射率的空间分布，/>表示普通折射率，/>表示液晶混合物的特殊折射率，/>表示液晶层指向矢量的x分量，/>表示液晶层指向矢量的z分量；
根据理想指向矢量分布在xz平面内平均折射率的空间分布，计算液晶层有效折射率在x方向的空间调制，计算公式如下：
；（2）
其中，表示液晶层有效折射率在x方向的空间调制，/>表示液晶层中各独立单元的单元间隙；
根据液晶层有效折射率在x方向的空间调制，计算液晶层各独立单元的相位调制，计算公式如下：
；（3）
其中，表示液晶层有效折射率在x方向的空间调制，/>表示激光光束的波长；
根据各液晶层各独立单元的相位调制，绘制得到全相位电极阵列在xz平面沿x轴的仿真相位曲线。
在一种可能的设计中，在根据理想指向矢量分布生成与理想相位曲线匹配的仿真相位曲线之后，所述方法还包括：
采用快速傅里叶变换算式和反傅里叶变换算式，计算仿真相位曲线的衍射阶数以及所述激光光束聚焦的强度。
在一种可能的设计中，驱动电压采用外部独立电压，该外部独立电压通过两个独立驱动IC提供，每一驱动IC设有多个通道，最大驱动电压为±9V。
另一方面本发明提供一种基于光学系统的激光光束仿真系统，包括：
第一参数设置模块，用于设置激光光束参数，其中，激光光束参数至少包括波类型、波长和连续作用时间；
模型构建模块，用于构建光学系统模型，所述光学系统模型至少包括光束偏转模型，光束偏转模型包括上玻璃基板和下玻璃基板，所述上玻璃基板下方设有第一ITO电极，所述第一ITO电极设为无图形的公共电极，所述下玻璃基板上方设有多个等距间隔设置的第二ITO电极以形成衍射光栅，所述第二ITO电极设为一维的有图形电极，所述第一ITO电极和所述第二ITO电极之间填充有液晶层；
第二参数设置模块，用于对光束偏转模型的参数进行设置，包括：设置衍射角，并设置与衍射角相匹配的结构参数和驱动电压分布，以便在后续的模型仿真中获得理想的液晶层指向矢量分布；
仿真模块，用于将激光光束准直地作用于光束偏转模型，以便所述光束偏转模型的多个第二ITO电极在驱动电压作用下，使得液晶层沿电场旋转并生成理想指向矢量分布，根据理想指向矢量分布生成与理想相位曲线匹配的仿真相位曲线，并基于仿真相位曲线将输入的激光光束偏转至预设的角度，输出仿真结果。
在一种可能的设计中，所述液晶层为向列型液晶层。
在一种可能的设计中，所述激光光束的波长、所述液晶层的折射率差以及所述液晶层的单元间隙均提供大于2π的相位调制，以便满足所述仿真相位曲线的相位匹配需求。
在一种可能的设计中，在设置衍射角，并设置与衍射角相匹配的结构参数和驱动电压分布时，第二参数设置模块具体用于：
设置与激光光束的波长匹配的衍射角；
根据衍射角，对所述光束偏转模型至少进行独立单元划分、第一ITO电极高度设定、第二ITO电极高度设定、与第一ITO电极和/或第二ITO电极相邻的液晶层分子的预倾角设定、液晶层分子与第一玻璃基板和/或第二玻璃基板的锚定以及液晶层参数设定；
根据模型的结构参数， 采用线性法则生成与预设灰度值区间对应且具有多个电压等级的驱动电压分布。
在一种可能的设计中，在所述光束偏转模型的多个第二ITO电极在驱动电压作用下，使得液晶层沿电场旋转并生成理想指向矢量分布，根据理想的指向矢量分布生成与理想相位曲线匹配的仿真相位曲线时，所述仿真模块具体用于：
采用不同电压等级的驱动电压分别施加在所述光束偏转模型的每一所述第二ITO电极上，以形成全相位电极阵列，所述全相位电极阵列在电压驱动作用下使得液晶层沿电场旋转并生成理想指向矢量分布；
对理想指向矢量分布进行解析，利用解析结果对液晶层的有效折射率进行计算，并根据有效折射率计算得到与理想相位曲线匹配的仿真相位曲线。
在一种可能的设计中，在根据理想指向矢量分布生成与理想相位曲线匹配的仿真相位曲线之后，所述方法还包括：
采用快速傅里叶变换算式和反傅里叶变换算式，计算仿真相位曲线的衍射阶数以及所述激光光束聚焦的强度。
在一种可能的设计中，驱动电压采用外部独立电压，该外部独立电压通过两个独立驱动IC提供，每一驱动IC设有多个通道，最大驱动电压为±9V。
本发明相较于现有技术的有益效果为：
本发明通过设置激光光束参数，构建光学系统模型，设置衍射角，并设置与衍射角相匹配的结构参数和驱动电压分布，以便在后续的模型仿真中获得液晶层的理想指向矢量分布；将激光光束准直地作用于光束偏转模型，以便光束偏转模型的多个第二ITO电极在驱动电压作用下，使得液晶层沿电场旋转并生成理想指向矢量分布，根据理想指向矢量分布生成与理想相位曲线匹配的仿真相位曲线，并基于仿真相位曲线将输入的激光光束偏转至预设的角度，输出仿真结果。即本发明通过构建光束偏转模型，根据给定衍射角对模型的参数进行优化，进而得到与理想相位曲线匹配的仿真相位曲线，从而提升衍射效率，进而能够将输入的激光光束偏转至预设的角度，为激光光束在光束偏转器的实际应用提供了有力的数据支持。
附图说明
图1为本申请实施例中的基于光学系统的激光光束仿真方法的流程图；
图2为本申请实施例中的光束偏转模型在xz平面的结构示意图；
图3为本申请实施例中的基于光学系统的激光光束仿真系统的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
而且，术语“包括”，“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程，方法，物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程，方法，物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程，方法，物品或者设备中还存在另外的相同要素。
实施例
如图1所示，本申请实施例一方面提供一种基于光学系统的激光光束仿真方法，该方法包括但不限于由步骤S1-步骤S4实现：
步骤S1.设置激光光束参数，其中，激光光束参数至少包括波类型、波长和连续作用时间；
其中，需要说明的是，优选的，本申请实施例采用连续激光作为光源进行仿真，波长优选分别采用460纳米、520纳米和638纳米的激光光束，激光连续作用时间优选设为大于等于6毫秒；当然，可以理解的是，在其他的仿真场景中，也可以根据光学系统的仿真需求对上述参数进行设置，上述仅为其中一种示例，此处不做限定。
步骤S2.构建光学系统模型，所述光学系统模型至少包括光束偏转模型，光束偏转模型包括上玻璃基板和下玻璃基板，所述上玻璃基板下方设有第一ITO(Indium tinoxide， 氧化铟锡）电极，所述第一ITO电极设为无图形的公共电极，所述下玻璃基板上方设有多个等距间隔设置的第二ITO电极以形成衍射光栅，所述第二ITO电极设为一维的有图形电极，所述第一ITO电极和所述第二ITO电极之间填充有液晶层；
如图2所示，需要说明的是，本申请实施例中的第一ITO电极一体成型地设置在上玻璃基板的下方，第二ITO电极设有多个，相邻两个第二ITO电极之间的距离设为等距，多个等距间隔设置的第二ITO电极构成衍射光栅，优选的，衍射光栅的填充系数为第二ITO电极宽度与相邻两个第二ITO电极之间距离的比率，即填充系数=第二ITO电极宽度/相邻两个第二ITO电极之间距离；更优选的，液晶层中液晶分子的最大转向角和最小转向角由每一独立单元的电极数量和通道总数决定，即：
；
其中，表示激光光束的波长，/>表示每一独立单元的总通道数，/>表示整体的通道总数，/>表示独立单元的数量，/>表示填充系数，也称为像素间距。例如，当像素间距为2微米整体通道数量为720时，根据上述公式，独立单元的总通道数为360，对于激光光束波长为460纳米的，液晶分子的最大转向角/>。
在一种具体的实施方式中，所述液晶层为向列型液晶层，向列型液晶层是一种高双折射的液晶层，该液晶层可以通过减小独立单元之间的间隙来减少开关时间，具有低驱动电压的优势。优选的，本申请采用的向列型液晶层的材料参数可以是：介质的各向异性为16.1、普通折射率为1.5547（激光光束波长为460纳米）/1.5428（激光光束波长为520纳米）/1.5292（激光光束波长为638纳米）、特殊折射率为1.9198（激光光束波长为460纳米）/1.8802（激光光束波长为520纳米）/1.8333（激光光束波长为638纳米）、弹性常数为26×10-12/5×10-12/29×10-12以及粘度为0.75，当然，可以理解的是，上述材料参数的取值仅为本申请实施例的其中一种举例，在其他仿真场景中，还可以设置其他的材料参数以满足仿真需求，此处不做限定。其中，需要说明的是，优选的，上述材料参数基于室温进行设定。
在一种具体的实施方式中，所述激光光束的波长、所述液晶层的折射率差以及所述液晶层的单元间隙均提供大于2π的相位调制，以便满足所述仿真相位曲线的相位匹配需求。
步骤S3.对光束偏转模型的参数进行设置，包括：设置衍射角，并设置与衍射角相匹配的结构参数和驱动电压分布，以便在后续的模型仿真中获得液晶层的理想指向矢量分布；
在一种具体的实施方式中，设置衍射角，并设置与衍射角相匹配的结构参数和驱动电压分布，包括：
步骤S31.设置与激光光束的波长匹配的衍射角；
例如：本申请实施例中的衍射角可以分别设置为与520纳米波长匹配的1.524°。
步骤S32.根据衍射角，对所述光束偏转模型至少进行独立单元划分、第一ITO电极高度设定、第二ITO电极高度设定、与第一ITO电极和/或第二ITO电极相邻的液晶层分子的预倾角设定、液晶层分子与第一玻璃基板和/或第二玻璃基板的锚定以及液晶层参数设定；
例如：为了生成520纳米波长匹配的1.524°衍射角，在每10个通道内创建一个独立单元，则在520纳米波长下720个通道可以构建72个相同的独立单元；优选的，采用LCD TDK软件对第一ITO电极高度设定、第二ITO电极高度设定、与第一ITO电极和/或第二ITO电极相邻的液晶层分子的预倾角设定、液晶层分子与第一玻璃基板和/或第二玻璃基板的锚定以及液晶层参数设定。
步骤S33.根据模型的结构参数， 采用线性法则生成与预设灰度值区间对应且具有多个电压等级的驱动电压分布。
在一种具体的实施方式中，驱动电压采用外部独立电压，该外部独立电压通过两个独立驱动IC提供，每一驱动IC设有多个通道，优选为360个通道，最大驱动电压为±9V。
则基于模型结构参数，采用线性法则生成0-255灰度值区间对应的具有256个电压等级在0-9V之间的驱动电压分布。优选的，采用MATLAB软件实现上述参数设置。
步骤S4.将激光光束准直地作用于光束偏转模型，以便所述光束偏转模型的多个第二ITO电极在驱动电压作用下，使得液晶层沿电场旋转并生成理想指向矢量分布，根据理想指向矢量分布生成与理想相位曲线匹配的仿真相位曲线，并基于仿真相位曲线将输入的激光光束偏转至预设的角度，输出仿真结果。
在一种具体的实施方式中，所述光束偏转模型的多个第二ITO电极在驱动电压作用下，使得液晶层沿电场旋转并生成理想指向矢量分布，根据理想的指向矢量分布生成与理想相位曲线匹配的仿真相位曲线，包括：
步骤S41.采用不同电压等级的驱动电压分别施加在所述光束偏转模型的每一所述第二ITO电极上，以形成全相位电极阵列，所述全相位电极阵列在电压驱动作用下使得液晶层沿电场旋转并生成理想指向矢量分布；
步骤S42.对理想指向矢量分布进行解析，利用解析结果对液晶层的有效折射率进行计算，并根据有效折射率计算得到与理想相位曲线匹配的仿真相位曲线。
在一种具体的实施方式中，对理想指向矢量分布进行解析，利用解析结果对液晶层的有效折射率进行计算，并根据有效折射率计算得到与理想相位曲线匹配的仿真相位曲线，包括：
步骤S421.对理想指向矢量分布在xz平面内平均折射率的空间分布进行计算，计算公式如下：
；（1）
其中，表示激光光束从光束偏转模型的xz平面入射后，理想指向矢量分布在xz平面上内平均折射率的空间分布，/>表示普通折射率，/>表示液晶混合物的特殊折射率，/>表示液晶层指向矢量的x分量，/>表示液晶层指向矢量的z分量；
步骤S422.根据理想指向矢量分布在xz平面内平均折射率的空间分布，计算液晶层有效折射率在x方向的空间调制，计算公式如下：
；（2）
其中，表示液晶层有效折射率在x方向的空间调制，/>表示液晶层中各独立单元的单元间隙；
步骤S423.根据液晶层有效折射率在x方向的空间调制，计算液晶层各独立单元的相位调制，计算公式如下：
；（3）
其中，表示液晶层有效折射率在x方向的空间调制，/>表示激光光束的波长；
步骤S423.根据各液晶层各独立单元的相位调制，绘制得到全相位电极阵列在xz平面沿x轴的仿真相位曲线，由于每一沿x轴计算的相位都是由液晶层指向矢量分布计算得到的，因此具有给定的仿真精度。
在一种具体的实施方式中，在根据理想指向矢量分布生成与理想相位曲线匹配的仿真相位曲线之后，所述方法还包括：
采用快速傅里叶变换算式和反傅里叶变换算式，计算仿真相位曲线的衍射阶数以及所述激光光束聚焦的强度。
其中，快速傅里叶变换算式和反傅里叶变换算式采用现有的算式原理，此处不再赘述。
基于上述公开的内容，本申请实施例设置激光光束参数，构建光学系统模型，设置衍射角，并设置与衍射角相匹配的结构参数和驱动电压分布，以便在后续的模型仿真中获得液晶层的理想指向矢量分布；将激光光束准直地作用于光束偏转模型，以便光束偏转模型的多个第二ITO电极在驱动电压作用下，使得液晶层沿电场旋转并生成理想指向矢量分布，根据理想指向矢量分布生成与理想相位曲线匹配的仿真相位曲线，并基于仿真相位曲线将输入的激光光束偏转至预设的角度，输出仿真结果。即通过构建光束偏转模型，根据给定衍射角对模型的参数进行优化，进而得到与理想相位曲线匹配的仿真相位曲线，从而提升衍射效率，进而能够将输入的激光光束偏转至预设的角度，为激光光束在光束偏转器的实际应用提供了有力的数据支持。
如图3所示，另一方面本申请实施例提供一种基于光学系统的激光光束仿真系统，包括：
第一参数设置模块，用于设置激光光束参数，其中，激光光束参数至少包括波类型、波长和连续作用时间；
模型构建模块，用于构建光学系统模型，所述光学系统模型至少包括光束偏转模型，光束偏转模型包括上玻璃基板和下玻璃基板，所述上玻璃基板下方设有第一ITO电极，所述第一ITO电极设为无图形的公共电极，所述下玻璃基板上方设有多个等距间隔设置的第二ITO电极以形成衍射光栅，所述第二ITO电极设为一维的有图形电极，所述第一ITO电极和所述第二ITO电极之间填充有液晶层；
第二参数设置模块，用于对光束偏转模型的参数进行设置，包括：设置衍射角，并设置与衍射角相匹配的结构参数和驱动电压分布，以便在后续的模型仿真中获得理想的液晶层指向矢量分布；
仿真模块，用于将激光光束准直地作用于光束偏转模型，以便所述光束偏转模型的多个第二ITO电极在驱动电压作用下，使得液晶层沿电场旋转并生成理想指向矢量分布，根据理想指向矢量分布生成与理想相位曲线匹配的仿真相位曲线，并基于仿真相位曲线将输入的激光光束偏转至预设的角度，输出仿真结果。
在一种可能的设计中，所述液晶层为向列型液晶层。
在一种可能的设计中，所述激光光束的波长、所述液晶层的折射率差以及所述液晶层的单元间隙均提供大于2π的相位调制，以便满足所述仿真相位曲线的相位匹配需求。
在一种可能的设计中，在设置衍射角，并设置与衍射角相匹配的结构参数和驱动电压分布时，第二参数设置模块具体用于：
设置与激光光束的波长匹配的衍射角；
根据衍射角，对所述光束偏转模型至少进行独立单元划分、第一ITO电极高度设定、第二ITO电极高度设定、与第一ITO电极和/或第二ITO电极相邻的液晶层分子的预倾角设定、液晶层分子与第一玻璃基板和/或第二玻璃基板的锚定以及液晶层参数设定；
根据模型的结构参数， 采用线性法则生成与预设灰度值区间对应且具有多个电压等级的驱动电压分布。
在一种可能的设计中，在所述光束偏转模型的多个第二ITO电极在驱动电压作用下，使得液晶层沿电场旋转并生成理想指向矢量分布，根据理想的指向矢量分布生成与理想相位曲线匹配的仿真相位曲线时，所述仿真模块具体用于：
采用不同电压等级的驱动电压分别施加在所述光束偏转模型的每一所述第二ITO电极上，以形成全相位电极阵列，所述全相位电极阵列在电压驱动作用下使得液晶层沿电场旋转并生成理想指向矢量分布；
对理想指向矢量分布进行解析，利用解析结果对液晶层的有效折射率进行计算，并根据有效折射率计算得到与理想相位曲线匹配的仿真相位曲线。
在一种可能的设计中，在根据理想指向矢量分布生成与理想相位曲线匹配的仿真相位曲线之后，所述方法还包括：
采用快速傅里叶变换算式和反傅里叶变换算式，计算仿真相位曲线的衍射阶数以及所述激光光束聚焦的强度。
在一种可能的设计中，驱动电压采用外部独立电压，该外部独立电压通过两个独立驱动IC提供，每一驱动IC设有多个通道，最大驱动电压为±9V。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于光学系统的激光光束仿真方法，其特征在于，包括：
设置激光光束参数，其中，激光光束参数至少包括波类型、波长和连续作用时间；
构建光学系统模型，所述光学系统模型至少包括光束偏转模型，光束偏转模型包括上玻璃基板和下玻璃基板，所述上玻璃基板下方设有第一ITO电极，所述第一ITO电极设为无图形的公共电极，所述下玻璃基板上方设有多个等距间隔设置的第二ITO电极以形成衍射光栅，所述第二ITO电极设为一维的有图形电极，所述第一ITO电极和所述第二ITO电极之间填充有液晶层；
对光束偏转模型的参数进行设置，包括：设置衍射角，并设置与衍射角相匹配的结构参数和驱动电压分布，以便在后续的模型仿真中获得液晶层的理想指向矢量分布；
将激光光束准直地作用于光束偏转模型，以便所述光束偏转模型的多个第二ITO电极在驱动电压作用下，使得液晶层沿电场旋转并生成理想指向矢量分布，根据理想指向矢量分布生成与理想相位曲线匹配的仿真相位曲线，并基于仿真相位曲线将输入的激光光束偏转至预设的角度，输出仿真结果。
2.根据权利要求1所述的基于光学系统的激光光束仿真方法，其特征在于，所述液晶层为向列型液晶层。
3.根据权利要求1或2所述的基于光学系统的激光光束仿真方法，其特征在于，所述激光光束的波长、所述液晶层的折射率差以及所述液晶层的单元间隙均提供大于2π的相位调制，以便满足所述仿真相位曲线的相位匹配需求。
4.根据权利要求1所述的基于光学系统的激光光束仿真方法，其特征在于，设置衍射角，并设置与衍射角相匹配的结构参数和驱动电压分布，包括：
设置与激光光束的波长匹配的衍射角；
根据衍射角，对所述光束偏转模型至少进行独立单元划分、第一ITO电极高度设定、第二ITO电极高度设定、与第一ITO电极和/或第二ITO电极相邻的液晶层分子的预倾角设定、液晶层分子与第一玻璃基板和/或第二玻璃基板的锚定以及液晶层参数设定；
根据模型的结构参数， 采用线性法则生成与预设灰度值区间对应且具有多个电压等级的驱动电压分布。
5.根据权利要求4所述的基于光学系统的激光光束仿真方法，其特征在于，所述光束偏转模型的多个第二ITO电极在驱动电压作用下，使得液晶层沿电场旋转并生成理想指向矢量分布，根据理想的指向矢量分布生成与理想相位曲线匹配的仿真相位曲线，包括：
采用不同电压等级的驱动电压分别施加在所述光束偏转模型的每一所述第二ITO电极上，以形成全相位电极阵列，所述全相位电极阵列在电压驱动作用下使得液晶层沿电场旋转并生成理想指向矢量分布；
对理想指向矢量分布进行解析，利用解析结果对液晶层的有效折射率进行计算，并根据有效折射率计算得到与理想相位曲线匹配的仿真相位曲线。
6.根据权利要求5所述的基于光学系统的激光光束仿真方法，其特征在于，对理想指向矢量分布进行解析，利用解析结果对液晶层的有效折射率进行计算，并根据有效折射率计算得到与理想相位曲线匹配的仿真相位曲线，包括：
对理想指向矢量分布在xz平面内平均折射率的空间分布进行计算，计算公式如下：
；（1）
其中，表示激光光束从光束偏转模型的xz平面入射后，理想指向矢量分布在xz平面上内平均折射率的空间分布，/>表示普通折射率，/>表示液晶混合物的特殊折射率，表示液晶层指向矢量的x分量，/>表示液晶层指向矢量的z分量；
根据理想指向矢量分布在xz平面内平均折射率的空间分布，计算液晶层有效折射率在x方向的空间调制，计算公式如下：
；（2）
其中，表示液晶层有效折射率在x方向的空间调制，/>表示液晶层中各独立单元的单元间隙；
根据液晶层有效折射率在x方向的空间调制，计算液晶层各独立单元的相位调制，计算公式如下：
；（3）
其中，表示液晶层有效折射率在x方向的空间调制，/>表示激光光束的波长；
根据各液晶层各独立单元的相位调制，绘制得到全相位电极阵列在xz平面沿x轴的仿真相位曲线。
7.根据权利要求1所述的基于光学系统的激光光束仿真方法，其特征在于，在根据理想指向矢量分布生成与理想相位曲线匹配的仿真相位曲线之后，所述方法还包括：
采用快速傅里叶变换算式和反傅里叶变换算式，计算仿真相位曲线的衍射阶数以及所述激光光束聚焦的强度。
8.根据权利要求1所述的基于光学系统的激光光束仿真方法，其特征在于，驱动电压采用外部独立电压，该外部独立电压通过两个独立驱动IC提供，每一驱动IC设有多个通道，最大驱动电压为±9V。
9.一种基于光学系统的激光光束仿真系统，其特征在于，包括：
第一参数设置模块，用于设置激光光束参数，其中，激光光束参数至少包括波类型、波长和连续作用时间；
模型构建模块，用于构建光学系统模型，所述光学系统模型至少包括光束偏转模型，光束偏转模型包括上玻璃基板和下玻璃基板，所述上玻璃基板下方设有第一ITO电极，所述第一ITO电极设为无图形的公共电极，所述下玻璃基板上方设有多个等距间隔设置的第二ITO电极以形成衍射光栅，所述第二ITO电极设为一维的有图形电极，所述第一ITO电极和所述第二ITO电极之间填充有液晶层；
第二参数设置模块，用于对光束偏转模型的参数进行设置，包括：设置衍射角，并设置与衍射角相匹配的结构参数和驱动电压分布，以便在后续的模型仿真中获得理想的液晶层指向矢量分布；
仿真模块，用于将激光光束准直地作用于光束偏转模型，以便所述光束偏转模型的多个第二ITO电极在驱动电压作用下，使得液晶层沿电场旋转并生成理想指向矢量分布，根据理想指向矢量分布生成与理想相位曲线匹配的仿真相位曲线，并基于仿真相位曲线将输入的激光光束偏转至预设的角度，输出仿真结果。
10.根据权利要求9所述的基于光学系统的激光光束仿真系统，其特征在于，所述液晶层为向列型液晶层。
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