專利名稱：高功率高光束質(zhì)量光學相控陣掃描裝置的制作方法
技術領域：
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)量的無機械光束掃描系統(tǒng)，特別是一種基于衍射光學元件分束、合束和電控相控陣器件的高功率單主瓣光學 相控陣掃描裝置及方法。
背景技術：
隨著激光應用技術的發(fā)展，在激光雷達等領域需要高功率、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。其中采用衍射光學元件具有衍射效率高、體積小、調(diào)節(jié)方便和可以大量復制等特點，受到國內(nèi)外研究者的廣泛關注。同時， 在激光雷達、激光通信等領域應用方面，為了能夠快速有效的捕獲跟蹤空間遠距離目標，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械掃描原理，缺點是受機械傳動精度影響，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。非機械式的激光光束掃描器由于體積小、慣性小、掃描響應速度高和可靠性好等優(yōu)點受到人們的青睞。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方案。在先技術 [1](參見閆愛民，劉立人，戴恩文，孫建鋒，相干陣列激光逆達曼光柵合束孔徑裝填裝置， 發(fā)明專利，專利號ZL200910053422.4，2011.)中提出一種基于衍射光學元件即逆達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，不能進行激光光束的快速無機械掃描。在先技術[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，但是這種主動調(diào)相技術，需要聲光調(diào)制器、移相器等復雜的相位控制和檢測以及相應的控制電路，技術實現(xiàn)難度高。在先技術[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?zhí)?200310122621. 9，2003。)中利用LiNbO3晶體的電光效應，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、沒有機械運動、 結構簡單、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。但是，該光學相控陣掃描器僅能實現(xiàn)激光光束的無機械掃描， 不能提高掃描光束的功率和光束質(zhì)量，限制了進一步在激光武器等領域的廣泛應用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種高功率高光束質(zhì)量光學相控陣掃描裝置，實現(xiàn)高指向精度、高分辨率和快速的高功率激光光束無機械掃描。
本發(fā)明的技術解決方案如下一種高 功率高光束質(zhì)量光學相控陣掃描裝置，其特點在于該裝置依次由主振激光器、達曼光柵分束器、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、達曼輸入相位平板、第三傅立葉透鏡和合束相位補償器構成。所述的達曼光柵分束器為經(jīng)過算法優(yōu)化設計的純相位光柵，是一個衍射光學元件，其功能是在頻譜面上能產(chǎn)生特定衍射級次的間距相等和有限個數(shù)的等光強光點陣列；所述的電控相控陣為相位調(diào)制陣列，對達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相控陣器件；所述的激光放大器陣列，是與達曼光柵分束器在第一傅立葉透鏡的頻譜面上產(chǎn)生的激光陣列相對應的固體激光放大器陣列或光纖激光放大器陣列；所述的達曼輸入相位平板是由達曼光柵分束器的頻譜面上特定衍射級次的等強度光場相位所制作的相位板。所述的合束相位補償器是與達曼光柵分束器的相位共軛的衍射光學元件，該補償器的相位分布是達曼光柵分束器相位分布的復數(shù)共軛，用于對合束光場進行相位補償，獲得遠場單一主瓣的高光束質(zhì)量激光光束。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下技術效果1.采用達曼光柵分束器產(chǎn)生NXN束自動相位鎖定的相干激光陣列，其優(yōu)點是采用衍射光學元件，結構簡單，容易實現(xiàn)，無需額外的相位檢測結構；2.達曼光柵分束以及逆達曼光柵合束相位補償都基于遠場衍射原理，輸入面和輸出面為對應的光學傅立葉變換關系，操作簡單可靠，易于實現(xiàn)；3.衍射光學元件設計原理簡單，所述的達曼光柵分束器和合束相位補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.利用光學相控陣技術，在相干激光陣列合束孔徑裝填基礎上能夠?qū)崿F(xiàn)無機械激光光束精密快速掃描，具有靈活定向控制和發(fā)射角度瞬時可控的能力。


圖1為本發(fā)明高功率高光束質(zhì)量光學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-達曼輸入相位平板，8-第三傅立葉透鏡，9-合束相位補償器，41-鈮酸鋰晶體，42-鍍金電極。
具體實施例方式以下結合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步的說明。本發(fā)明的高功率高光束質(zhì)量光學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)量光學相控陣掃描裝置，依次由主振激光器1、達曼光柵分束器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、達曼輸入相位平板7、第三傅立葉透鏡8、合束相位補償器9構成。
所述的達曼光柵分束器2為經(jīng)過算法優(yōu)化設計的純相位光柵，是一個衍射光學元件，其功能是在頻譜面上能產(chǎn)生特定衍射級次的間距相等和有限個數(shù)的等光強光點陣列； 所述的電控相控陣4為相位調(diào)制陣列，對達曼光柵分束器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相控陣器件；所述的激光放大器陣列6，是與達曼光柵分束器2在第一傅立葉透鏡3的頻譜面上產(chǎn)生的激光陣列相對應的固體激光放大器陣列或光纖激光放大器陣列；所述的達曼輸入相位平板7是由達曼光柵分束器2的頻譜面上特定衍射級次的等強度光場相位所制作的相位板。所述的合束相位補償器9是與達曼光柵分束器2的相位共軛的衍射光學元件，該補償器的相位分布是達曼光柵分束器2相位分布的復數(shù)共軛，用于對合束光場進行相位補償，獲得遠場單一主瓣的高光束質(zhì)量激光光束。達曼光柵分束器2的分束功能如下達曼光柵分束器2是一種產(chǎn)生特定衍射級次數(shù)目的典型的衍射光學元件，將達曼光柵分束器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數(shù)的等光強的光點陣列分布。達曼光柵分束器2設計為純相位光柵，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方向達曼光柵的周期和中心移位，在達曼光柵的一個周期內(nèi)具有亞周期相位結構。衍射MXN級點的理想二維達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，對于奇數(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，在理想設計下H(fx，fy) ^ O,達曼光柵分束器2在頻譜面上可產(chǎn)生給定MXN 衍射級次的光強相等、相位一定的光點陣列。把不同衍射級次對應的相位分布即為達曼輸入相位平板7的相位，而且對達曼光柵分束器2的相位分布取復數(shù)共軛可得到合束相位補償器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達曼光柵分束器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對上述相干陣列光場進行相位調(diào)制，調(diào)制函數(shù)設為
權利要求
1.一種高功率高光束質(zhì)量光學相控陣掃描裝置，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)、達曼輸入相位平板(7)、第三傅立葉透鏡(8)和合束相位補償器(9)構成， 所述的達曼光柵分束器(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；所述的達曼輸入相位平板(7)和合束相位補償器(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)權利要求1所述的高功率高光束質(zhì)量光學相控陣掃描裝置，其特征在于所述的達曼分束器(2)為經(jīng)過算法優(yōu)化設計的純相位光柵，是一個衍射光學元件，其功能是在頻譜面上能產(chǎn)生特定衍射級次的間距相等和有限個數(shù)的等光強光點陣列。
3.根據(jù)權利要求1所述的高功率高光束質(zhì)量光學相控陣掃描裝置，其特征在于所述的電控相控陣(4)為相位調(diào)制陣列，對達曼光柵分束器(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相控陣器件。
4.根據(jù)權利要求1所述的高功率高光束質(zhì)量光學相控陣掃描裝置，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)生的激光陣列相對應的固體激光放大器陣列或光纖激光放大器陣列。
5.根據(jù)權利要求1所述的高功率高光束質(zhì)量光學相控陣掃描裝置，其特征在于所述的達曼輸入相位平板(7)是由達曼光柵分束器2的頻譜面上特定衍射級次的等強度光場相位所制作的相位板。
6.根據(jù)權利要求1所述的高功率高光束質(zhì)量光學相控陣掃描裝置，其特征在于所述的合束相位補償器(9)是與所述的達曼光柵分束器(2)的相位共軛的衍射光學元件，該補償器的相位分布是達曼光柵分束器(2)相位分布的復數(shù)共軛。
全文摘要
一種高功率高光學質(zhì)量光學相控陣掃描裝置，該裝置依次由主振激光器、達曼光柵分束器、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、達曼輸入相位平板、第三傅立葉透鏡、合束相位補償器。本發(fā)明提供一種高功率高光束質(zhì)量光學相控陣掃描裝置，實現(xiàn)高指向精度、高分辨率和快速高功率激光光束的無機械掃描。具有結構和原理簡單，不需復雜相位精確檢測，性能穩(wěn)定可靠的特點，可廣泛應用于需要大功率激光發(fā)射源以及無機械激光光束掃描的相關領域，特別適用于遠程激光雷達、激光武器等領域，對于發(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)具有實際意義。
文檔編號G02B5/18GK102354056SQ20111033227
公開日2012年2月15日 申請日期2011年10月27日 優(yōu)先權日2011年10月27日
發(fā)明者劉立人, 孫建鋒, 閆愛民 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所