一种单波长二维大角度光束扫描光学系统和控制方法

技术领域

本发明涉及激光通信技术领域，具体涉及一种单波长二维大角度光束扫描光学系统和控制方法。

背景技术

激光通信相比于传统的微波通信，具有带宽高、束散角小、抗电磁干扰等特点，由于激光通信具有更高的传输速率，更好的通信保密性等优势。因此激光通信被广泛的应用于通信领域中。

具体地，现有的空间激光通信传输距离远、通信速率高，已应用于星-间、星-地等大容量通信链路中。传统的空间激光通信系统为了实现远距离大容量数据传输，需设计大口径光学系统压窄激光束散角至近衍射极限，使用机械转台、跟踪振镜进行精密对准，导致激光通信系统体积大、线性扫描范围受限。为了克服上述缺陷后续采用光波导相控阵天线，可大幅度减小系统重量尺寸和功耗，同时可进行大角度光束扫描，对未来小卫星激光通信载荷轻小型化的发展极具吸引力，但是受限于工艺条件，光学相控阵天线大都为一维光束扫描，二维扫描需结合波长调节等方式。而星间大容量激光通信多采用相干通信体制，对激光波长有严格要求，因此单波长二维相控阵天线是激光通信的关键需求。

上述问题是目前亟待解决的。

发明内容

本发明要克服现有技术的上述至少一个缺点，一方面，提供了一种单波长二维大角度光束扫描光学系统，所述系统包括：稳频激光器、偏振控制器、光波导相控阵、偏振方向控制器、半透半反镜、液晶相控阵、液晶延迟器、偏振光栅和计算机；所述稳频激光器通过光纤连接所述偏振控制器，用于将发射出的单波长激光通过光纤传输至所述偏振控制器；所述偏振控制器用于控制激光的偏振态；所述光波导相控阵用于将经由所述偏振控制器控制后的激光发射至空间中，并基于所述计算机的控制进行一维光束扫描；所述偏振方向控制器用于改变发射至空间中的激光的偏振方向使其与所述液晶相控阵的入射光偏振态需求相匹配；所述半透半反镜用于将偏振方向控制器发射的激光透射至液晶相控阵中；所述液晶相控阵用于基于所述计算机的控制进行二维光束扫描，所述光束经由半透半反镜耦合至液晶延迟器；所述液晶延迟器用于基于所述计算机的控制动态调控耦合至液晶延迟器的激光的偏振态；所述液晶延迟器出射的光束耦合至偏振光栅，所述偏振光栅用于对所述光束进行衍射，扩大光束扫描角度。

可选的，所述偏振方向控制器包括偏振片和半波片；所述偏振片一侧与所述光波导相控阵相连，另一侧连接所述半波片；所述半波片另一侧连接于所述半透半反镜；所述偏振片用于接收所述光波导相控阵发射的激光，并控制接收到的激光为线偏振光；所述半波片用于改变所述线偏振光的方向使其与所述液晶相控阵的入射光偏振态需求相匹配。

可选的，所述液晶相控阵的阵元与所述光波导相控阵的阵元方向相垂直。

可选的，所述系统还包括波控器，所述波控器一端连接至所述计算机，另一端连接至所述液晶相控阵；所述计算机控制所述波控器驱动所述液晶相控阵，控制光束进行二维光束扫描。

可选的，所述系统还包括λ/4波片，所述λ/4波片的一端连接至半透半反镜，另一端连接至液晶延迟器；所述λ/4波片用于将接收到的线偏振光转变为圆偏振光。

可选的，所述λ/4波片快轴与线偏振光方向夹角为45°。

可选的，所述系统还包括电压控制器，所述电压控制器的一端连接于所述计算机，另一端连接于所述液晶延迟器；所述计算机控制所述电压控制器驱动液晶延迟器动态调控激光的偏振态。

可选的，所述计算机控制所述电压控制器驱动液晶延迟器，使激光的偏振态实现从左旋圆偏振光到右旋圆偏振光的切换。

可选的，所述偏振光用于对所述光束进行±1级衍射，其中，所述偏振光栅±1级衍射角度与所述液晶相控阵的光束控制角度范围一致。

另一方面，本发明还提供了一种单波长二维大角度光束扫描控制方法，所述方法包括：稳频激光器通过光纤连接所述偏振控制器，将发射出的单波长激光通过光纤传输至所述偏振控制器；基于偏振控制器控制激光的偏振态；基于光波导相控阵将经由所述偏振控制器控制后的激光发射至空间中，并基于计算机的控制对所述激光进行一维光束扫描；基于偏振方向控制器改变发射至空间中的激光的偏振方向使其与液晶相控阵的入射光偏振态需求相匹配；基于半透半反镜将偏振方向控制器发射的激光透射至液晶相控阵中；液晶相控阵基于所述计算机的控制对所述激光进行二维光束扫描，所述光束经由半透半反镜耦合至液晶延迟器；液晶延迟器基于所述计算机的控制动态调控耦合至液晶延迟器的激光的偏振态；液晶延迟器出射的光束耦合至偏振光栅，所述偏振光栅对所述光束进行衍射，扩大光束扫描角度。

又一方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有一个或一个以上的指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行上述的单波长二维大角度光束扫描控制方法。

再一方面，本发明提供了一种电子设备，包括：存储器和处理器；所述存储器中存储有至少一条程序指令；所述处理器通过加载并执行所述至少一条程序指令以实现上述的单波长二维大角度光束扫描控制方法。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种单波长二维大角度光束扫描光学系统，所述系统包括：稳频激光器、偏振控制器、光波导相控阵、偏振方向控制器、半透半反镜、液晶相控阵、液晶延迟器、偏振光栅和计算机；所述稳频激光器通过光纤连接所述偏振控制器，用于将发射出的单波长激光通过光纤传输至所述偏振控制器；所述偏振控制器用于控制激光的偏振态；所述光波导相控阵用于将经由所述偏振控制器控制后的激光发射至空间中，并基于所述计算机的控制进行一维光束扫描；所述偏振方向控制器用于改变发射至空间中的激光的偏振方向使其与所述液晶相控阵的入射光偏振态需求相匹配；所述半透半反镜用于将偏振方向控制器发射的激光透射至液晶相控阵中；所述液晶相控阵用于基于所述计算机的控制进行二维光束扫描，所述光束经由半透半反镜耦合至液晶延迟器；所述液晶延迟器用于基于所述计算机的控制动态调控耦合至液晶延迟器的激光的偏振态；所述液晶延迟器出射的光束耦合至偏振光栅，所述偏振光栅用于对所述光束进行衍射，扩大光束扫描角度。可实现单波长光束二维大角度连续偏转，极大减小了远距离空间激光通信伺服系统体积、重量及功耗，克服了反射式液晶相控阵入射光束与出射光束难以分开的难题，提高了空间激光通信系统终端的集成度，可广泛应用于星-间、星-地等远距离大容量空间激光通信链路中，为下一代星载小型化激光通信终端提供基础。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例所提供的一种单波长二维大角度光束扫描光学系统结构图。

图2是本发明实施例所提供的一种单波长二维大角度光束扫描控制方法流程图。

图3是本发明实施例所提供的电子设备的部分框图。

附图标记如下：

稳频激光器-1；

偏振控制器-2；

光波导相控阵-3；

偏振方向控制器-4；

半透半反镜-5；

液晶相控阵-6；

液晶延迟器-7；

偏振光栅-8；

计算机-9；

波控器-10；

电压控制器-11；

λ/4波片-12；

偏振片-401；

半波片-402。

具体实施方式

在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各项操作描述成顺序的处理，但是其中的许多操作可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各项操作的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。

应当理解的是，虽然在这里可能使用了术语“第一”、“第二”等等来描述各个单元，但是这些单元不应当受这些术语限制。使用这些术语仅仅是为了将一个单元与另一个单元进行区分。举例来说，在不背离示例性实施例的范围的情况下，第一单元可以被称为第二单元，并且类似地第二单元可以被称为第一单元。这里所使用的术语“和/或”包括其中一个或更多所列出的相关联项目的任意和所有组合。

现在结合附图对本发明作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

实施例1

请参阅图1，本发明实施例所提供的一种单波长二维大角度光束扫描光学系统，所述系统包括：稳频激光器1、偏振控制器2、光波导相控阵3、偏振方向控制器4、半透半反镜5、液晶相控阵6、液晶延迟器7、偏振光栅8和计算机9。

为了便于后续理解，在此处阐述本发明的整体发明构思：

稳频光源经过偏振控制器后控制激光偏振态，耦合进光波导相控阵天线通过计算机控制进行一维光束控制，随后通过偏振片和半波片将椭圆偏振光转换成满足液晶相控阵入射条件的线偏振光，液晶相控阵由计算机控制进行二维光束控制，反射后再次经过半透半反镜传输至λ/4波片将线偏振光转换成圆偏振光后到达液晶延迟器，液晶延迟器由计算机控制改变光束的波前相位满足偏振光栅的入射条件后，由偏振光栅增加光束扫描角度后发射。

具体实施例如下：

作为示例，所述稳频激光器1通过光纤连接所述偏振控制器2，用于将发射出的单波长激光通过光纤传输至所述偏振控制器2，使线偏振光方向与光波导相控阵3相匹配后耦合至光波导相控阵3发射到空间中。其中，光波导相控阵工作波段为1550nm、阵元通道数为128。所述偏振控制器2用于控制激光的偏振态。

作为示例，所述光波导相控阵3用于将经由所述偏振控制器2控制后的激光发射至空间中，并基于所述计算机9的控制进行一维光束扫描。所述偏振方向控制器4用于改变发射至空间中的激光的偏振方向使其与所述液晶相控阵6的入射光偏振态需求相匹配。

可选的，所述偏振方向控制器4包括偏振片401和半波片402；所述偏振片401一侧与所述光波导相控阵3相连，另一侧连接所述半波片402；所述半波片402另一侧连接于所述半透半反镜5；所述偏振片401用于接收所述光波导相控阵3发射的激光，并控制接收到的激光为线偏振光；所述半波片402用于改变所述线偏振光的方向使其与所述液晶相控阵6的入射光偏振态需求相匹配。具体地，计算机9控制光波导相控阵3进行一维光束扫描，传输至偏振片401使光束为线偏振光，再经由半波片402改变线偏振光的方向使其与液晶相控阵6的入射光偏振态需求相匹配。

作为示例，所述半透半反镜5用于将偏振方向控制器4发射的激光透射至液晶相控阵6中，所述液晶相控阵6用于基于所述计算机9的控制进行二维光束扫描，所述光束经由半透半反镜5耦合至液晶延迟器7。

可选的，半波片402出射的线偏振光通过半透半反镜5透射至液晶相控阵6，计算机9控制液晶相控阵6实现光束的二维光束扫描，液晶相控阵6阵元与光波导相控阵3阵元方向垂直。其中，半透半反镜5一面镀有1550nm增透膜，另一面镀1550nm增反膜，液晶相控阵6为反射式、工作波段为1550nm、阵元间隔为7μm。

可选的，所述系统还包括波控器10，所述波控器10一端连接至所述计算机9，另一端连接至所述液晶相控阵6，所述计算机9控制所述波控器10驱动所述液晶相控阵6，控制光束进行二维光束扫描。其中，波控器采用多通道数模转换器，通道数与液晶相控阵阵元数对应。

作为示例，所述液晶延迟器7用于基于所述计算机9的控制动态调控耦合至液晶延迟器7的激光的偏振态。

可选的，所述系统还包括λ/4波片12，所述λ/4波片12的一端连接至半透半反镜5，另一端连接至液晶延迟器7；所述λ/4波片12用于将接收到的线偏振光转变为圆偏振光。具体地，液晶相控阵6发射的光束再次经过半透半反镜5，反射至λ/4波片12将线偏振光转换为圆偏振光，λ/4波片12快轴与液晶相控阵反射的线偏振光方向夹角为45°。

可选的，所述系统还包括电压控制器11，所述电压控制器11的一端连接于所述计算机9，另一端连接于所述液晶延迟器7；所述计算机9控制所述电压控制器11驱动液晶延迟器7动态调控激光的偏振态。其中，电压控制器11选用输出电压±10V、输出电流15mA、基频2kHz的电压控制器。液晶延迟器7选用镀有C波段增透膜、延迟量50nm～λ/2。也即，所述计算机9控制所述电压控制器11驱动液晶延迟器7，使激光的偏振态实现从左旋圆偏振光到右旋圆偏振光的切换。也即，经过λ/4波片12的圆偏振光传输至液晶延迟器7，计算机9控制电压控制器11驱动液晶延迟器7，对光束偏振态进行动态切换，电压控制器的相位延迟量在0和λ/2之间切换。

作为示例，所述液晶延迟器7出射的光束耦合至偏振光栅8，所述偏振光栅8用于对所述光束进行衍射，扩大光束扫描角度。

可选的，所述偏振光8用于对所述光束进行±1级衍射，其中，所述偏振光栅8±1级衍射角度与所述液晶相控阵6的光束控制角度范围一致。具体地，液晶延迟器7透射的光束传输至偏振光栅8，偏振光栅8对入射光在±1级衍射之间切换，实现光束扫描范围扩束。通过以上步骤可实现单波长光束120°×16°范围内光束连续偏转扫描。

基于上述，本申请中的不同元件在单波长二维大角度光束扫描的过程中的状态如下表1所示：

表1：

也即，在液晶相控阵为-4°时，对应的λ/4波片处于左旋圆偏振状态，对应的液晶延迟器处于饱和状态，与此同时偏振光栅的出射角为-8°右。同理，在液晶相控阵为0°时，对应的λ/4波片处于左旋圆偏振状态，对应的液晶延迟器处于饱和状态，与此同时偏振光栅的出射角为-4°右。

通过本申请上述实施例所述可知，本申请所述的技术方案可以极大减小了远距离空间激光通信伺服系统体积、重量及功耗，克服了反射式液晶相控阵入射光束与出射光束难以分开的难题，提高了空间激光通信系统终端的集成度，可广泛应用于星-间、星-地等远距离大容量空间激光通信链路中，为下一代星载小型化激光通信终端提供基础。

实施例2

请参阅图2，本实施例提供了一种单波长二维大角度光束扫描控制方法流程图，所述方法包括：

S210：稳频激光器1通过光纤连接所述偏振控制器2，将发射出的单波长激光通过光纤传输至所述偏振控制器2。

S220：基于偏振控制器2控制激光的偏振态。

S230：基于光波导相控阵3将经由所述偏振控制器2控制后的激光发射至空间中，并基于计算机9的控制对所述激光进行一维光束扫描。

S240：基于偏振方向控制器4改变发射至空间中的激光的偏振方向使其与液晶相控阵6的入射光偏振态需求相匹配。

S250：基于半透半反镜5将偏振方向控制器4发射的激光透射至液晶相控阵6中。

S260：液晶相控阵6基于所述计算机9的控制对所述激光进行二维光束扫描，所述光束经由半透半反镜5耦合至液晶延迟器7。

S270：液晶延迟器7基于所述计算机9的控制动态调控耦合至液晶延迟器7的激光的偏振态。

S280：液晶延迟器7出射的光束耦合至偏振光栅8，所述偏振光栅8对所述光束进行衍射，扩大光束扫描角度。

实施例3

本发明实施例还提出一种存储介质，所述存储介质上存储有单波长二维大角度光束扫描控制方法，所述单波长二维大角度光束扫描控制程序被处理器执行时实现如上文所述的单波长二维大角度光束扫描控制的步骤。由于本存储介质采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

实施例4

请参阅图3，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括：存储器和处理器；所述存储器中存储有至少一条程序指令；所述处理器通过加载并执行所述至少一条程序指令以实现实施例2所提供的单波长二维大角度光束扫描控制方法。

存储器302和处理器301采用总线方式连接，总线可以包括任意数量的互联的总线和桥，总线将一个或多个处理器301和存储器302的各种电路连接在一起。总线还可以将诸如外围设备、稳压器和功率管理电路等之类的各种其他电路连接在一起，这些都是本领域所公知的，因此，本文不再对其进行进一步描述。总线接口在总线和收发机之间提供接口。收发机可以是一个元件，也可以是多个元件，比如多个接收器和发送器，提供用于在传输介质上与各种其他装置通信的单元。经处理器301处理的数据通过天线在无线介质上进行传输，进一步，天线还接收数据并将数据传送给处理器301。

处理器301负责管理总线和通常的处理，还可以提供各种功能，包括定时，外围接口，电压调节、电源管理以及其他控制功能。而存储器302可以被用于存储处理器301在执行操作时所使用的数据。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。