[发明专利]一种基于光学相控阵等光强多激光束的高精度控制方法

说明书

技术领域

本发明属于衍射光学技术领域，主要涉及一种变换与控制激光束的方法，该方法利用光学相控阵将一激光束转换成多个等光强分布的光束，且能高精度独立控制其指向。

背景技术

将一激光束灵活变换成多个不同方向、且能高精度控制其指向的技术在航空航天、通信、生物和军事领域有着广泛的应用前景。目前通过光学相控阵将一激光束变换成多个光束的方法主要有达曼光栅法、部分口径法和相位恢复方法。

其中由光学相控阵形成的达曼光栅只能产生以固定阵列形式分布的等光强多光束，而阵列内的各光束不能独立控制，即阵列结构难以改变，灵活性欠佳。部分口径法是指将一个相控阵分为多个子阵列，每个子阵列分别控制光束，这种方法易实现对各光束独立控制，但因子阵口径变小，导致光束束宽加宽。相位恢复方法是用迭代算法计算相控阵出射波前所需要的相位分布，由相控阵阵列内所有单元的相位分布共同决定出射光束的数量与能量分布。由于它是一种整体逼近优化算法，很难精确控制光束指向。

目前还没有一种能在光束束宽最小的前提下，将一激光束转换成多个激光束、且同时对各光束高精度独立控制的方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种利用光学相控阵将一激光束转换成多个不同指向激光束的方法，且具有高指向精度、等光强、小束宽、独立可控的特点。本发明是通过在光学相控阵上形成复合型光栅来实现的。

本发明提出的一维复合型光栅由Ronchi光栅、锯齿形多阶相位光栅和多阶相位斜坡复合而成，它的透过率函数可表示为：

t(x)＝t_R(x)exp(iφ₁)exp(iφ₂)(1)

式中，t_R(x)表示的是Ronchi光栅，exp(iφ₁)表示的是锯齿形多阶相位光栅，exp(iφ₂)表示的是多阶相位斜坡。它们的分布如图1所示，Ronchi光栅和锯齿形多阶相位光栅具有相同的光栅常数d，锯齿形多阶相位光栅的锯齿深度所对应的相位差为φ_h，多阶相位斜坡在每一个光栅常数d内所增加的相位差为θ。光栅的相位被量化成台阶状，每个台阶的高度是相等的，在一个光栅常数d内有2L个台阶。一维复合型光栅的透过率函数也可表示为：

式中，k表示的是多阶相位斜坡的斜率

当一激光束正入射到一维复合型光栅时，在远场的复振幅分布可表示为：

T(ξ)=12sinc(kd4πL)exp(-ikd4L)]]>

上式中所包含的因子表示只有在处(其中n∈N)，才有能量分布，即将光栅的衍射n级在空间频率平面上偏转一维复合型光栅在处的光强可表示为：

由公式4可知，有效工作范围为即衍射级对于两相邻衍射级，如i级和i+1级(其中i∈N且i∈[-L，L))。它们的光强比在φ_h∈(2iπ，2(i+1)π)范围内是单调增函数，

其中i∈(0，L]；光强比在φ_h∈(-2(i+1)π，-2iπ)范围内是单调减函数，其中i∈(0，L]。故通过微调锯齿形多阶相位光栅的锯齿深度所对应的相位差φ_h，可将两束光束的光强比调至相等。要令两相邻衍射级i级和i+1级的光强相等且为最大，只需调节相位差φ_h，使其满足下式