專利名稱：一種基于光學(xué)相控陣等光強多激光束的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于衍射光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種用光學(xué)相控陣將一激光束轉(zhuǎn)換成對稱分布、光強相等、 方向可控的多激光束的方法。
背景技術(shù)：
目前利用光學(xué)相控陣產(chǎn)生多光束的方法主要有達(dá)曼光柵法、部分口徑法和計算相息法。由光學(xué)相控陣 形成達(dá)曼光柵可產(chǎn)生以陣列形式分布的等光強多光束。部分口徑法是指根據(jù)需要將相控陣分為多個子陣 列，每個子陣列以閃耀光柵形式控制一束光束，這種方法易實現(xiàn)對單束光束進行反饋控制，但因子陣口徑 變小，導(dǎo)致束寬加寬。計算相息法是通過迭代算法計算出射波前所需要的相位分布，由相控陣陣列內(nèi)所有 單元的相位分布共同決定出射光束的數(shù)量與能量分布。由于它是一種整體逼近優(yōu)化算法，加上器件制造誤 差，很難實現(xiàn)對單束光束進行準(zhǔn)確地反饋控制，其優(yōu)點是每束光都利用了整個相控陣陣列，故可保證光束 最小束寬。
目前還沒有一種方法能在保證光束最小束寬的前提下，將一激光束轉(zhuǎn)換成多激光束、且同時對光束進 行反饋控制。光學(xué)相控陣本質(zhì)上是一種以陣列形式分布的光學(xué)相位延遲器，它通過控制和改變?nèi)肷涔馐?相位面，，可控制光束的方向和能量分布
發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提出一種利用光學(xué)相控陣將一激光束轉(zhuǎn)換成對稱分布、光強相等、方向可控的多激光 束的方法，能產(chǎn)生小束寬、等能量、可閉環(huán)控制的多光束。本發(fā)明是通過在光學(xué)相控陣上形成等腰三角形 相位光柵來實現(xiàn)的。
本發(fā)明提出的等腰三角形相位光柵的相位分布如圖l所示。在圖1中，光柵的周期為7，在光柵周期 內(nèi)都有一個高為^的等腰三角形。等腰三角形被量化成臺階狀，每個臺階的高度是相等的，且在一個光柵 周期內(nèi)有2Z個臺階。此相位光柵的透過率函數(shù)可表示為
,1、
、"
丄一1
ZA(x) = c。mb 土 * S〗exp卜^^卜ect
k=0
丄
2Zx 丁
, 1、 2
十exp
rect
2Ax卩r, 1 、 ——+ |《+ —
r 〔 2
當(dāng)一激光束正入射到等腰三角形相位光柵時，在遠(yuǎn)場的復(fù)振幅分布為:
r2
;m、
>f = ~oo 乂 J
xsmc
exp| -、2丄乂
smc
smc
工f f-直
xexp
一z
i、
smc
+ -
sine
6Xp
上式中所包含的因子l;(5(《-^j表示只有在《^^"處(其中"e AO，才有能量分布，這對應(yīng)于光柵的
衍射n級。等腰三角形相位光柵的衍射《級的復(fù)振幅分布可表示為
3<formula>formula see original document page 4</formula>
要令對稱的相鄰衍射級的光強相等，目卩-!'-l級、-!'級、f級和f+l級(其中!'eAT)，只需調(diào)節(jié)等腰三角形
<formula>formula see original document page 4</formula>式中《隨和^聽分別使？;
、7V
和
取最大值時的等腰三角形的高。
將滿足上式的么記為(^ (/eiV+)。 ^,.、巧Bi所確定的等腰三角形相位光柵可對稱地產(chǎn)生等光強多 激光束，改變激光束的偏轉(zhuǎn)位置力就可對稱地偏轉(zhuǎn)這些激光束。
此方法可擴展為二維矩形相位光柵，此二維矩形相位光柵可通過以下公式將一維等腰三角形相位光柵 在正交方向上展開得到
zA(u) = fA(x)x,AW
式中，《(x)和"Cf)分別表示在x方向和y方向分布的一維等腰相位光柵。
本發(fā)明中激光束束寬是用衍射條紋的第一個最小值的角來定義的，即主峰的半角寬度。對于一維相位 光柵，主峰的半角寬度可表示為
義
半
式中，D表示一維相位光柵的口徑，/l表示激光束的波長，P表示激光束與光軸所成的角度。 對于二維矩形相位光柵，主峰分別在x和y方向的半角寬度A^^和A^^可表示為
義
試
半'
義
式中，i^和Z、分別表示二維矩形相位光柵在x和y方向上的口徑，《和^分別表示激光束在xoz面和 yoz面上的投影與光軸所成的角度，其中z軸與光軸平行，o點為三維迪卡爾坐標(biāo)系x、 y、 z三軸的交點。 不論是一維還是二維相位光柵，所產(chǎn)生激光束的束寬都與其總口徑成反比，故能保證它們的束寬是最 小的。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的
1 、 一種基于光學(xué)相控陣等光強多激光束的控制方法是在光學(xué)相控陣器件上形成一維等腰三角形相位光柵，使正入射到光學(xué)相控陣器件上的激光束出射后分成兩組光束，并且這兩組光束可被對稱地偏轉(zhuǎn)；也 可在光學(xué)相控陣器件上形成二維相位光柵，從而使正入射的激光束在二維空間中分成四組光束，并且這四 組光束也可被對稱地偏轉(zhuǎn)；可以用反饋的方式來微調(diào)等腰三角形相位光柵的高必"
2、 對于用一維等腰三角形相位光柵所形成的兩組光束，每組光束有兩束光束，共計四束光束，這四 束光束一維分布在遠(yuǎn)場、能量相等、且關(guān)于衍射0級對稱，即在衍射O級的兩邊各有一組光束；在遠(yuǎn)場， 每組光束內(nèi)兩束光束之間的空間頻率間隔為光柵周期T的倒數(shù)，即i/r。
3、 對于用一維等腰三角形相位光柵所形成的兩組光束可被對稱地偏轉(zhuǎn)是在不改變2中所提到的光束 特征的前提下，位置可由等腰三角形相位光柵的高A來改變，偏轉(zhuǎn)分辨率為i/r。
4、 對于在光學(xué)相控陣器件上所形成的二維相位光柵是由一維等腰三角形相位光柵在正交方向上展開 得到的。
5、 對于用二維相位光柵所形成的四組光束，每組光束有四束光束，共計十六束光束，這十六束光束 二維分布在遠(yuǎn)場、能量相等、且關(guān)于衍射0級對稱。
6、 對于用反饋的方式來微調(diào)等腰二角形相位光柵的高0A，是根據(jù)每組激光中的兩束激光的光強比來
確定<^的調(diào)節(jié)方向的。這是由于在理論相位高A附近，每組激光中的兩束激光的光強比是<2>*的單調(diào)函數(shù)， 所以可以由光強的比值來確定0力的調(diào)節(jié)方向。此方法可以補償光學(xué)相控陣器件本身的相位誤差對光強不 均勻度的影響。
本發(fā)明的優(yōu)點是
1、 光束的光強比具有可調(diào)性，可實現(xiàn)對光強不均勻度的反饋控制，有利于克服由光學(xué)相控陣本身的 相位誤差所導(dǎo)致的對光強不均勻度的影響。
2、 各光束的束寬都與全口徑成反比，此發(fā)明充分利用了口徑，有利于得到小束寬光束。
3、 可以簡單快速地計算出等腰三角形相位光柵的設(shè)計參數(shù)，有利于快速控制多光束。


圖1為等腰三角形相位光柵的相位分布。
圖中，r為光柵周期，A為等腰三角形的高。
圖2為當(dāng)Z=8時分別在各相鄰衍射級上產(chǎn)生等光強激光束的歸一化光強圖。 圖3為當(dāng)Z=8時在理論相位高附近各鄰近衍射級光強比的單調(diào)性。
In表示在衍射"級上的光強(『1、 2、 3…7)。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步描述。
本發(fā)明的目的是通過使光學(xué)相控陣形成等腰三角形相位光柵，并使激光束正入射到光柵上，就可在遠(yuǎn) 場對稱地產(chǎn)生等光強激光束。通過改變?nèi)切蔚母撸墒辜す馐鴮ΨQ地被偏轉(zhuǎn)。
本發(fā)明的具體實現(xiàn)過程如下。
根據(jù)光束的偏轉(zhuǎn)分辨率得到光柵的周期r和每個周期所包含的臺階數(shù)2Z:,假設(shè)得到了￡=8。經(jīng)計算得 到當(dāng)三角形的高為5.9125 rad時，可在衍射-2級、-1級、1級、2級產(chǎn)生等光強的激光束，如圖2的(a) 圖所示。在光學(xué)相控陣上形成光柵后，由于相位誤差的存在會導(dǎo)致光束能量不等，此時根據(jù)圖3所示的單 調(diào)性，可通過對三角形的高進行微調(diào)，經(jīng)過反饋控制后可使光束能量相等。然后重復(fù)以上過程可分別實現(xiàn) 圖2中(b)、 (c)、 (d)、 (e)和(f)所需要的衍射圖。最終達(dá)到利用光學(xué)相控陣對稱地產(chǎn)生和控制等光強多 激光束的目的。
權(quán)利要求
1.一種基于光學(xué)相控陣等光強多激光束的控制方法，其特征是在光學(xué)相控陣器件上形成一維等腰三角形相位光柵，使正入射到光學(xué)相控陣器件上的激光束出射后分成兩組光束，并且這兩組光束可被對稱地偏轉(zhuǎn)；也可在光學(xué)相控陣器件上形成二維相位光柵，從而使正入射的激光束在二維空間中分成四組光束，并且這四組光束也可被對稱地偏轉(zhuǎn)；可以用反饋的方式來微調(diào)等腰三角形相位光柵的高Фh。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光學(xué)相控陣等光強多激光束的控制方法，其特征是兩組光束中每組有兩 束光束，共計四束光束，這四束光束一維分布在遠(yuǎn)場、能量相等、且關(guān)于衍射0級對稱；在遠(yuǎn)場，每組光 束內(nèi)兩束光束之間的空間頻率間隔為光柵周期r的倒數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光學(xué)相控陣等光強多激光束的控制方法，其特征是兩組光束可被對稱地偏轉(zhuǎn)是在不改變光束特征的前提下，位置可由等腰三角形相位光柵的高^^來改變，偏轉(zhuǎn)分辨率為i/r。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光學(xué)相控陣等光強多激光束的控制方法，其特征是二維相位光柵是由一 維等腰三角形相位光柵在正交方向上展開得到的。 .
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光學(xué)相控陣等光強多激光束的控制方法，其特征是四組光束中每組有四 束光束，共計十六束光束，這十六束光束二維分布在遠(yuǎn)場、能量相等、且關(guān)于衍射0級對稱。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光學(xué)相控陣等光強多激光束的控制方法，其特征是用反饋的方式來微調(diào) 等腰三角形相位光柵的高0力時根據(jù)每組激光中的兩束激光的光強比來確定0力的調(diào)節(jié)方向。
全文摘要
一種基于光學(xué)相控陣等光強多激光束的控制方法屬于衍射光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種用光學(xué)相控陣將一激光束轉(zhuǎn)換成對稱分布、光強相等、方向可控的多激光束的方法；在光學(xué)相控陣器件上形成一維等腰三角形相位光柵，使正入射到光學(xué)相控陣器件上的激光束出射后分成兩組光束，并且這兩組光束可被對稱地偏轉(zhuǎn)；也可在光學(xué)相控陣器件上形成二維相位光柵，從而使正入射的激光束在二維空間中分成四組光束，并且這四組光束也可被對稱地偏轉(zhuǎn)；可以用反饋的方式來微調(diào)等腰三角形相位光柵的高Φ_h；本方法可以形成和偏轉(zhuǎn)小束寬的多激光束，易實現(xiàn)對光強的反饋控制，可用于多激光束的掃描和跟蹤，如激光通訊、激光雷達(dá)、光鑷等領(lǐng)域。
文檔編號G02F1/00GK101561563SQ200910072100
公開日2009年10月21日 申請日期2009年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月22日
發(fā)明者翔 劉, 吳麗瑩, 健 張, 運 方, 東 王, 王贛銘, 雨 甘 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)