專(zhuān)利名稱(chēng)：高速電光相控陣二維激光光束掃描器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光光束掃描器，特別是一種高速電光相控陣二維激光光束掃描器。它的主要部件是衍射光柵和兩個(gè)垂直安插的一維晶體平板調(diào)制陣列，改變調(diào)制陣列電壓的大小即可實(shí)現(xiàn)光束的二維掃描，主要應(yīng)用于激光雷達(dá)，激光通信、激光3D顯示和瞄準(zhǔn)跟蹤等技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
激光光束掃描系統(tǒng)在激光雷達(dá)，激光通信，激光3D顯示和瞄準(zhǔn)跟蹤等領(lǐng)域中有重要的應(yīng)用，是當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。激光光束掃描器有模擬型(掃描角度連續(xù)可變)和數(shù)字型(固定最小偏移角)兩種。通常所用的二維光束掃描器大多采用電機(jī)械掃描原理，屬模擬型掃描，其缺點(diǎn)是受機(jī)械傳動(dòng)精度影響，掃描精度有限，微小化程度低。另一種近年發(fā)展起來(lái)的電光控制液晶光柵數(shù)字偏轉(zhuǎn)器雖已較實(shí)用化，但其偏轉(zhuǎn)范圍非常有限，在激光通信、激光雷達(dá)和跟瞄技術(shù)領(lǐng)域中的使用受到限制。
光學(xué)相控陣光束掃描器通過(guò)控制各相控單元的相位得到所需的偏轉(zhuǎn)指向，先技術(shù)[1-2]([1]參見(jiàn)James A，Mark Lasher，Yeshaiahn Fainmanet al，‘A PLZT-based dynamic diffractive optical element for highspeed，random-access beaming steering’. [C]Proc.SPIE，1997，3131124-131. [2]參見(jiàn)James A.Thomas andYeshaiahu Fainman.‘Optimal cascade operation of opticalphased-array beam deflectors.’)皆采用衍射光學(xué)元件(DOE)來(lái)實(shí)現(xiàn)光束的掃描和偏轉(zhuǎn)，此方法由于相控單元尺寸很小，生產(chǎn)工藝難度大，成本高，并且難以消除衍射所帶來(lái)的光學(xué)問(wèn)題，當(dāng)相控單元的數(shù)目增加時(shí)，其掃描范圍會(huì)急劇下降。先技術(shù)[3-4]([3]參見(jiàn)朱雨心，相控陣光學(xué)裝置及方法，專(zhuān)利號(hào)97119771；[4]參見(jiàn)呂秀品，孫秀平，馮克成，劉偉奇，“基于PLZT材料的光學(xué)相控陣掃描器的設(shè)計(jì)和模擬”，中國(guó)激光，2003，30(4)51-52)雖在前者的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，但依然具有無(wú)法消除衍射影響和高精度裝置實(shí)現(xiàn)難的缺點(diǎn)。先技術(shù)[5](參見(jiàn)DavidA.Scrymgeour，Yaniv Barad，Venkatraman Gopaian，Kevin T.Gahagan，Quanxi Jia，Terence E. Mitchell，and Jeanne M. Robinson.‘Large-angle electro-optic laser scanner on LiTaO3 fabricated byin situ monitoring of ferroelectric-domain micropatterning’.Applied Optics，2001，40(34)6236-6241)采用角形LiTaO3晶片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了大角度范圍的光束偏轉(zhuǎn)，但也具有電壓變化太大，入射光束直徑受限的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題礙于克服上述在先技術(shù)的不足，提供一種高速電光相控陣二維激光光束掃描器，本發(fā)明的特點(diǎn)是掃描速度快、精度高、沒(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠并有一定集成度。
本發(fā)明是利用LiNdO3晶體的電光效應(yīng)，在調(diào)制二維相控陣的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)光束的二維掃描。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種高速電光相控陣二維激光光束掃描器，其特征在于它的構(gòu)成是沿光束前進(jìn)的方向依次包括；平面衍射光柵、準(zhǔn)直透鏡、水平掃描組件、垂直掃描組件，還有供水平掃描組件插設(shè)的電極插座和供垂直掃描組件插設(shè)的電極插座；所述的平面衍射光柵位于準(zhǔn)直透鏡的焦平面上；所述的水平掃描組件是由多塊沿光軸方向切割的結(jié)構(gòu)相同的鈮酸鋰晶體平板組合而成的晶體平板陣列，而且每一塊鈮酸鋰晶體平板之間依序設(shè)有由短至長(zhǎng)的等差長(zhǎng)度的電極，所述的一系列電極插入電極插座；所述的垂直掃描組件與所述的水平掃描組件結(jié)構(gòu)相同，只是二者置放的方位相互垂直。
所述的垂直掃描組件后邊加設(shè)一個(gè)準(zhǔn)直透鏡，可實(shí)現(xiàn)近距離(焦面上)掃描，不加準(zhǔn)直透鏡則實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離掃描，視具體應(yīng)用添加。
所述的高速電光相控陣二維激光光束掃描器的制備方法，其特征在于該方法的具體步驟如下①確定激光光源和掃描波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器具有體積小，重量輕，使用壽命長(zhǎng)和商品較成熟等特點(diǎn)，非常適合做本發(fā)明的光源，根據(jù)現(xiàn)有半導(dǎo)體激光器的類(lèi)型和特點(diǎn)選擇掃描波長(zhǎng)為0.8μm；②晶體材料的選擇選擇LiNbO3晶體作為相控陣調(diào)制器的材料；③尺寸的匹配和光柵的選擇由輸出口徑、晶片厚度以及平面衍射光柵的特點(diǎn)進(jìn)行尺寸的匹配和光柵的選擇，一般情況下，晶片厚度可切為0.5mm-1mm，根據(jù)輸出口徑大小和分光束之間的距離與焦距的關(guān)系確定光柵常數(shù)為1/50，透鏡通光口徑Φ10mm，焦距20mm；④晶體的切割本發(fā)明使用的是光平行于晶體光軸方向傳播時(shí)的橫向電光效應(yīng)，切割時(shí)先找出晶體的光軸，沿晶體光軸進(jìn)行切割，xy平面為垂直光軸的平面，E為所加電場(chǎng)方向。這樣切割出來(lái)的晶片有效電光系數(shù)為7(單位10-12m/V)。切割厚度為0.5mm。
⑤制作階梯電極制作方法是在一塊晶體平板的兩面分別鍍上一層銅，由掃描角度范圍確定電壓變化范圍，確定所需電極長(zhǎng)度后，腐蝕掉不需要的部分，留下所需長(zhǎng)度，然后引出接頭，各電極接頭插入電極插座。
⑥組裝。
本發(fā)明的基本原理如下，晶體在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，其雙折射性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，稱(chēng)之為電光效應(yīng)，利用晶體的電光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光束的偏轉(zhuǎn)。如用電級(jí)沿垂直光束傳播方向給一塊晶體加上電場(chǎng)，如晶體平板的厚度為h，長(zhǎng)度為d，電極長(zhǎng)度為de，光束通過(guò)晶體后其位相延遲為δ=2πλno3γ(deh)U----(1)]]>式中，δ為位相延遲，λ為入射波波長(zhǎng)，no為o光折射率，γ為晶體的電光系數(shù)，U為所加電壓，這個(gè)位相延遲將使光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，由(1)式可看出，如果給晶體加上相同的電壓，由于電極長(zhǎng)度的不同，其位相延遲不同，則光束的偏轉(zhuǎn)方向不同，根據(jù)此原理，把相同的晶片疊加在一起，分別插上不同的電級(jí)，當(dāng)N束光入射到加了電壓的晶體組件上，出射時(shí)每束光都會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，電極長(zhǎng)度相同偏轉(zhuǎn)方向相同，電極長(zhǎng)度不同偏轉(zhuǎn)方向不同，設(shè)晶體組件的有效口徑為D，則光束偏轉(zhuǎn)角為θ=δλ2πD=N(U)λD------(2)]]>其中N(U)=δ(U)2π,]]>是最大電光調(diào)制波長(zhǎng)數(shù)。若電壓連續(xù)可變，則實(shí)現(xiàn)一維連續(xù)掃描。
本發(fā)明的技術(shù)效果，經(jīng)初步實(shí)驗(yàn)表明本發(fā)明具有掃描速度快、精度高、沒(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠并有一定集成度的特點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明基本結(jié)構(gòu)2為本發(fā)明原理示意3為L(zhǎng)iNbO3晶體平板水平調(diào)制陣列結(jié)構(gòu)4為L(zhǎng)iNbO3晶體平板垂直調(diào)制陣列結(jié)構(gòu)5為光束水平掃描示意6為光束垂直掃描示意7LiNbO3晶體的切割示意8為切割好的LiNbO3晶片具體實(shí)施方式
先請(qǐng)參閱圖1，圖1是本發(fā)明基本結(jié)構(gòu)圖，由圖可見(jiàn)，本發(fā)明高速電光相控陣二維激光光束掃描器的構(gòu)成是沿光束前進(jìn)的方向依次包括；平面衍射光柵1、準(zhǔn)直透鏡2、水平掃描組件3、垂直掃描組件4，還有供水平掃描組件3插設(shè)的電極插座5和供垂直掃描組件4插設(shè)的電極插座6；所述的平面衍射光柵1位于準(zhǔn)直透鏡2的焦平面上；所述的水平掃描組件3是由多塊沿光軸方向切割的結(jié)構(gòu)相同的鈮酸鋰晶體平板31組合而成的晶體平板陣列，而且每一塊鈮酸鋰晶體平板31之間依序設(shè)有由短至長(zhǎng)的等差長(zhǎng)度的電極32，所述的一系列電極32插入電極插座5；所述的垂直掃描組件4是由多塊沿光軸方向切割的結(jié)構(gòu)相同的鈮酸鋰晶體平板41組合而成的晶體平板陣列，而且每一塊鈮酸鋰晶體平板41之間依序設(shè)有由短至長(zhǎng)的等差長(zhǎng)度的電極42，一系列電極42插入電極插座6；所述的垂直掃描組件4與所述的水平掃描組件3結(jié)構(gòu)相同，只是二者置放的方位相互垂直。
一束激光通過(guò)平面衍射光柵1，由于光柵的衍射，光束沿不同衍射方向被分成N×N束，光柵位于透鏡2的焦面，光束通過(guò)透鏡2后變成N×N束平行光，分別入射到調(diào)制陣列，調(diào)制陣列中每片晶片大小和入射光束相匹配。當(dāng)給調(diào)制陣列施加相同電壓時(shí)，由于電極長(zhǎng)度的不同將產(chǎn)生不同的相位延遲，這個(gè)線(xiàn)性延遲將產(chǎn)生光束的偏轉(zhuǎn)，改變電壓大小即可實(shí)現(xiàn)光束的連續(xù)掃描。
水平掃描示意圖見(jiàn)圖5，把兩個(gè)相同的晶體組件垂直放置，二維掃描就實(shí)現(xiàn)了，垂直掃描示意圖見(jiàn)圖6。
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例說(shuō)明本發(fā)明高速電光相控陣二維激光光束掃描器的制備方法利用上述原理設(shè)計(jì)一個(gè)輸出口徑為7mm×7mm的高速電光相控陣二維激光光束掃描器。尺寸可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。其具體步驟如下(1)確定激光光源和掃描波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器具有體積小，重量輕，使用壽命長(zhǎng)和商品較成熟等特點(diǎn)，非常適合做本發(fā)明的光源，根據(jù)現(xiàn)有半導(dǎo)體激光器的類(lèi)型和特點(diǎn)選擇掃描波長(zhǎng)為0.8μm。也可根據(jù)具體使用更換。
(2)晶體材料的選擇選擇LiNbO3晶體作為相控陣調(diào)制器的材料，它具有性能穩(wěn)定，尺寸大，易于生長(zhǎng)，電光系數(shù)較高，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。
(3)尺寸的匹配和光柵的選擇由輸出口徑、晶片厚度以及平面衍射光柵的特點(diǎn)進(jìn)行尺寸的匹配和光柵的選擇。一般情況下，晶片厚度可切為0.5mm-1mm，一束光通過(guò)衍射光柵，衍射圖樣由下式確定sinθ=mλ(a+b)-----(3)]]>式中，θ為衍射角，m為主極大級(jí)次，(a+b)為光柵常數(shù)。兩個(gè)主極大之間的距離Δx為Δx=λ(a+b)·f-----(4)]]>式中，f為透鏡焦距。
一般情況下，晶片厚度可切為0.5mm-1mm，根據(jù)輸出口徑大小和分光束之間的距離與焦距的關(guān)系確定光柵常數(shù)為1/50，透鏡通光口徑Φ10mm，焦距20mm。
(4)晶體的切割本發(fā)明使用的是光平行于晶體光軸方向傳播時(shí)的橫向電光效應(yīng)，切割時(shí)先將晶體的光軸找出，按照?qǐng)D7所示方向進(jìn)行切割，圖7中，z軸為晶體光軸，xy平面為垂直光軸的平面，E為所加電場(chǎng)方向。這樣切割出來(lái)的晶片有效電光系數(shù)為7(單位10-12m/V)。切割厚度為0.5mm。在本發(fā)明中，晶體的電光系數(shù)越大，相同電壓條件下的光束偏轉(zhuǎn)角將越大，在晶體尺寸允許的情況下可采用其它浪費(fèi)較大但電光系數(shù)也相應(yīng)增大的切割方式。
(5)制作階梯電極制作方法在一塊晶體平板的兩面分別鍍上一層銅，由掃描角度范圍確定電壓變化范圍，確定所需電極長(zhǎng)度后，腐蝕掉不需要的部分，留下所需長(zhǎng)度，然后引出接頭(如圖3和圖4中的07，08所示)。各級(jí)電極接頭插入電極插座(如圖3和圖4中的05，06所示)，插座可直接接電源。當(dāng)波長(zhǎng)為0.8μm時(shí)，晶體o光的折射率為2.2571，聯(lián)合(1)式和(2)式可得θ=no3γUh·deD----(5)]]>如最大所加為600V，最大電極長(zhǎng)度為25mm，由(5)式估算出最大掃描范圍為0.345mrad。要想增大掃描范圍，可增大調(diào)制電壓，加長(zhǎng)電極長(zhǎng)度，改善切割方式提高晶體電光系數(shù)，如波長(zhǎng)為0.6328μm，晶體的最佳切割可使電光系數(shù)高達(dá)40.3(單位10-12m/V)，相同條件下掃描范圍提高6倍。此外，也可減小輸出口徑和晶片厚度，如有大尺寸的晶體，相同條件下掃描范圍可提高2-4倍。
(6)組裝。把制作好的各元件按照?qǐng)D1所示的結(jié)構(gòu)組裝好就構(gòu)成了一個(gè)高速電光相控陣二維激光光束掃描器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其掃描速度可達(dá)100ns/行。
權(quán)利要求
一種高速電光相控陣二維激光光束掃描器，其特征在于它的構(gòu)成是沿光束前進(jìn)的方向依次包括；平面衍射光柵(1)、準(zhǔn)直透鏡(2)、水平掃描組件(3)、垂直掃描組件(4)，還有供水平掃描組件(3)插設(shè)的電極插座(5)和供垂直掃描組件(4)插設(shè)的電極插座(6)；所述的平面衍射光柵(1)位于準(zhǔn)直透鏡(2)的焦平面上；所述的水平掃描組件(3)是由多塊沿光軸方向切割的結(jié)構(gòu)相同的鈮酸鋰晶體平板(31)組合的晶體平板陣列，而且每一塊鈮酸鋰晶體平板(31)之間依序設(shè)有由短至長(zhǎng)的等差長(zhǎng)度的電極(32)，所述的一系列電極(32)插入電極插座(5)；所述的垂直掃描組件(4)是由多塊沿光軸方向切割的結(jié)構(gòu)相同的鈮酸鋰晶體平板(41)組合的晶體平板陣列，而且每一塊鈮酸鋰晶體平板(41)之間依序設(shè)有由短至長(zhǎng)的等差長(zhǎng)度的電極(42)，一系列電極(42)插入電極插座(6)；所述的垂直掃描組件(4)與所述的水平掃描組件(3)結(jié)構(gòu)相同，只是二者置放的方位相互垂直。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速電光相控陣二維激光光束掃描器，其特征在于所述的垂直掃描組件(4)后邊加設(shè)一個(gè)準(zhǔn)直透鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速電光相控陣二維激光光束掃描器的制備方法，其特征在于該方法的具體步驟如下①確定激光光源和掃描波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器具有體積小，重量輕，使用壽命長(zhǎng)和商品較成熟等特點(diǎn)，非常適合做本發(fā)明的光源，根據(jù)現(xiàn)有半導(dǎo)體激光器的類(lèi)型和特點(diǎn)選擇掃描波長(zhǎng)為0.8μm；②晶體材料的選擇選擇LiNbO3晶體作為相控陣調(diào)制器的材料；③尺寸的匹配和光柵的選擇由輸出口徑、晶片厚度以及平面衍射光柵的特點(diǎn)進(jìn)行尺寸的匹配和光柵的選擇，一般情況下，晶片厚度可切為0.5mm-1mm，根據(jù)輸出口徑大小和分光束之間的距離與焦距的關(guān)系確定光柵常數(shù)為1/50，透鏡通光口徑Φ10mm，焦距20mm；④晶體的切割本發(fā)明使用的是光平行于晶體光軸方向傳播時(shí)的橫向電光效應(yīng)，切割時(shí)先找出晶體的光軸，沿晶體光軸進(jìn)行切割，xy平面為垂直光軸的平面，E為所加電場(chǎng)方向。這樣切割出來(lái)的晶片有效電光系數(shù)為7(單位10-12m/V)。切割厚度為0.5mm。⑤制作階梯電極制作方法是在一塊晶體平板的兩面分別鍍上一層銅，由掃描角度范圍確定電壓變化范圍，確定所需電極長(zhǎng)度后，腐蝕掉不需要的部分，留下所需長(zhǎng)度，然后引出接頭，各電極接頭插入電極插座。⑥組裝。
全文摘要
一種高速電光相控陣二維激光光束掃描器，其特征在于它的構(gòu)成是沿光束前進(jìn)的方向依次包括；平面衍射光柵、準(zhǔn)直透鏡、水平掃描組件、垂直掃描組件，還有供水平掃描組件插設(shè)的電極插座和供垂直掃描組件插設(shè)的電極插座；所述的平面衍射光柵位于準(zhǔn)直透鏡的焦平面上；所述的水平掃描組件是由多塊沿光軸方向切割的結(jié)構(gòu)相同的鈮酸鋰晶體平板組合而成的晶體平板陣列，而且每一塊鈮酸鋰晶體平板之間依序設(shè)有由短至長(zhǎng)的等差長(zhǎng)度的電極，所述的一系列電極插入電極插座；所述的垂直掃描組件與所述的水平掃描組件結(jié)構(gòu)相同，只是二者置放的方位相互垂直。本發(fā)明的特點(diǎn)是掃描速度快、精度高、沒(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠并有一定集成度。
文檔編號(hào)G02F1/29GK1554978SQ20031012262
公開(kāi)日2004年12月15日 申請(qǐng)日期2003年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月19日
發(fā)明者萬(wàn)玲玉, 劉立人, 張明麗, 孫建鋒 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所