專利名稱：高功率高光束質(zhì)量光學(xué)相控陣掃描裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及相干陣列激光合束的高功率激光器和高光束質(zhì)量的無機(jī)械光束掃描系統(tǒng)，特別是一種基于衍射光學(xué)元件分束、合束和電控相控陣器件的高功率單主瓣光學(xué) 相控陣掃描裝置及方法。
背景技術(shù)：
隨著激光應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，在激光雷達(dá)等領(lǐng)域需要高功率、高質(zhì)量和高亮度的激光束，而且朝著小型化、全固態(tài)化、大功率化方向發(fā)展。一般來說，從單個(gè)激光器獲得的輸出功率是很有限的，建立高功率激光系統(tǒng)的一種有效的技術(shù)方案是使用激光器陣列，并且要求從陣列元件中輸出的所有光束能夠相干合成為單一光束。其中采用衍射光學(xué)元件具有衍射效率高、體積小、調(diào)節(jié)方便和可以大量復(fù)制等特點(diǎn)，受到國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。同時(shí)， 在激光雷達(dá)、激光通信等領(lǐng)域應(yīng)用方面，為了能夠快速有效的捕獲跟蹤空間遠(yuǎn)距離目標(biāo)，需要掃描速度快和掃描精度高的激光光束掃描器，通常的激光光束掃描器大多采用機(jī)械掃描原理，缺點(diǎn)是受機(jī)械傳動(dòng)精度影響，掃描精度低，而且掃描速度慢，掃描系統(tǒng)體積大，難以微小化集成。非機(jī)械式的激光光束掃描器由于體積小、慣性小、掃描響應(yīng)速度高和可靠性好等優(yōu)點(diǎn)受到人們的青睞。在高功率高質(zhì)量的相干陣列激光合束方面，人們提出了多種技術(shù)方案。在先技術(shù) [1](參見閆愛民，劉立人，戴恩文，孫建鋒，相干陣列激光逆達(dá)曼光柵合束孔徑裝填裝置， 發(fā)明專利，專利號(hào)ZL200910053422.4，2011.)中提出一種基于衍射光學(xué)元件即逆達(dá)曼光柵的相干陣列激光合束孔徑裝填裝置，可將多路相干激光的組合成高功率和高光束質(zhì)量的單一光束，用于實(shí)現(xiàn)緊湊型、輕量化和高亮度的高功率激光器系統(tǒng)。這種裝置雖然能大幅提升激光器輸出功率和光束質(zhì)量，但是，不能進(jìn)行激光光束的快速無機(jī)械掃描。在先技術(shù)[2](參見 D.C. Jones，A.M.Scott，S.Clark，C.Stace，R.G. Clarke, Beam steering of a fibre bundle laser output using phased array techniques, Proc. SPIE，5335，125-131，2004.)中采用并聯(lián)主振蕩功率放大激光陣列鎖相技術(shù)和壓電陶瓷相位調(diào)制器獲得了高亮度的光纖陣列光束掃描，但是這種主動(dòng)調(diào)相技術(shù)，需要聲光調(diào)制器、移相器等復(fù)雜的相位控制和檢測(cè)以及相應(yīng)的控制電路，技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度高。在先技術(shù)[3](參見萬玲玉，劉立人，張明麗，孫建鋒，高速電光相控陣二維激光光束掃描器，發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)?200310122621. 9，2003。)中利用LiNbO3晶體的電光效應(yīng)，提出了一種高速電光相控陣二維激光光束掃描器，具有掃描速度快、精度高、沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。但是，該光學(xué)相控陣掃描器僅能實(shí)現(xiàn)激光光束的無機(jī)械掃描， 不能提高掃描光束的功率和光束質(zhì)量，限制了進(jìn)一步在激光武器等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高功率高光束質(zhì)量光學(xué)相控陣掃描裝置，實(shí)現(xiàn)高指向精度、高分辨率和快速的高功率激光光束無機(jī)械掃描。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種高 功率高光束質(zhì)量光學(xué)相控陣掃描裝置，其特點(diǎn)在于該裝置依次由主振激光器、達(dá)曼光柵分束器、第一傅立葉透鏡、電控相控陣、第二傅立葉透鏡、激光放大器陣列、達(dá)曼輸入相位平板、第三傅立葉透鏡和合束相位補(bǔ)償器構(gòu)成。所述的達(dá)曼光柵分束器為經(jīng)過算法優(yōu)化設(shè)計(jì)的純相位光柵，是一個(gè)衍射光學(xué)元件，其功能是在頻譜面上能產(chǎn)生特定衍射級(jí)次的間距相等和有限個(gè)數(shù)的等光強(qiáng)光點(diǎn)陣列；所述的電控相控陣為相位調(diào)制陣列，對(duì)達(dá)曼光柵分束器在第一傅立葉透鏡的頻譜面上產(chǎn)生的激光陣列進(jìn)行相位調(diào)制，可為鈮酸鋰(LiNbO3)晶體、鉭酸鋰晶體(LiTaO3)、鋯鈦酸鉛鑭(PLZT)陶瓷等電光材料或液晶材料的光學(xué)相控陣器件；所述的激光放大器陣列，是與達(dá)曼光柵分束器在第一傅立葉透鏡的頻譜面上產(chǎn)生的激光陣列相對(duì)應(yīng)的固體激光放大器陣列或光纖激光放大器陣列；所述的達(dá)曼輸入相位平板是由達(dá)曼光柵分束器的頻譜面上特定衍射級(jí)次的等強(qiáng)度光場(chǎng)相位所制作的相位板。所述的合束相位補(bǔ)償器是與達(dá)曼光柵分束器的相位共軛的衍射光學(xué)元件，該補(bǔ)償器的相位分布是達(dá)曼光柵分束器相位分布的復(fù)數(shù)共軛，用于對(duì)合束光場(chǎng)進(jìn)行相位補(bǔ)償，獲得遠(yuǎn)場(chǎng)單一主瓣的高光束質(zhì)量激光光束。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果1.采用達(dá)曼光柵分束器產(chǎn)生NXN束自動(dòng)相位鎖定的相干激光陣列，其優(yōu)點(diǎn)是采用衍射光學(xué)元件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，無需額外的相位檢測(cè)結(jié)構(gòu)；2.達(dá)曼光柵分束以及逆達(dá)曼光柵合束相位補(bǔ)償都基于遠(yuǎn)場(chǎng)衍射原理，輸入面和輸出面為對(duì)應(yīng)的光學(xué)傅立葉變換關(guān)系，操作簡(jiǎn)單可靠，易于實(shí)現(xiàn)；3.衍射光學(xué)元件設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)單，所述的達(dá)曼光柵分束器和合束相位補(bǔ)償器都是純相位光柵，二者的相位分布互為共軛，制作精度高。4.利用光學(xué)相控陣技術(shù)，在相干激光陣列合束孔徑裝填基礎(chǔ)上能夠?qū)崿F(xiàn)無機(jī)械激光光束精密快速掃描，具有靈活定向控制和發(fā)射角度瞬時(shí)可控的能力。


圖1為本發(fā)明高功率高光束質(zhì)量光學(xué)相控陣掃描裝置示意圖。圖2為鈮酸鋰晶體材料制成的電控相控陣示意圖。圖中1-主振激光器，2-達(dá)曼光柵分束器，3-第一傅立葉透鏡，4-電控相控陣， 5_第二傅立葉透鏡，6-激光放大器陣列，7-達(dá)曼輸入相位平板，8-第三傅立葉透鏡，9-合束相位補(bǔ)償器，41-鈮酸鋰晶體，42-鍍金電極。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。本發(fā)明的高功率高光束質(zhì)量光學(xué)相控陣掃描裝置的組成示意圖如圖1所示，由圖可見，本發(fā)明高功率高光束質(zhì)量光學(xué)相控陣掃描裝置，依次由主振激光器1、達(dá)曼光柵分束器2、第一傅立葉透鏡3、電控相控陣4、第二傅立葉透鏡5、激光放大器陣列6、達(dá)曼輸入相位平板7、第三傅立葉透鏡8、合束相位補(bǔ)償器9構(gòu)成。
所述的達(dá)曼光柵分束器2為經(jīng)過算法優(yōu)化設(shè)計(jì)的純相位光柵，是一個(gè)衍射光學(xué)元件，其功能是在頻譜面上能產(chǎn)生特定衍射級(jí)次的間距相等和有限個(gè)數(shù)的等光強(qiáng)光點(diǎn)陣列； 所述的電控相控陣4為相位調(diào)制陣列，對(duì)達(dá)曼光柵分束器2在第一傅立葉透鏡3的頻譜面上產(chǎn)生的激光陣列進(jìn)行相位調(diào)制，可為鈮酸鋰(LiNbO3)晶體、鉭酸鋰晶體 (LiTaO3)、鋯鈦酸鉛鑭(PLZT)陶瓷等電光材料或液晶材料的光學(xué)相控陣器件；所述的激光放大器陣列6，是與達(dá)曼光柵分束器2在第一傅立葉透鏡3的頻譜面上產(chǎn)生的激光陣列相對(duì)應(yīng)的固體激光放大器陣列或光纖激光放大器陣列；所述的達(dá)曼輸入相位平板7是由達(dá)曼光柵分束器2的頻譜面上特定衍射級(jí)次的等強(qiáng)度光場(chǎng)相位所制作的相位板。所述的合束相位補(bǔ)償器9是與達(dá)曼光柵分束器2的相位共軛的衍射光學(xué)元件，該補(bǔ)償器的相位分布是達(dá)曼光柵分束器2相位分布的復(fù)數(shù)共軛，用于對(duì)合束光場(chǎng)進(jìn)行相位補(bǔ)償，獲得遠(yuǎn)場(chǎng)單一主瓣的高光束質(zhì)量激光光束。達(dá)曼光柵分束器2的分束功能如下達(dá)曼光柵分束器2是一種產(chǎn)生特定衍射級(jí)次數(shù)目的典型的衍射光學(xué)元件，將達(dá)曼光柵分束器2置于第一傅立葉透鏡3前，經(jīng)入射光照射后，在第一傅立葉透鏡的后焦面上得到間距相等的有限個(gè)數(shù)的等光強(qiáng)的光點(diǎn)陣列分布。達(dá)曼光柵分束器2設(shè)計(jì)為純相位光柵，其透過率函數(shù)為
OOOO
gD(x,y)= ΣexP{AA(Pd(χ -mTx - ^)]} Σexp{j[^<pD(χ - nTy - Ay)]} ‘ (1)
m=—^？7=—oo其中1；、1；和Δχ、Ay分別為X、y方向達(dá)曼光柵的周期和中心移位，在達(dá)曼光柵的一個(gè)周期內(nèi)具有亞周期相位結(jié)構(gòu)。衍射MXN級(jí)點(diǎn)的理想二維達(dá)曼光柵譜即為傅立葉變換
fΛ
GD(fxJy) = CMCN ^Sifx-e^^ +H(fx,fy)' (2)
v m丄 χη^ yy式中fx、fy為空間頻率，CM、Cn為常數(shù)，H(fx、fy)為高階衍射項(xiàng)，對(duì)于奇數(shù)M，N，有 m = 0，士 1，士2，...，士(Μ_1)/2，η = 0，士 1，士2，...， 士(N-I)/2，對(duì)于偶數(shù)Μ，N，有 m = 0，士 1，士3，. . .，士(M-1)，η = 0，士 1，士3，. . .，士(Ν-1)。因此，在理想設(shè)計(jì)下H(fx，fy) ^ O,達(dá)曼光柵分束器2在頻譜面上可產(chǎn)生給定MXN 衍射級(jí)次的光強(qiáng)相等、相位一定的光點(diǎn)陣列。把不同衍射級(jí)次對(duì)應(yīng)的相位分布即為達(dá)曼輸入相位平板7的相位，而且對(duì)達(dá)曼光柵分束器2的相位分布取復(fù)數(shù)共軛可得到合束相位補(bǔ)償器9的相位?；谙喔申嚵屑す夂鲜讖窖b填和光束掃描過程如下假設(shè)達(dá)曼光柵分束器2在第一傅立葉透鏡3的頻譜面上產(chǎn)生的陣列光場(chǎng)分布為
M Nel(x,y) = es(x,y) YJYj5(x-mTa)d(y-nTp),(3)
m η其中es(x，y)為單元激光束光場(chǎng)分布，“表示卷積，Ta、T0為陣列光束在χ和y 方向的周期。
電控相控陣4對(duì)上述相干陣列光場(chǎng)進(jìn)行相位調(diào)制，調(diào)制函數(shù)設(shè)為
權(quán)利要求
1.一種高功率高光束質(zhì)量光學(xué)相控陣掃描裝置，其特征在于該裝置依次由主振激光器 (1)、達(dá)曼光柵分束器(2)、第一傅立葉透鏡(3)、電控相控陣(4)、第二傅立葉透鏡(5)、激光放大器陣列(6)、達(dá)曼輸入相位平板(7)、第三傅立葉透鏡(8)和合束相位補(bǔ)償器(9)構(gòu)成， 所述的達(dá)曼光柵分束器(2)和電控相控陣(4)分別置于所述的第一傅立葉透鏡3的物面和頻譜面上；所述的電控相控陣(4)和激光放大器陣列(6)的前端面分別放置于第二傅立葉透鏡(5)的物面和頻譜面上；所述的達(dá)曼輸入相位平板(7)和合束相位補(bǔ)償器(9)分別放置于所述的第三傅立葉透鏡(8)的物面和頻譜面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率高光束質(zhì)量光學(xué)相控陣掃描裝置，其特征在于所述的達(dá)曼分束器(2)為經(jīng)過算法優(yōu)化設(shè)計(jì)的純相位光柵，是一個(gè)衍射光學(xué)元件，其功能是在頻譜面上能產(chǎn)生特定衍射級(jí)次的間距相等和有限個(gè)數(shù)的等光強(qiáng)光點(diǎn)陣列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率高光束質(zhì)量光學(xué)相控陣掃描裝置，其特征在于所述的電控相控陣(4)為相位調(diào)制陣列，對(duì)達(dá)曼光柵分束器(2)在第一傅立葉透鏡(3)的頻譜面上產(chǎn)生的激光陣列進(jìn)行相位調(diào)制，為鈮酸鋰(LiNbO3)晶體、鉭酸鋰晶體(LiTaO3)、鋯鈦酸鉛鑭(PLZT)陶瓷等電光材料或液晶材料制成的光學(xué)相控陣器件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率高光束質(zhì)量光學(xué)相控陣掃描裝置，其特征在于所述的激光放大器陣列(6)，是與達(dá)曼光柵分束器(2)在第一傅立葉透鏡3的頻譜面上產(chǎn)生的激光陣列相對(duì)應(yīng)的固體激光放大器陣列或光纖激光放大器陣列。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率高光束質(zhì)量光學(xué)相控陣掃描裝置，其特征在于所述的達(dá)曼輸入相位平板(7)是由達(dá)曼光柵分束器2的頻譜面上特定衍射級(jí)次的等強(qiáng)度光場(chǎng)相位所制作的相位板。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率高光束質(zhì)量光學(xué)相控陣掃描裝置，其特征在于所述的合束相位補(bǔ)償器(9)是與所述的達(dá)曼光柵分束器(2)的相位共軛的衍射光學(xué)元件，該補(bǔ)償器的相位分布是達(dá)曼光柵分束器(2)相位分布的復(fù)數(shù)共軛。
全文摘要
一種高功率高光學(xué)質(zhì)量光學(xué)相控陣掃描裝置，該裝置依次由主振激光器、達(dá)曼光柵分束器、第一傅立葉透鏡、電控相控陣、第二傅立葉透鏡、激光放大器陣列、達(dá)曼輸入相位平板、第三傅立葉透鏡、合束相位補(bǔ)償器。本發(fā)明提供一種高功率高光束質(zhì)量光學(xué)相控陣掃描裝置，實(shí)現(xiàn)高指向精度、高分辨率和快速高功率激光光束的無機(jī)械掃描。具有結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，不需復(fù)雜相位精確檢測(cè)，性能穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于需要大功率激光發(fā)射源以及無機(jī)械激光光束掃描的相關(guān)領(lǐng)域，特別適用于遠(yuǎn)程激光雷達(dá)、激光武器等領(lǐng)域，對(duì)于發(fā)展緊湊型、輕量化和高光束質(zhì)量的高功率激光器和光束掃描系統(tǒng)具有實(shí)際意義。
文檔編號(hào)G02B5/18GK102354056SQ20111033227
公開日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月27日
發(fā)明者劉立人, 孫建鋒, 閆愛民 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所