專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于光學(xué)相控陣等光強(qiáng)多激光束的高精度控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于衍射光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種變換與控制激光束的方法，該方法
利用光學(xué)相控陣將一激光束轉(zhuǎn)換成多個(gè)等光強(qiáng)分布的光束，且能高精度獨(dú)立控制其指向。
背景技術(shù)：
將一激光束靈活變換成多個(gè)不同方向、且能高精度控制其指向的技術(shù)在航空航 天、通信、生物和軍事領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。目前通過(guò)光學(xué)相控陣將一激光束變換成多 個(gè)光束的方法主要有達(dá)曼光柵法、部分口徑法和相位恢復(fù)方法。 其中由光學(xué)相控陣形成的達(dá)曼光柵只能產(chǎn)生以固定陣列形式分布的等光強(qiáng)多光 束，而陣列內(nèi)的各光束不能獨(dú)立控制，即陣列結(jié)構(gòu)難以改變，靈活性欠佳。部分口徑法是指 將一個(gè)相控陣分為多個(gè)子陣列，每個(gè)子陣列分別控制光束，這種方法易實(shí)現(xiàn)對(duì)各光束獨(dú)立 控制，但因子陣口徑變小，導(dǎo)致光束束寬加寬。相位恢復(fù)方法是用迭代算法計(jì)算相控陣出射 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，很難精確控制光束指向。 目前還沒(méi)有一種能在光束束寬最小的前提下，將一激光束轉(zhuǎn)換成多個(gè)激光束、且 同時(shí)對(duì)各光束高精度獨(dú)立控制的方法。

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)換成多個(gè)不同指向激光 束的方法，且具有高指向精度、等光強(qiáng)、小束寬、獨(dú)立可控的特點(diǎn)。本發(fā)明是通過(guò)在光學(xué)相控 陣上形成復(fù)合型光柵來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 本發(fā)明提出的一維復(fù)合型光柵由Ronchi光柵、鋸齒形多階相位光柵和多階相位 斜坡復(fù)合而成，它的透過(guò)率函數(shù)可表示為
t (x) = tK (x) exp (i小》exp (i小2) (1) 式中，tK(x)表示的是Ronchi光柵，exp(ic^)表示的是鋸齒形多階相位光柵， e鄧(i小2)表示的是多階相位斜坡。它們的分布如圖l所示，Ronchi光柵和鋸齒形多階相 位光柵具有相同的光柵常數(shù)d，鋸齒形多階相位光柵的鋸齒深度所對(duì)應(yīng)的相位差為(K，多 階相位斜坡在每一個(gè)光柵常數(shù)d內(nèi)所增加的相位差為e。光柵的相位被量化成臺(tái)階狀，每 個(gè)臺(tái)階的高度是相等的，在一個(gè)光柵常數(shù)d內(nèi)有2L個(gè)臺(tái)階。 一維復(fù)合型光4
也可表示為
式中，k表示的是多階相位斜坡的斜率^ =
7 當(dāng)一激光束正入射到一維復(fù)合型光柵時(shí)，在遠(yuǎn)場(chǎng)的復(fù)振幅分布可表示為1 .「 ，「 .^0
—smc、4(6Xp一 z——
2
X
w A:
smc
smc
a — 2加
-smc
^ — 2加 4;r
6xp
一z
a、
41
6Xp
.2w;r — a
4
(3) 上式中所包含的因子5>《-7-7表示只有在f
有能量分布，即將光柵的衍射n級(jí)在空間頻率平面上偏轉(zhuǎn)*
的光強(qiáng)可表示為
2;r
=! +上處(其中n G N)，才 :一維復(fù)合型光柵在^ + "^處
、1「 w)
二 —sinesine
J 4、M J
smc
a -2加 4;r
smc 由公式4可知，有效工作范圍為^
a —2加
即衍射級(jí)
(4)
對(duì)于兩相鄰
衍射級(jí)，如i級(jí)和i+l級(jí)(其中
N且其中i G (O，L];光強(qiáng)比,
/ + 1 A:
-+ 一
在(thG (-2(i+l) Ji，-2iJi)范圍內(nèi)是單調(diào)
、"2;r乂
減函數(shù)，其中i G (O，L]。故通過(guò)微調(diào)鋸齒形多階相位光柵的鋸齒深度所對(duì)應(yīng)的相位差(K， 可將兩束光束的光強(qiáng)比調(diào)至相等。要令兩相鄰衍射級(jí)i級(jí)和i+l級(jí)的光強(qiáng)相等且為最大， 只需調(diào)節(jié)相位差小h，使其滿(mǎn)足下式
。
n" + 1A:、
—+——=/-+ —
、d 2;r;
，且(j)h G (2i Ji ，2(i+l) Ji)， i G [-L， L) (5)將滿(mǎn)足上式的(K記為小h(i) (i e N且i g [-L， L))。由參數(shù)(K(i)、 k、 d和L
所確定的一維復(fù)合型光柵可產(chǎn)生等光強(qiáng)的兩束激光，改變相位差小h(i)，可使各相鄰兩衍
4射級(jí)光強(qiáng)達(dá)相等且最大，即在空間頻率平面上以光柵常數(shù)的倒數(shù)^為偏轉(zhuǎn)分辨率同步的偏
轉(zhuǎn)兩束激光；通過(guò)改變斜坡的斜率k可同步高精度地偏轉(zhuǎn)兩束激光，偏轉(zhuǎn)分辨率由相控陣 的相位分辨率決定。
此一維復(fù)合型光柵在正交方向上展開(kāi)可得到二維復(fù)合型光柵，即通過(guò)下式得到
t(x， y) = t(x) Xt(y) 式中，t(x)和t(y)分別表示沿兩正交方向(即x方向和y方向)分布的一維復(fù) 合型光柵。通過(guò)改變兩個(gè)正交的一維復(fù)合型光柵的多階相位斜坡的斜率kx和ky可在二維 空間上實(shí)現(xiàn)四束激光的同步高精度地偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)分辨率由相控陣的相位分辨率決定。
—維復(fù)合型光柵的透過(guò)率函數(shù)的模|t(x) I是以d為周期、l/2為占空比的方波函 數(shù)，如圖2-a所示。將其透過(guò)率函數(shù)向右平移d/2之后所得到的透過(guò)率函數(shù)的模|t(x-d/2) 如圖2-b所示，它與|t(x)|是互補(bǔ)。故兩個(gè)一維復(fù)合型光柵的透過(guò)率函數(shù)分別向右平移O 和d/2之后直接相加得到的透過(guò)率函數(shù)的振幅為
11 (x) +t (x-d/2) I = 1 這兩個(gè)一維光柵的兩個(gè)參數(shù)相位差小h和斜率k是獨(dú)立可控的。因此用平移相加 的方法可以在一個(gè)光學(xué)相控陣上形成兩個(gè)獨(dú)立可控的一維復(fù)合型光柵，即在遠(yuǎn)場(chǎng)可形成獨(dú) 立可控的兩組光束(每組光束包含兩束光束)。 二維復(fù)合型光柵的透過(guò)率函數(shù)的振幅|t(x， y) I如圖3-a所示，將其透過(guò)率函 數(shù)分別按向量(_d/2，0)、 (0， -d/2)和(_d/2， -d/2)進(jìn)行平移之后所得到的振幅分別為 t (x-d/2， y) I 、 11 (x， y-d/2) |和11 (x_d/2， y_d/2) | ，它們分別如圖3_b、圖3_c和圖3_d 所示。故四個(gè)二維復(fù)合型光柵的透過(guò)率函數(shù)分別按向量(O，O)、 (_d/2，0)、 (0， -d/2)和 (-d/2，-d/2)進(jìn)行平移之后直接相加得到的透過(guò)率函數(shù)的振幅為
11 (x， y) +t (x_d/2， y) +t (x， y_d/2) +t (x_d/2， y_d/2) | = 1 故用平移相加的方法可以在一個(gè)光學(xué)相控陣上形成四個(gè)獨(dú)立可控的二維復(fù)合型 本發(fā)明中激光束束寬是用主峰與其相鄰的第一衍射暗條紋之間的夾角來(lái)定義的，
即主峰的半角寬度。對(duì)于一維相位光柵，主峰的半角寬度可表示為
半
Z)cosor
的口徑，A表示激光束的波長(zhǎng)，a表示激光束與光軸 式中，D表示一維復(fù)合型光 所成的角度。 對(duì)于二維復(fù)合型光柵，主峰分別在x和y方向的半角寬度A a ￥!￡和A a申y可表
示為
式中，Dx和Dy分別表示二維復(fù)合型光柵在x和y方向上的口徑，a x和a y表示激光束分別在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(diǎn)為三維 迪卡爾坐標(biāo)系x、 y、 z三軸的交點(diǎn)。 不論是一維光柵還是二維光柵，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(shí)現(xiàn)的 1、一種基于光學(xué)相控陣等光強(qiáng)多激光束的高精度控制方法是在光學(xué)相控陣器件 上形成一維復(fù)合型光柵，使正入射到光學(xué)相控陣器件上的激光束出射后分成等光強(qiáng)的兩束 光束，這兩束光束可被同步高精度地偏轉(zhuǎn)，用平移相加的方法可以在一個(gè)光學(xué)相控陣上形 成兩個(gè)獨(dú)立的一維復(fù)合型光柵；一維復(fù)合型光柵在正交方向上展開(kāi)可以得到二維復(fù)合型光 柵，在光學(xué)相控陣器件上形成此二維復(fù)合型光柵，從而使正入射的激光束在二維空間中分 成等光強(qiáng)的四束光束，這四束光束可被同步高精度地偏轉(zhuǎn)，用平移相加的方法可以在一個(gè) 光學(xué)相控陣上形成四個(gè)獨(dú)立的二維復(fù)合型光柵。 2、對(duì)于在光學(xué)相控陣器件上所形成的一維復(fù)合型光柵是由Ronchi光柵、鋸齒形 多階相位光柵和多階相位斜坡復(fù)合而成，Ronchi光柵和鋸齒形多階相位光柵具有相同的光 柵常數(shù)d。 3、對(duì)于等光強(qiáng)的兩束光束，它們之間的空間頻率間隔為光柵常數(shù)d的倒數(shù)，通過(guò) 微調(diào)鋸齒形多階相位光柵的鋸齒深度所對(duì)應(yīng)的相位差小h將兩束光束的光強(qiáng)比調(diào)至相等。
4、對(duì)于等光強(qiáng)的兩束光束可被同步高精度地偏轉(zhuǎn)是通過(guò)調(diào)節(jié)多階相位斜坡的斜 率來(lái)實(shí)現(xiàn)，偏轉(zhuǎn)分辨率由相控陣的相位分辨率決定。 5、對(duì)于在一個(gè)光學(xué)相控陣上所形成的兩個(gè)獨(dú)立的一維復(fù)合型光柵的合成透過(guò)率 函數(shù)是由兩個(gè)一維復(fù)合型光柵的透過(guò)率函數(shù)分別向右平移0和d/2后相加得到，即平移相 加的方法。 6、對(duì)于等光強(qiáng)的四束光束可被同步高精度地偏轉(zhuǎn)是通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)正交的一維復(fù)
合型光柵的多階相位斜坡的斜率來(lái)實(shí)現(xiàn)，偏轉(zhuǎn)分辨率由相控陣的相位分辨率決定。 7、對(duì)于在一個(gè)光學(xué)相控陣上所形成的四個(gè)獨(dú)立的二維復(fù)合型光柵的合成透過(guò)率
函數(shù)是由四個(gè)二維復(fù)合型光柵的透過(guò)率函數(shù)分別按向量(O，O)、 (-d/2，0)、 (0， -d/2)和
(-d/2， -d/2)平移后相加得到，即平移相加的方法。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是 1、一維復(fù)合型光柵所產(chǎn)生的雙光束具有光強(qiáng)比可調(diào)的特性，可實(shí)現(xiàn)對(duì)光強(qiáng)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(duì)光強(qiáng)不均勻度的影響。 2、對(duì)于一維復(fù)合型光柵所產(chǎn)生的雙光束，不僅可以通過(guò)改變相位差(K來(lái)實(shí)現(xiàn)偏
轉(zhuǎn)，更可以通過(guò)調(diào)節(jié)線(xiàn)性多階相位光柵中相位面的斜率來(lái)實(shí)現(xiàn)同步高精度偏轉(zhuǎn)。 3、可以用平移相加的方法在一個(gè)光學(xué)相控陣上同時(shí)形成兩個(gè)獨(dú)立的一維復(fù)合型
光柵或四個(gè)獨(dú)立的二維復(fù)合型光柵。 4、充分利用光學(xué)口徑，各光束的束寬都與全口徑成反比，有利于得到小束寬光束。
5、復(fù)合型光柵的設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算快速簡(jiǎn)單，有利于實(shí)時(shí)快速控制。


圖1為一維復(fù)合型光柵的各組成部分。
圖中，d為光柵常數(shù)，(K為鋸齒形多階相位光柵的鋸齒深度所對(duì)應(yīng)的相位差，e為 每個(gè)光柵常數(shù)d內(nèi)所增加的相位差。 圖2為一維復(fù)合型光柵透過(guò)率函數(shù)分別按0和d/2進(jìn)行平移之后所得到的透過(guò)率 函數(shù)的振幅。 圖3為二維復(fù)合型光柵透過(guò)率函數(shù)分別按向量(O，O)、 (_d/2，0)、 (0， _d/2)和 (_d/2， -d/2)進(jìn)行平移之后所得到的透過(guò)率函數(shù)的振幅分布。
圖4為一維復(fù)合型光柵的遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)分布。 圖中，L為量化臺(tái)階數(shù)，d為光柵常數(shù)，(thl和小h2分別為光柵1和2所對(duì)應(yīng)的鋸 齒形多階相位光柵的鋸齒深度所對(duì)應(yīng)的相位差，、和k2分別為光柵1和2所對(duì)應(yīng)的多階相 位斜坡的斜率，I為光強(qiáng)，l為空間頻率的坐標(biāo)。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。 本實(shí)施例的目的是通過(guò)使光學(xué)相控陣形成兩個(gè)獨(dú)立的一維復(fù)合型光柵，并當(dāng)激光 束正入射時(shí)，可在遠(yuǎn)場(chǎng)產(chǎn)生兩對(duì)獨(dú)立的等光強(qiáng)激光束。通過(guò)調(diào)節(jié)一個(gè)復(fù)合型光柵的斜率k， 可在不改變另一對(duì)激光束指向的前提下，同步高精度地控制一對(duì)激光束指向。
本發(fā)明的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下。 如圖4所示，根據(jù)相鄰兩光束的空間頻率間隔得到光柵常數(shù)d和每個(gè)周期所包 含的臺(tái)階數(shù)2L，假設(shè)得到了L二4。經(jīng)計(jì)算得到一維復(fù)合型光柵l的參數(shù)為=
10. 04rad、A =，；一維復(fù)合型光柵2的參數(shù)為(^hl (_2) = -10. 04rad、k2 = 0。此時(shí)在遠(yuǎn)場(chǎng)
可得到兩對(duì)光強(qiáng)相等且最大的光束。在保持光柵2的參數(shù)不變的前提下，將光柵1的斜率
kl由;變?yōu)?;，遠(yuǎn)場(chǎng)衍射圖樣在不改變第2對(duì)光束指向的前提下，第1對(duì)光束同步向左邊
移動(dòng)l個(gè)單位。通過(guò)改變多階相位斜坡的斜率k最終達(dá)到利用光學(xué)相控陣高精度地控制等 光強(qiáng)多激光束指向的目的。
權(quán)利要求
一種基于光學(xué)相控陣等光強(qiáng)多激光束的高精度控制方法，其特征是在光學(xué)相控陣器件上形成一維復(fù)合型光柵，使正入射到光學(xué)相控陣器件上的激光束出射后分成等光強(qiáng)的兩束光束，這兩束光束可被同步高精度地偏轉(zhuǎn)，用平移相加的方法可以在一個(gè)光學(xué)相控陣上形成兩個(gè)獨(dú)立的一維復(fù)合型光柵；一維復(fù)合型光柵在正交方向上展開(kāi)可以得到二維復(fù)合型光柵，在光學(xué)相控陣器件上形成此二維復(fù)合型光柵，可使正入射的激光束在二維空間中分成等光強(qiáng)的四束光束，這四束光束可被同步高精度地偏轉(zhuǎn)，用平移相加的方法可以在一個(gè)光學(xué)相控陣上形成四個(gè)獨(dú)立的二維復(fù)合型光柵。
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(qiáng)多激光束的高精度控制方法，其 特征是一維復(fù)合型光柵是由Ronchi光柵、鋸齒形多階相位光柵和多階相位斜坡復(fù)合而成， Ronchi光柵和鋸齒形多階相位光柵具有相同的光柵常數(shù)d。
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(qiáng)多激光束的高精度控制方法，其 特征是等光強(qiáng)的兩束光束之間的空間頻率間隔為光柵常數(shù)d的倒數(shù)，通過(guò)微調(diào)鋸齒形多階 相位光柵的鋸齒深度所對(duì)應(yīng)的相位差cK將兩束光束的光強(qiáng)比調(diào)至相等。
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(qiáng)多激光束的高精度控制方法，其 特征是等光強(qiáng)的兩束光束可被同步高精度地偏轉(zhuǎn)是通過(guò)調(diào)節(jié)多階相位斜坡的斜率來(lái)實(shí)現(xiàn)， 偏轉(zhuǎn)分辨率由相控陣的相位分辨率決定。
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(qiáng)多激光束的高精度控制方法，其 特征是在一個(gè)光學(xué)相控陣上所形成的兩個(gè)獨(dú)立的一維復(fù)合型光柵的合成透過(guò)率函數(shù)是由 兩個(gè)一維復(fù)合型光柵的透過(guò)率函數(shù)分別向右平移0和d/2后相加得到。
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(qiáng)多激光束的高精度控制方法，其 特征是等光強(qiáng)的四束光束可被同步高精度地偏轉(zhuǎn)是通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)正交的一維復(fù)合型光柵 的多階相位斜坡的斜率來(lái)實(shí)現(xiàn)，偏轉(zhuǎn)分辨率由相控陣的相位分辨率決定。
7. 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(qiáng)多激光束的高精度控制方法，其 特征是在一個(gè)光學(xué)相控陣上所形成的四個(gè)獨(dú)立的二維復(fù)合型光柵的合成透過(guò)率函數(shù)是由 四個(gè)二維復(fù)合型光柵的透過(guò)率函數(shù)分別按向量(0，0)、(-d/2，0)、(0，-d/2)和(-d/2，-d/2) 平移后相加得到。
全文摘要
一種基于光學(xué)相控陣等光強(qiáng)多激光束的高精度控制方法屬于衍射光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，在光學(xué)相控陣器件上形成一維復(fù)合型相位光柵，使正入射到光學(xué)相控陣器件上的激光束出射后分成等光強(qiáng)的兩束光束，這兩束光束可被同步高精度地偏轉(zhuǎn)，用平移相加的方法可以在一個(gè)光學(xué)相控陣上形成兩個(gè)獨(dú)立的一維復(fù)合型光柵；一維復(fù)合型光柵在正交方向上展開(kāi)可以得到二維復(fù)合型光柵，在光學(xué)相控陣器件上形成二維復(fù)合型光柵，從而使正入射的激光束在二維空間中分成等光強(qiáng)的四束光束，這四束光束可被同步高精度地偏轉(zhuǎn)，用平移相加的方法可以在一個(gè)光學(xué)相控陣上形成四個(gè)獨(dú)立的二維復(fù)合型光柵；本方法易實(shí)現(xiàn)對(duì)光強(qiáng)以及指向的精確控制，可用于多激光束的掃描和跟蹤。
文檔編號(hào)G02F1/01GK101762889SQ20101003249
公開(kāi)日2010年6月30日 申請(qǐng)日期2010年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月19日
發(fā)明者劉翔, 吳麗瑩, 周劍華, 姚凌飛, 張健, 王東, 甘雨, 石永亮, 程欣, 陳鯤, 馬驍 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)