基于二維液晶光相控陣陣列的激光相干合成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于激光相干合成技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及光相控陣激光相干合成技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 高功率高亮度激光在激光加工、材料處理、激光武器、光電對抗、激光雷達等領(lǐng)域 具有廣泛且重要的應(yīng)用前景。與固體和氣體激光器相比，光纖激光器具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、光 電轉(zhuǎn)換效率高、散熱效果好、激光闊值低、可調(diào)諧范圍寬、光束質(zhì)量好等優(yōu)點，因而受到越來 越多的重視和研究。但由于受到滲雜光纖的非線性效應(yīng)、光暗化、烙接損耗、熱損傷、激光損 傷、累浦禪合效率低等因素的影響，單臺光纖激光器的輸出功率有限，而且再單純提高單臺 激光器的輸出功率會導(dǎo)致激光器體積龐大，高耗能等問題，對材料的要求也會更加苛刻。于 是人們開始研究將多臺激光器的輸出光束進行合成W獲得高功率激光的方法。目前常用的 光束合成方法分為兩大類，即光束相干合成和非相干合成。非相干合成通過一系列光束整 形和變換，將N臺激光器的輸出功率進行簡單疊加，各個輸出光束之間沒有相位關(guān)系，雖然 總輸出功率會提高N倍，但光束質(zhì)量將有所下降，合成光斑的亮度不會提高。而相干合成通 過控制各個激光器輸出光束的相位，使該些激光束在遠場因相互干設(shè)而實現(xiàn)相干疊加，在 總輸出功率提高N倍的同時，合成光斑中屯、峰值光強可W提高妒倍，從而獲得高功率高亮 度近衍射極限的合成光斑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種能同時實現(xiàn)二維偏轉(zhuǎn)的基于二維液晶光 相控陣陣列的激光相干合成方法。
[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，基于二維液晶光相控陣陣列的激光相干合成方 法，包括W下步驟：
[0005] 相控陣陣列構(gòu)建步驟；液晶光相控陣陣列由QXP個二維液晶光相控陣組成，其中 縱向上每一列包含Q個子陣，橫向上每一行包含P個子陣，單個子陣包含MXN個相控單元， 其中縱向上每列包含M個相控單元，橫向上每行包含N個相控單元，單個子陣中各相控單元 的編號依次為（m，n)，其中m= 0,…，M-l，n= 0,…，N-1 ;縱向上相鄰相控單元中屯、到中屯、 的距離為d。，橫向上相鄰相控單元中屯、到中屯、的距離為d,;
[0006] 激光束參數(shù)配置步驟：相干合成系統(tǒng)中參與合成的激光束的數(shù)量為QXP路，激光 束與液晶光相控陣陣列中的子陣 對應(yīng)且垂直入射；各路光束均為基模高斯光束，波長 為入；
[0007] 偏轉(zhuǎn)方向設(shè)置步驟；設(shè)置合成光束的偏轉(zhuǎn)方向(瓦，瓦.)，(瓦，瓦)為液晶光相控陣 陣列視場范圍內(nèi)的任意一個二維偏轉(zhuǎn)方向；
[000引相位差確定步驟；確定各個子陣中橫、縱向相鄰相控單元之間的相位差A(yù)(1),及A4。，橫向相鄰相控單元之間的相位差A(yù)奔=-2兀sin(瓦\)/又，縱向相鄰相控單元之間 的相位差A(yù)(4, = -2丹(/"sin(每,)/ 乂 ；
[0009] 相位面設(shè)計步驟；為使參與合成的所有光束均偏轉(zhuǎn)到方向(各、.瓦.)，每個子陣中 各相控單元的相位調(diào)制量的計算方法為^'"，"）= "!么^^,, + "么^^^，其中m= 0, ...iM-l，n=0,…，N-1 ;
[0010] 電壓代碼生成步驟；通過查找二維液晶光相控陣的V-口曲線得到與相位調(diào)制量 例"2,")對應(yīng)的電壓代碼V(m,n);
[OCm] 相位調(diào)制步驟：通過控制器將生成的電壓代碼v(m，n)對應(yīng)加載到各子陣中相應(yīng) 的相控單元上來調(diào)制各入射激光束的相位。
[0012] 二維液晶光相控陣具有相位調(diào)制精度高、高損傷閥值、體積小、寬雙折射率范圍、 寬波段、低驅(qū)動電壓、低成本和工藝成熟等優(yōu)點，應(yīng)用于光束相干合成之中具有巨大的優(yōu) 勢。為實現(xiàn)更多路激光束的相干合成并靈活控制各個激光束的相位，本發(fā)明將多個二維液 晶光相控陣按一定規(guī)則排列組成一個大的液晶光相控陣陣列，其中每個二維液晶光相控陣 可W看作液晶光相控陣陣列的一個子陣，各子陣可W獨立進行控制。
[0013] 本發(fā)明通過給各入射光束施加相同的二維相位調(diào)制，使其偏轉(zhuǎn)到相同方向，在遠 場因干設(shè)而進行相干合成，從而獲得高功率高亮度的合成光束?；诙S液晶光相控陣陣 列的光束相干合成不僅可W獲得高功率高質(zhì)量的合成光束，而且可W實現(xiàn)合成光束在二維 方向上的非機械式波束偏轉(zhuǎn)。相比一維非機械式波束偏轉(zhuǎn)技術(shù)，二維波束偏轉(zhuǎn)技術(shù)可W顯 著提高合成波束在空間的掃描范圍，進而擴展激光相干合成技術(shù)的應(yīng)用范圍，尤其是可W 促進光束相干合成技術(shù)在激光雷達、激光武器等領(lǐng)域的應(yīng)用。
[0014] 本發(fā)明的有益效果是，可W獲得高功率高亮度的合成光束，并使合成光束在二維 空間上進行非機械式偏轉(zhuǎn)，減輕了系統(tǒng)重量，減小了系統(tǒng)體積，降低了系統(tǒng)功耗。
【附圖說明】
[0015] 圖1為實施例的流程圖。
[0016] 圖2中（a)為本發(fā)明中構(gòu)造的液晶光相控陣陣列模型，化）為組成該陣列的單個 二維液晶光相控陣模型。
[0017] 圖3為單個二維液晶光相控陣的V-夢曲線。
[001引圖4中（a)為合成光束偏轉(zhuǎn)到方向（0.5°，0.65° )時液晶光相控陣陣列中各個 子陣需對其入射激光束施加的二維相位面，化）為該二維相位面中某一行相位分布，（C)為 該二維相位面中某一列相位分布。
[0019] 圖5中（a)為查找到的與二維相位面對應(yīng)的單個子陣的電壓代碼，化）為單個子 陣中某一行相控單元的電壓代碼，（C)為單個子陣中某一列相控單元的電壓代碼。
[0020] 圖6中（a)為單束出射激光的遠場光斑，化）為該光斑過中屯、的橫向切面的光強 分布，（C)為該光斑過中屯、的縱向切面的光強分布。
[0021] 圖7中（a)為合成光束的遠場光斑，化）為該光斑過中屯、的橫向切面的光強分布， (C)為該光斑過中屯、的縱向切面的光強分布。
【具體實施方式】
[0022] 基于本發(fā)明的一種優(yōu)選方法的流程圖如圖1所示，包括W下步驟：
[0023] 步驟1 ;構(gòu)建液晶光相控陣陣列。本發(fā)明構(gòu)造的液晶光相控陣陣列如圖2(a)所 示，由QXP個二維透射式液晶光相控陣組成；每一行包含P個子陣，相鄰子陣中屯、到中屯、 的間距為D,;每一列包含Q個子陣，相鄰子陣中屯、到中屯、的間距為D。。單個二維液晶光相 控陣的模型如圖2化）所示，包含MXN個相控單元，其中每一行包含N個相控單元，相鄰相 控單元中屯、到中屯、的距離為d,;每一列包含M個相控單元，相鄰相控單元中屯、到中屯、的距 離為d。；^二維液晶光相控陣的左下角為起點，右上角為終點，各相控單元的編號依次為 (m,n)，其中m= 0,…，M-1，n= 0,…，N-1。
[0024] 步驟2;配置入射激光束的參數(shù)。如圖2(a)所示，相干合成系統(tǒng)中共有QXP路 入射激光束，與各子陣一一對應(yīng)且垂直入射；各路光束均為高斯光束，波長為A，束腰半徑 為《。，束腰與對應(yīng)的子陣之間的距離為Z。。基模高斯光束是指復(fù)振幅可表示為下式的激光 束：
[0025]
【主權(quán)項】
1.基于二維液晶光相控陣陣列的激光相干合成方法，其特征在于，包括以下步驟： 相控陣陣列構(gòu)建步驟：液晶光相控陣陣列由QXP個二維液晶光相控陣組成，其中縱向 上每一列包含Q個子陣，橫向上每一行包含P個子陣，單個子陣包含MXN個相控單元，其中 縱向上每列包含M個相控單元，橫向上每行包含N個相控單元，單個子陣中各相控單元的編 號依次為（m, η)，其中m = 0,…，M-l，n = 0,…，N-I ;縱向上相鄰相控單元中心到中心的距 離為dn，橫向上相鄰相控單元中心到中心的距離為(1ξ; 激光束參數(shù)配置步驟：相干合成系統(tǒng)中參與合成的激光束的數(shù)量為QXP路，激光束 與液晶光相控陣陣列中的子陣 對應(yīng)且垂直入射；各路光束均為基模高斯光束，波長為 λ ; 偏轉(zhuǎn)方向設(shè)置步驟：設(shè)置合成光束的偏轉(zhuǎn)方向(^1), 為液晶光相控陣陣列 視場范圍內(nèi)的任意一個二維偏轉(zhuǎn)方向； 相位差確定步驟：確定各個子陣中橫、縱向相鄰相控單元之間的相位差△ Δ Φ η，橫向相鄰相控單元之間的相位差
，縱向相鄰相控單元之間的 相位差
相位面設(shè)計步驟：為使參與合成的所有光束均偏轉(zhuǎn)到方向，每個子陣中各相 控單元的相位調(diào)制量的計算方法為
，其中m = 0, "·，Μ-1，η = 0,… ,N-I ； 電壓代碼生成步驟：通過查找二維液晶光相控陣的V-P曲線得到與相位調(diào)制量 供("Ζ，")對應(yīng)的電壓代碼V (m, η); 相位調(diào)制步驟：通過控制器將生成的電壓代碼V (m，η)對應(yīng)加載到各子陣中相應(yīng)的相 控單元上來調(diào)制各入射激光束的相位。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于二維液晶光相控陣陣列的激光相干合成方法。為實現(xiàn)更多路激光束的相干合成并靈活控制各個激光束的相位，本發(fā)明將多個二維液晶光相控陣按一定規(guī)則排列組成一個大的液晶光相控陣陣列，其中每個二維液晶光相控陣可以看作液晶光相控陣陣列的一個子陣，各子陣可以獨立進行控制。本發(fā)明可獲得高功率高亮度的合成光束，并使合成光束在二維空間上進行非機械式偏轉(zhuǎn)，減輕了系統(tǒng)重量，減小了系統(tǒng)體積，降低了系統(tǒng)功耗。
【IPC分類】G02F1-29
【公開號】CN104865768
【申請?zhí)枴緾N201510236783
【發(fā)明人】孔令講, 陳建, 肖鋒, 楊亞, 楊鎮(zhèn)銘, 汪相如, 吳亮, 姜海超
【申請人】電子科技大學
【公開日】2015年8月26日
【申請日】2015年5月11日