液晶相控阵回程光路快速响应大角度光束偏转系统及方法

技术领域

本发明属于光场调控、光学相控阵控制、自由空间光通信技术领域，特别涉及一种液晶相控阵回程光路快速响应大角度光束偏转系统，以及利用该系统实现光束偏转的方法。

背景技术

随着空间激光通信技术的深入发展，我国将构建基于激光通信技术的空间带宽骨干通信网络和空天地一体化立体网络。作为空间激光宽带网络的主节点，自由空间激光通信系统迫切需要轻便、捷变、大角度的波束偏转能力。传统的机械式激光控制系统控制速度慢，指向精度低，系统复杂，无法实现任意角度的多波束接入。光学相控阵(OPA)技术不仅能实现光束捷变、无惯性快速扫描、光束灵活接入和高精度的光束控制，还能实现任意波束赋形；其次，光学相控阵器件具有体积小，功耗低，重量轻和易集成的特点，在新一代空间激光通信、激光雷达、空间红外对抗等技术领域具有重要的应用前景，也非常适合机载、弹载和星载等特殊平台。

目前偏转角度小和效率低是限制星对星空间激光通信、星对地空间激光通信、短程大气空间激光通信和量子通信技术的主要技术瓶颈。无论是激光雷达和激光准直仪，还是激光制导导引头和激光定向能武器，自动驾驶、激光通信网络和新型激光激光雷达系统对空间激光束的偏转角度和效率提出了前所未有的迫切需求。

当前单个光学相控阵天线的偏转角度普遍较小，一般理论偏转角度不超过±10°。由于制作工艺的误差和材料、设备的受限，实际的偏转角度更小。相控阵体制的光束偏转方案中，一般情况下偏转角度范围和效率是相互对抗矛盾的，因此大角度偏转效率更低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种采用子孔径分区控制和分光旋光回程折返光路设计，可以实现基于单个空间光调制器的大角度、高偏转效率、快速响应和低能量损耗的光束程控连续偏转的液晶相控阵回程光路快速响应大角度光束偏转系统。并提供了一种利用该系统实现光束偏转的方法，基于空间光调制器，采用子孔径交变相位梯度的新型相位调制特殊算法，实现了单个液晶相控阵器件偏转角度范围成倍增加的能力。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：液晶相控阵回程光路快速响应大角度光束偏转系统，包括激光器、起偏器、偏振分光棱镜、法拉第旋光器、第一全反射棱镜、液晶光学相控阵、第二全反射棱镜和全反射平面镜；

偏振分光棱镜与激光器和起偏器的光路水平共轴，偏振分光棱镜以垂直方向为轴逆时针旋转45°，法拉第旋光器位于偏振分光棱镜下方；

第一全反射棱镜和第二全反射棱镜结构相同，均包括一个长边透明水平面和多个全反射面，多个全反射面呈锯齿分布，第一全反射棱镜和第二全反射棱镜的长边透明水平面平行紧贴液晶光学相控阵的上下两侧；第一全反射棱镜和第二全反射棱镜横向错位空间排布，第一全反射棱镜和第二全反射棱镜错位一个全反射面，第一全反射棱镜的第i个棱角最高点和第二全反射棱镜的第i+1个棱角最低点的连线垂直于两个棱镜的长边透明水平面；

全反射平面镜作为出射光的全反射面，紧贴液晶光学相控阵的下侧和第二全反射棱镜的右侧；

所述液晶光学相控阵空间上分为多个子孔径工作区域，每个子孔径对应一个或者一对平行反射面，相邻子孔径的电控相位分布单调性关于中心线互为镜像；

激光器的出射光束依次经过起偏器、偏振分光棱镜、法拉第旋光器、液晶光学相控阵后进入第二全反射棱镜，在第二全反射棱镜、液晶光学相控阵和第一全反射棱镜之间经过多次折返之后从第一全反射棱镜的最后一个反射面出射，出射光束透过液晶光学相控阵进入全反射平面镜，经全反射平面镜反射后回到第一全反射棱镜，然后光束沿着进入射时的光路返回，最后通过偏振分光棱镜出射。

所述偏振分光棱镜放置于真空电控旋转平台上，以垂直方向为轴逆时针旋转45°，从起偏器出来的S光经偏振分光棱镜调整后，出射光偏振方向与水平方向成45°角；而在回程光路中，回程光束经法拉第旋光器后偏振方向与水平成-45°，在经过偏振分光棱镜后以P光透射出去。

所述的法拉第旋光器利用法拉第旋光效应，将偏振分光棱镜出射的S光的偏振方向定向偏转45°角，从原先与水平成45°角的偏振方向旋转至水平方向，并且与液晶指向矢及液晶光轴方向平行；而在回程光路中，偏振方向为水平方向的回程光再次经过法拉第旋光器偏转后，光偏振方向变为与水平方向成-45°角并入射至偏振分光棱镜。

本发明的另一个目的是提供一种液晶相控阵回程光路快速响应大角度光束偏转方法，采用上述光束偏转系统实现，具体步骤如下：

步骤1、搭建光束偏转系统并进行校正：按照光路搭建回程光路的快速响应大角度光束偏转系统，调整激光器、起偏器和偏振分光棱镜在一条水平共轴光路中，调整第一全反射棱镜和第二全反射棱镜的俯仰角、方位角至两个棱镜两端齐平且处于同一竖直空间内，且两个棱镜的长边透明水平面平行；水平移动第一全反射棱镜，使得第一全反射棱镜的第一个棱角最高点和第二全反射棱镜的第二个棱角最低点的连线垂直于棱镜的长边透明水平面；接着调整激光正入射第二全反射棱镜的长边透明水平面，调整第一全反射棱镜的方位角和俯仰角，使得第一全反射棱镜最后一个反射面的出射光平行于第二全反射棱镜第一权反射面的入射光；接着在偏振分光棱镜下方加入法拉第旋光器；

将液晶光学相控阵两边玻璃基板外侧均匀涂上折射率匹配液，然后放入第一全反射棱镜和第二全反射棱镜中间，竖直方向移动第一全反射棱镜使得液晶光学相控阵紧贴两个棱镜的长边透明水平面，然后紫外灯光照固化；

放入全反射平面镜，紧贴液晶光学相控阵的下基板玻璃和第二全反射棱镜右侧面，并紫外灯光照固化；

步骤2、设置器件参数与工作波长：设置液晶器件阵列空间周期为d，工作波长为λ，法拉第旋光器介质厚度L与磁感强度分量B；

步骤3、设置法拉第旋光器偏振旋转角度：法拉第效应旋光角θ＝VBL，其中V为费尔德常数，根据设置特定参数计算一次单方向旋光角偏转为45°角；

步骤4、设置目标波束偏转角度、子孔径个数及子孔径阵列单元个数：设置目标波束偏转角度为θ

步骤5、计算回程目标角度光束对应子孔径的二维相位调制量：基于右手笛卡尔坐标系，在第n个子孔径区域近场二维空间坐标(x′，y′)处的相位为：

其中：

其中，k

入射光振幅为A，回程反射光经过2N个子孔径之后，第1个子孔径坐标(x′，y′)处的出射光近场E

其中，T

步骤6、加载相位调制信号：根据空间光调制器相位-电压映射表，分别找出近场坐标点(x′，y′)的A(x′，y′)和

本发明的有益效果是：

1、本发明的一种液晶相控阵回程光路的快速响应大角度光束偏转系统基于单个液晶光学相控空间光调制器，采用子孔径分区控制和分光旋光回程折返光路设计，实现激光近场的相位连续多次空间叠加。光路设计结构简单，可以实现基于单个空间光调制器的大角度、高偏转效率、快响应速度和低能量损耗的光束程控连续偏转。该方法适用于其他体制的激光空间光调制器、超表面调制器、波导调制器和微波相控阵的大角度光束偏转。

2、本发明支持当个器件相位调制深度极低或者不足2π的情况下，实现偏转角度连续可调和出射光进场相位2π置位。解决了同等厚度情况下低折射率差液晶材料不能作为相控阵材料的瓶颈问题。

3、本发明通过反射回程式光路设计，可以做到在子孔径器件尺寸长度缩倍的基础上实现同样次数的光束相位信息调制叠加，对于器件的加工制作和器件级联的要求更低，由于加工误差减小所带来的光束波前差也得到优化。

4、本发明通过分光和旋光设计，保证了反射回程光束能够在PBS处完全透射，极大降低了激光光束由于反射回程光路两次进入空间光调制器调制后的能量损耗，一定程度上缓解了在特定工作场景中激光器的高功率要求和系统隔离度要求。

5、本发明的系统调试步骤简洁，基于单个器件，保证了各个子孔径区域的一致性，极大程度地减小了普通级联结构的对齐要求和波前差异带来的畸变问题；基于空间光调制器，采用子孔径交变相位梯度的新型相位调制特殊算法，实现了单个液晶相控阵器件偏转角度范围成倍增加的能力，能够满足新体制激光雷达大视场、快速目标跟踪瞄准的需求，其大偏转角度和快速响应能力为自由空间激光通信组网的实现提供了理论可行性支撑和技术保障。

附图说明

图1为本发明的液晶相控阵回程光路的快速响应大角度光束偏转系统结构示意图；

图2为本发明的全反射棱镜结构示意图；

图3为本实施例液晶相控阵(OPA)子孔径分区结构与近场分布图；

图4为本发明的液晶相控阵大角度光束偏转方法的流程图；

附图标记说明：

1：激光器；2：起偏器；3：偏振分光棱镜；4：法拉第旋光器；5：第一全反射棱镜；5-1：第一全反射棱镜第一全反射面；5-8：第一全反射棱镜第八全反射面；5-9：第一全反射棱镜长边透明水平面；6：液晶光学相控阵；7：第二全反射棱镜；7-1：第二全反射棱镜第一全反射面；7-2：第二全反射棱镜第二全反射面；7-9：第二全反射棱镜长边透明水平面；8：全反射平面镜。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明的液晶相控阵回程光路快速响应大角度光束偏转系统，包括激光器1、起偏器2、偏振分光棱镜(PBS)3、法拉第旋光器4、第一全反射棱镜5、液晶光学相控阵(OPA)6、第二全反射棱镜7和全反射平面镜8；

偏振分光棱镜3与激光器1和起偏器2的光路水平共轴，偏振分光棱镜3以垂直方向为轴逆时针旋转45°；法拉第旋光器4位于偏振分光棱镜3下方，旋转S光的偏振方向位于紧接偏振分光棱镜3之后的垂直光路中；

如图2所示，第一全反射棱镜5和第二全反射棱镜7结构相同，均包括一个长边透明水平面和多个全反射面，多个全反射面呈锯齿分布，第一全反射棱镜5和第二全反射棱镜7的长边透明水平面5-9(CD面)和7-9(EF面)平行紧贴液晶光学相控阵6的上下两侧；第一全反射棱镜5和第二全反射棱镜7横向错位空间排布，第一全反射棱镜5和第二全反射棱镜7错位一个全反射面，第一全反射棱镜5的第i个棱角最高点和第二全反射棱镜7的第i+1个棱角最低点的连线垂直于两个棱镜的长边透明水平面；如图1和图2所示，第一全反射棱镜5的第一个棱角最高点A与第二全反射镜7的第二个棱角最低点B的连线AB垂直于两个棱镜的长边透明水平面；依次类推，第一全反射棱镜5的第二个棱角最高点与第二全反射镜7的第三个棱角最低点的连线垂直于两个棱镜的长边透明水平面……

全反射平面镜8作为出射光的全反射面，紧贴液晶光学相控阵6的下侧和第二全反射棱镜7的右侧；

所述液晶光学相控阵6空间上分为多个子孔径工作区域，每个子孔径对应一个或者一对平行反射面，相邻子孔径的电控相位分布单调性关于中心线互为镜像；

激光器1的出射光束依次经过起偏器2、偏振分光棱镜3、法拉第旋光器4、液晶光学相控阵6后进入第二全反射棱镜7，在第二全反射棱镜7、液晶光学相控阵6和第一全反射棱镜5之间经过多次折返之后从第一全反射棱镜5的最后一个反射面出射，出射光束透过液晶光学相控阵6进入全反射平面镜8，经全反射平面镜8反射以及液晶光学相控阵6透射后回到第一全反射棱镜5，然后光束沿着进入射时的光路返回，最后通过偏振分光棱镜3出射。

所述偏振分光棱镜3放置于真空电控旋转平台上，以垂直方向为轴逆时针旋转45°，从起偏器2出来的S光经偏振分光棱镜3调整后，在S光全反射及光束能量几乎不损失的基础上，出射光偏振方向与水平方向成45°角；而在回程光路中，回程光束经法拉第旋光器4后偏振方向与水平成-45°，在经过偏振分光棱镜3后以P光透射出去，其能量几乎不损耗。另外，偏振分光棱镜的工作效果与波长的选择有关，且若对于偏振纯度要求很高，可使用格兰汤普森棱镜。

所述的法拉第旋光器4利用法拉第旋光效应，将偏振分光棱镜3出射的S光的偏振方向定向偏转45°角，从原先与水平成45°角的偏振方向旋转至水平方向，并且与液晶指向矢及液晶光轴方向平行；而在回程光路中，偏振方向为水平方向的回程光再次经过法拉第旋光器4偏转后，光偏振方向变为与水平方向成-45°角并入射至偏振分光棱镜3。

第一全反射棱镜5和第二全反射棱镜7的反射面作用为提供光束反射作用，其反射面采用金属镀膜或者介质镀膜以增强反射率。本实施例中反射面夹角为90°示范用例，但不局限于90°。棱镜形式不局限于反射角锥棱镜、道威棱镜一体成型、全金属反射镜一体成型或分立元器件胶粘结构等。第一全反射棱镜和第二全反射棱镜相邻反射面的大小和空间周期不局限于相等、不等、稀疏和离散等多种组合。所述第一全反射棱镜5和第二全反射棱镜7形式并不局限于一维棱镜形式或者一维反射面，包括反射弧面，三面角锥和圆弧角锥等多种形式，多维度的反射面。只要能够实现光路反射效果的结构均可。

第一全反射棱镜5和第二全反射棱镜7的反射面单元数8为案例示范，并不局限于反射面单元个数或分立棱镜数。如图1所示，从法拉第旋光器4出射的光束进入第二全反射棱镜7后，首先达到第二全反射棱镜第一全反射面7-1，第二全反射棱镜第一全反射面7-1对光束进行全反射后出射到第二全反射棱镜第二全反射面7-2，由第二全反射棱镜第二全反射面7-2反射后进入液晶光学相控阵6，光束透过液晶光学相控阵6后出射到第一全反射棱镜第一全反射面5-1，第一全反射棱镜第一全反射面5-1反射后出射到第一全反射棱镜第二全反射面5-2，第一全反射棱镜第二全反射面5-2对光束进行反射后再次出射到液晶光学相控阵6上，光束透过液晶光学相控阵6进入第二全反射棱镜第三全反射面7-3，光束依次经过第二全反射棱镜第四全反射面7-4、第一全反射棱镜第三全反射面4-3、第一全反射棱镜第四全反射面4-4、第二全反射棱镜第五全反射面7-5、第二全反射棱镜第六全反射面7-6、第一全反射棱镜第五全反射面5-5、第一全反射棱镜第六全反射面5-6、第二全反射棱镜第七全反射面7-7、第二全反射棱镜第八全反射面7-8、第一全反射棱镜第七全反射面5-7、第一全反射棱镜第八全反射面5-8反射，最后从第一全反射棱镜第八全反射面5-8出射，透过液晶光学相控阵6进入全反射平面镜8。经过全反射平面镜8反射并通过液晶光学相控阵6回到第一全反射棱镜第八全反射面5-8，然后沿入射光路返回。

由于本实施例中两个反射棱镜的全反射面为均匀分布的对称结构，所以液晶相控阵(OPA)的子孔径大小相同，如图3所示，子孔径均匀分布在液晶相控阵上，表示为6-1～6-9。

本发明的液晶相控阵回程光路快速响应大角度光束偏转方法，采用上述光束偏转系统实现，具体流程如图4所示，具体步骤如下：

步骤1、搭建光束偏转系统并进行校正：按照光路搭建回程光路的快速响应大角度光束偏转系统，调整激光器1、起偏器2和偏振分光棱镜3在一条水平共轴光路中，调整第一全反射棱镜5和第二全反射棱镜7的俯仰角、方位角至两个棱镜两端齐平且处于同一竖直空间内(即从图1中来看，两个棱镜的前后分别对齐)，且两个棱镜的长边透明水平面平行；水平移动第一全反射棱镜5，使得第一全反射棱镜5的第一个棱角最高点和第二全反射棱镜7的第二个棱角最低点的连线垂直于棱镜的长边透明水平面；接着调整激光正入射第二全反射棱镜7的长边透明水平面，调整第一全反射棱镜5的方位角和俯仰角，使得第一全反射棱镜5最后一个反射面的出射光平行于第二全反射棱镜第一权反射面的入射光；接着在偏振分光棱镜3下方加入法拉第旋光器4；

将液晶光学相控阵6两边玻璃基板外侧均匀涂上折射率匹配液，然后放入第一全反射棱镜5和第二全反射棱镜7中间，竖直方向移动第一全反射棱镜5使得液晶光学相控阵6紧贴两个棱镜的长边透明水平面，然后紫外灯光照固化；

放入全反射平面镜8，紧贴液晶光学相控阵6的下基板玻璃和第二全反射棱镜7右侧面，并紫外灯光照固化；

步骤2、设置器件参数与工作波长：设置液晶器件阵列空间周期为d，工作波长为λ，法拉第旋光器介质厚度L与磁感强度分量B；

步骤3、设置法拉第旋光器偏振旋转角度：法拉第效应旋光角θ＝VBL，其中V为费尔德(Verdet)常数，根据设置特定参数计算一次单方向旋光角偏转为45°角；

步骤4、设置目标波束偏转角度、子孔径个数及子孔径阵列单元个数：设置目标波束偏转角度为θ

本实施例搭建的系统参数如表1所示。

表1

系统搭建完成后给液晶相控阵空间光调制器加载特定的调制信息，观察出射光的光场分布特征。初始状态下，液晶相控阵只存在初始的微小的锚定角度幅度，由于锚定角度一致，其出射光的传播方向与入射光同相并平行，此时系统校准完成，锁定系统的空间位置和状态，记录出射光位置并标记为远场中心0点；

步骤5、计算回程目标角度光束对应子孔径的二维相位调制量：基于右手笛卡尔坐标系，在第n个子孔径区域近场二维空间坐标(x′，y′)处的相位为：

其中：

其中，k

入射光振幅为A，回程反射光经过2N个子孔径之后，第1个子孔径坐标(x′，y′)处的出射光近场E

其中，T

步骤6、加载相位调制信号：根据空间光调制器相位-电压映射表，分别找出近场坐标点(x′，y′)的A(x′，y′)和

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。