專利名稱：一種基于光學相控陣等光強多激光束的高精度控制方法
技術領域：
本發明屬于衍射光學技術領域，主要涉及一種變換與控制激光束的方法，該方法
利用光學相控陣將一激光束轉換成多個等光強分布的光束，且能高精度獨立控制其指向。
背景技術：
將一激光束靈活變換成多個不同方向、且能高精度控制其指向的技術在航空航 天、通信、生物和軍事領域有著廣泛的應用前景。目前通過光學相控陣將一激光束變換成多 個光束的方法主要有達曼光柵法、部分口徑法和相位恢復方法。 其中由光學相控陣形成的達曼光柵只能產生以固定陣列形式分布的等光強多光 束，而陣列內的各光束不能獨立控制，即陣列結構難以改變，靈活性欠佳。部分口徑法是指 將一個相控陣分為多個子陣列，每個子陣列分別控制光束，這種方法易實現對各光束獨立 控制，但因子陣口徑變小，導致光束束寬加寬。相位恢復方法是用迭代算法計算相控陣出射 波前所需要的相位分布，由相控陣陣列內所有單元的相位分布共同決定出射光束的數量與 能量分布。由于它是一種整體逼近優化算法，很難精確控制光束指向。 目前還沒有一種能在光束束寬最小的前提下，將一激光束轉換成多個激光束、且 同時對各光束高精度獨立控制的方法。

發明內容
本發明的目的是提出一種利用光學相控陣將一激光束轉換成多個不同指向激光 束的方法，且具有高指向精度、等光強、小束寬、獨立可控的特點。本發明是通過在光學相控 陣上形成復合型光柵來實現的。 本發明提出的一維復合型光柵由Ronchi光柵、鋸齒形多階相位光柵和多階相位 斜坡復合而成，它的透過率函數可表示為
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d，鋸齒形多階相位光柵的鋸齒深度所對應的相位差為(K，多 階相位斜坡在每一個光柵常數d內所增加的相位差為e。光柵的相位被量化成臺階狀，每 個臺階的高度是相等的，在一個光柵常數d內有2L個臺階。 一維復合型光4
也可表示為
式中，k表示的是多階相位斜坡的斜率^ =
7 當一激光束正入射到一維復合型光柵時，在遠場的復振幅分布可表示為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級在空間頻率平面上偏轉*
的光強可表示為
2;r
=! +上處(其中n G N)，才 :一維復合型光柵在^ + "^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
(4)
對于兩相鄰
衍射級，如i級和i+l級(其中
N且其中i G (O，L];光強比,
/ + 1 A:
-+ 一
在(thG (-2(i+l) Ji，-2iJi)范圍內是單調
、"2;r乂
減函數，其中i G (O，L]。故通過微調鋸齒形多階相位光柵的鋸齒深度所對應的相位差(K， 可將兩束光束的光強比調至相等。要令兩相鄰衍射級i級和i+l級的光強相等且為最大， 只需調節相位差小h，使其滿足下式
。
n" + 1A:、
—+——=/-+ —
、d 2;r;
，且(j)h G (2i Ji ，2(i+l) Ji)， i G [-L， L) (5)將滿足上式的(K記為小h(i) (i e N且i g [-L， L))。由參數(K(i)、 k、 d和L
所確定的一維復合型光柵可產生等光強的兩束激光，改變相位差小h(i)，可使各相鄰兩衍
4射級光強達相等且最大，即在空間頻率平面上以光柵常數的倒數^為偏轉分辨率同步的偏
轉兩束激光；通過改變斜坡的斜率k可同步高精度地偏轉兩束激光，偏轉分辨率由相控陣 的相位分辨率決定。
此一維復合型光柵在正交方向上展開可得到二維復合型光柵，即通過下式得到
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 合型光柵。通過改變兩個正交的一維復合型光柵的多階相位斜坡的斜率kx和ky可在二維 空間上實現四束激光的同步高精度地偏轉，偏轉分辨率由相控陣的相位分辨率決定。
—維復合型光柵的透過率函數的模|t(x) I是以d為周期、l/2為占空比的方波函 數，如圖2-a所示。將其透過率函數向右平移d/2之后所得到的透過率函數的模|t(x-d/2) 如圖2-b所示，它與|t(x)|是互補。故兩個一維復合型光柵的透過率函數分別向右平移O 和d/2之后直接相加得到的透過率函數的振幅為
11 (x) +t (x-d/2) I = 1 這兩個一維光柵的兩個參數相位差小h和斜率k是獨立可控的。因此用平移相加 的方法可以在一個光學相控陣上形成兩個獨立可控的一維復合型光柵，即在遠場可形成獨 立可控的兩組光束(每組光束包含兩束光束)。 二維復合型光柵的透過率函數的振幅|t(x， y) I如圖3-a所示，將其透過率函 數分別按向量(_d/2，0)、 (0， -d/2)和(_d/2， -d/2)進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。故四個二維復合型光柵的透過率函數分別按向量(O，O)、 (_d/2，0)、 (0， -d/2)和 (-d/2，-d/2)進行平移之后直接相加得到的透過率函數的振幅為
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光學相控陣上形成四個獨立可控的二維復合型 本發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
半
Z)cosor
的口徑，A表示激光束的波長，a表示激光束與光軸 式中，D表示一維復合型光 所成的角度。 對于二維復合型光柵，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點為三維 迪卡爾坐標系x、 y、 z三軸的交點。 不論是一維光柵還是二維光柵，所產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。 本發明的目的是這樣實現的 1、一種基于光學相控陣等光強多激光束的高精度控制方法是在光學相控陣器件 上形成一維復合型光柵，使正入射到光學相控陣器件上的激光束出射后分成等光強的兩束 光束，這兩束光束可被同步高精度地偏轉，用平移相加的方法可以在一個光學相控陣上形 成兩個獨立的一維復合型光柵；一維復合型光柵在正交方向上展開可以得到二維復合型光 柵，在光學相控陣器件上形成此二維復合型光柵，從而使正入射的激光束在二維空間中分 成等光強的四束光束，這四束光束可被同步高精度地偏轉，用平移相加的方法可以在一個 光學相控陣上形成四個獨立的二維復合型光柵。 2、對于在光學相控陣器件上所形成的一維復合型光柵是由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d。 3、對于等光強的兩束光束，它們之間的空間頻率間隔為光柵常數d的倒數，通過 微調鋸齒形多階相位光柵的鋸齒深度所對應的相位差小h將兩束光束的光強比調至相等。
4、對于等光強的兩束光束可被同步高精度地偏轉是通過調節多階相位斜坡的斜 率來實現，偏轉分辨率由相控陣的相位分辨率決定。 5、對于在一個光學相控陣上所形成的兩個獨立的一維復合型光柵的合成透過率 函數是由兩個一維復合型光柵的透過率函數分別向右平移0和d/2后相加得到，即平移相 加的方法。 6、對于等光強的四束光束可被同步高精度地偏轉是通過調節兩個正交的一維復
合型光柵的多階相位斜坡的斜率來實現，偏轉分辨率由相控陣的相位分辨率決定。 7、對于在一個光學相控陣上所形成的四個獨立的二維復合型光柵的合成透過率
函數是由四個二維復合型光柵的透過率函數分別按向量(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。 本發明的優點是 1、一維復合型光柵所產生的雙光束具有光強比可調的特性，可實現對光強不均勻
度的反饋控制，有利于克服由光學相控陣本身的相位誤差所導致的對光強不均勻度的影響。 2、對于一維復合型光柵所產生的雙光束，不僅可以通過改變相位差(K來實現偏
轉，更可以通過調節線性多階相位光柵中相位面的斜率來實現同步高精度偏轉。 3、可以用平移相加的方法在一個光學相控陣上同時形成兩個獨立的一維復合型
光柵或四個獨立的二維復合型光柵。 4、充分利用光學口徑，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、復合型光柵的設計參數計算快速簡單，有利于實時快速控制。


圖1為一維復合型光柵的各組成部分。
圖中，d為光柵常數，(K為鋸齒形多階相位光柵的鋸齒深度所對應的相位差，e為 每個光柵常數d內所增加的相位差。 圖2為一維復合型光柵透過率函數分別按0和d/2進行平移之后所得到的透過率 函數的振幅。 圖3為二維復合型光柵透過率函數分別按向量(O，O)、 (_d/2，0)、 (0， _d/2)和 (_d/2， -d/2)進行平移之后所得到的透過率函數的振幅分布。
圖4為一維復合型光柵的遠場光強分布。 圖中，L為量化臺階數，d為光柵常數，(thl和小h2分別為光柵1和2所對應的鋸 齒形多階相位光柵的鋸齒深度所對應的相位差，、和k2分別為光柵1和2所對應的多階相 位斜坡的斜率，I為光強，l為空間頻率的坐標。
具體實施例方式
以下結合附圖對本發明的技術方案作進一步描述。 本實施例的目的是通過使光學相控陣形成兩個獨立的一維復合型光柵，并當激光 束正入射時，可在遠場產生兩對獨立的等光強激光束。通過調節一個復合型光柵的斜率k， 可在不改變另一對激光束指向的前提下，同步高精度地控制一對激光束指向。
本發明的具體實現過程如下。 如圖4所示，根據相鄰兩光束的空間頻率間隔得到光柵常數d和每個周期所包 含的臺階數2L，假設得到了L二4。經計算得到一維復合型光柵l的參數為=
10. 04rad、A =，；一維復合型光柵2的參數為(^hl (_2) = -10. 04rad、k2 = 0。此時在遠場
可得到兩對光強相等且最大的光束。在保持光柵2的參數不變的前提下，將光柵1的斜率
kl由;變為-;，遠場衍射圖樣在不改變第2對光束指向的前提下，第1對光束同步向左邊
移動l個單位。通過改變多階相位斜坡的斜率k最終達到利用光學相控陣高精度地控制等 光強多激光束指向的目的。
權利要求
一種基于光學相控陣等光強多激光束的高精度控制方法，其特征是在光學相控陣器件上形成一維復合型光柵，使正入射到光學相控陣器件上的激光束出射后分成等光強的兩束光束，這兩束光束可被同步高精度地偏轉，用平移相加的方法可以在一個光學相控陣上形成兩個獨立的一維復合型光柵；一維復合型光柵在正交方向上展開可以得到二維復合型光柵，在光學相控陣器件上形成此二維復合型光柵，可使正入射的激光束在二維空間中分成等光強的四束光束，這四束光束可被同步高精度地偏轉，用平移相加的方法可以在一個光學相控陣上形成四個獨立的二維復合型光柵。
2. 根據權利要求1所述的一種基于光學相控陣等光強多激光束的高精度控制方法，其 特征是一維復合型光柵是由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d。
3. 根據權利要求1所述的一種基于光學相控陣等光強多激光束的高精度控制方法，其 特征是等光強的兩束光束之間的空間頻率間隔為光柵常數d的倒數，通過微調鋸齒形多階 相位光柵的鋸齒深度所對應的相位差cK將兩束光束的光強比調至相等。
4. 根據權利要求1所述的一種基于光學相控陣等光強多激光束的高精度控制方法，其 特征是等光強的兩束光束可被同步高精度地偏轉是通過調節多階相位斜坡的斜率來實現， 偏轉分辨率由相控陣的相位分辨率決定。
5. 根據權利要求1所述的一種基于光學相控陣等光強多激光束的高精度控制方法，其 特征是在一個光學相控陣上所形成的兩個獨立的一維復合型光柵的合成透過率函數是由 兩個一維復合型光柵的透過率函數分別向右平移0和d/2后相加得到。
6. 根據權利要求1所述的一種基于光學相控陣等光強多激光束的高精度控制方法，其 特征是等光強的四束光束可被同步高精度地偏轉是通過調節兩個正交的一維復合型光柵 的多階相位斜坡的斜率來實現，偏轉分辨率由相控陣的相位分辨率決定。
7. 根據權利要求1所述的一種基于光學相控陣等光強多激光束的高精度控制方法，其 特征是在一個光學相控陣上所形成的四個獨立的二維復合型光柵的合成透過率函數是由 四個二維復合型光柵的透過率函數分別按向量(0，0)、(-d/2，0)、(0，-d/2)和(-d/2，-d/2) 平移后相加得到。
全文摘要
一種基于光學相控陣等光強多激光束的高精度控制方法屬于衍射光學技術領域，在光學相控陣器件上形成一維復合型相位光柵，使正入射到光學相控陣器件上的激光束出射后分成等光強的兩束光束，這兩束光束可被同步高精度地偏轉，用平移相加的方法可以在一個光學相控陣上形成兩個獨立的一維復合型光柵；一維復合型光柵在正交方向上展開可以得到二維復合型光柵，在光學相控陣器件上形成二維復合型光柵，從而使正入射的激光束在二維空間中分成等光強的四束光束，這四束光束可被同步高精度地偏轉，用平移相加的方法可以在一個光學相控陣上形成四個獨立的二維復合型光柵；本方法易實現對光強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G02F1/01GK101762889SQ20101003249
公開日2010年6月30日 申請日期2010年1月19日 優先權日2010年1月19日
發明者劉翔, 吳麗瑩, 周劍華, 姚凌飛, 張健, 王東, 甘雨, 石永亮, 程欣, 陳鯤, 馬驍 申請人:哈爾濱工業大學