基于光波导阵列电光扫描器端面的扫描光束边瓣压缩方法技术

本发明专利技术公开了一种基于光波导阵列电光扫描器端面的扫描光束边瓣压缩方法。主要解决现有光波导阵列电光扫描器扫描光束边瓣压缩方法加工工艺过于复杂的问题。其压缩过程为：1)设置光波导电光扫描器的参数，将端面设置为抛物面，利用端面破坏各阵元在边瓣方向上光束的相干性；2)计算各个光波导阵元到远场的空间距离；3)计算各个光波导阵元的空间相位延迟，根据空间相位延迟设置各个光波导阵元在一定扫描角度时的附加相位，以补偿各阵元在扫描主瓣方向上的相位，保证扫描主瓣不被削弱而压缩扫描光束边瓣；4)计算远场的光强分布。本发明专利技术加工工艺简单，能够有效压缩扫描光束边瓣，提高扫描光束质量，可用于激光雷达、激光制导及激光显示。

【技术实现步骤摘要】
基于光波导阵列电光扫描器端面的扫描光束边瓣压缩方法
本专利技术涉及激光
，具体地说是一种光扫描的光束边瓣压缩方法，可用于激光雷达、激光制导及激光显示。
技术介绍
随着激光雷达、激光制导、激光显示技术的发展，对激光扫描的特性提出了更高的要求，实现激光扫描的技术方案有很多种，如光机扫描、电光扫描、声光扫描、光学相控阵技术等。光机扫描在诸如红外成像等许多系统中已被广泛采用，特别是近年来发展起来的微电子机械扫描技术，使这种技术得到更广泛的应用。光机扫描的优点是扫描范围大、光损耗小，但因其存在惯性器件，结构复杂精密，造价昂贵，扫描速度慢，且线性扫描范围有限，因而其应用受到性能和造价的限制。电光、声光扫描是利用电光、声光效应改变光束在空间传播方向。这两种扫描的优点是扫描寻址速度快、可控性好，但是传统的电光、声光扫描由于控制电压高、扫描范围小、光损耗大、直接影响了它们的实际应用。近年来，光学相控阵技术逐渐成为国际上研究光束扫描的热点。光束控制的基本结构是由若干个阵元构成，通过控制入射到每个阵元中的光的相位延迟，使光束进行空间扫描。光学相控阵具有结构简单，重量轻、精确稳定、方向可控的优点，可通过程序控制实现多光束光同时扫描，且具有动态的聚焦和散焦能力，克服了机械扫描的局限性。多年来，众多的研究人员对其进行了研究。其中，1995年Thomas等人在“Programmablediffractiveopticalelementusingamultichannellanthanum-modifiedleadzirconatetitanatephasemodulator”(Opt.Lett.，20，1995，1510-1512)中提出的基于铅镧锆钛烧结体PLZT的光学相控阵设计和1996年McManamon等人在“OpticalPhasedArrayTechnology”(Proc.IEEE，84,1996,268～298)中提出的基于向列相液晶的紧凑、高分辨率光学相控阵，代表了目前两个重要的研究方向。这两种光学相控阵具有较大的数值孔径，但是由于向列相液晶的响应速度慢，只有ms量级，因而在高速扫描的应用中难以很好的发挥作用；而PLZT因其调制电压较高，驱动电源较复杂，使应用范围也受到了一定的限制。Hobbs等人在“LaserElectro-OpticPhasedArrayDevices(LEOSPARD)”(IEEELaserandElectro-OpticsSocietyConf.Proc.，1989，94～95)中提出了一种光波导阵列电光相控光束扫描的概念。其中，图1所示的光波导阵列电光扫描器，代表了可实用化光学相控阵的另一个重要的发展方向，受到了人们的关注，并进行了广泛的研究。在光波导阵列电光扫描器端面平整的条件下，石顺祥等人采用“一种新型的光波导阵列电光快速扫描器”(光学学报，2002，1318-1322)中的衍射理论研究了光波导阵列电光扫描器的扫描特性，研究结果表明光波导阵列电光扫描器空间场分布除了用于扫描的主瓣外，还有一些影响扫描特性的边瓣。例如图5为在端面平整条件下，光波导芯层厚度为0.5μm，包层厚度为1.5μm，入射光波长为980nm时，30层光波导阵列电光扫描器的远场光束辐射特性，其中图5(a)是未进行扫描即扫描角度为0°时的主瓣和边瓣强度及分布，图(5b)为扫描角度为10°时的主瓣和边瓣强度及分布，图5中所示的这种边瓣对扫描特性影响更大，必须对边瓣进行压缩。对于端面平整条件下的边瓣压缩，已经有人对其进行了专门的讨论，如：相控阵光学装置及方法，中国专利，专利号：ZL97119771.7。该专利在端面平整条件下，采用设置电光扫描器阵元间距不规则分布的方法研究了光学相控阵的边瓣压缩，但是在实际应用中，光波导阵列电光扫描器的阵元间距是通过改变光波导包层厚度来控制的，上述方法会造成阵元间距设计较大，且间距设计不相等，对光波导的加工造成极大的困难。因此对于光波导阵列电光扫描器来说，通过设置电光扫描器阵元间距的不规则分布来压缩边瓣并不具有实际的可行性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述已有技术进行光波导加工困难的不足，提供一种基于光波导阵列电光扫描器端面的扫描光束边瓣压缩方法，通过设计光波导阵列电光扫描器的端面形状，利用电光效应补偿光波导阵元的空间相位延迟，以实现对光波导阵列电光扫描器扫描光束的边瓣压缩，解决因扫描光束边瓣较大，影响扫描光束质量和实际应用中探测精度的问题。本专利技术的技术方案是：利用光波导阵列电光扫描器的端面形状破坏各个阵元的出射光束在边瓣所在方向上的相干性，而在扫描主瓣方向上通过电光效应补偿各个光波导阵元的空间相位延迟，从而保证在主瓣强度不被削弱的情况下实现对边瓣的压缩。其技术步骤包括如下：(1)根据光波导材料和金属有机氧化物化学气相沉积技术的要求，分别设置光波导阵列电光扫描器的波导阵元数N，入射光波长λ，每个光波导的芯层厚度w、长度li，及每个光波导的包层厚度v、长度li’，其中li和li’的取值通过端面函数d(xi)＝d0[i2-(N-1)i]来确定，它描述了端面的形状为抛物面，d0为端面参数，其取值根据对扫描光束边瓣的压缩要求确定；(2)根据曲面阵列空间衍射几何模型，对于光波导阵列端面为一曲面时，计算各个阵元对远场一点的空间距离：ri＝r0-iΔxsinθ-d(xi)cosθ，式中r0为第0层光波导相对远场一点的距离，Δx＝w+v，i为阵元序号，i＝0，1，2，…，N-1，θ为远场一点的空间辐射角；(3)根据各个阵元对于远场一点的空间距离ri，计算各个阵元对远场一点的空间相位延迟：相应的设置每个阵元由电光效应提供的附加相位：通过补偿空间相位延迟ψi，在保证各阵元在扫描主瓣方向上相干性的条件下压缩远场扫描光束边瓣，式中m＝0，±1，±2，…，θs为所要扫描的角度；(4)根据光场衍射叠加理论，利用空间相位延迟ψi和电光效应提供的附加相位计算出光束通过曲面阵列的远场光强分布：式中C为常系数，α＝πwsinθ/λ。本专利技术由于只对光波导阵列电光扫描器的端面形状进行设计加工，避免了其他边瓣压缩方法对光波导阵列过于复杂的加工工艺；同时由于通过电光效应补偿光波导阵元的空间相位延迟，不仅保证了在扫描角度θs上扫描光束主瓣光强不被削弱，而且破坏了各个光波导阵元在边瓣方向上光电场的相干性，有效压缩了扫描光束的边瓣，此外由于压缩了扫描光束的边瓣，极大地提高了扫描光束的质量。附图说明图1是N个阵元组成的非平整端面光波导阵列的空间衍射几何模型图；图2是相邻光波导阵元的空间衍射几何关系图；图3是本专利技术的扫描光束边瓣压缩过程图；图4是本专利技术中的光波导阵列电光扫描器示意图；图5是30层平整端面光波导阵列电光扫描器在扫描角度为0°和10°时的远场光强分布图；图6是30层端面参数d0＝0.05μm的抛物端面光波导阵列电光扫描器在不同扫描角度时的远场光强分布图；图7是30层端面参数d0＝0.1μm的抛物端面光波导阵列电光扫描器在不同扫描角度时的远场光强分布图。具体实施方式一.技术原理对于端面不平整的光波导阵列，其空间衍射几何模型如图1所示，其由N个阵元组成的输出面为一任意非平整面，引入端面函数d(xi)，定义为以x轴为基本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光波导阵列电光扫描器端面的扫描光束边瓣压缩方法，包括如下步骤：1)根据光波导材料和金属有机氧化物化学气相沉积技术的要求，分别设置光波导阵列电光扫描器的波导阵元数N，入射光波长λ，每个光波导的芯层厚度w、长度li，及每个光波导的包层厚度v、长度li’，其中li和li’的取值通过端面函数d(xi)＝d0[i2‑(N‑1)i]来确定，它描述了端面的形状为抛物面，d0为端面参数，其取值根据对扫描光束边瓣的压缩要求确定；(2)根据曲面阵列空间衍射几何模型，对于光波导阵列端面为一曲面时，计算各个阵元对远场一点的空间距离：ri＝r0‑iΔxsinθ‑d(xi)cosθ，式中r0为第0层光波导相对远场一点的距离，Δx＝w+v，i为阵元序号，i＝0，1，2，…，N‑1，θ为远场一点的空间辐射角；(3)根据各个阵元对于远场一点的空间距离ri，计算各个阵元对远场一点的空间相位延迟：相应的设置每个阵元由电光效应提供的附加相位：通过补偿空间相位延迟ψi，在保证各阵元在扫描主瓣方向上相干性的条件下压缩远场扫描光束边瓣，式中m＝0，±1，±2，…，θs为所要扫描的角度；(4)根据光场衍射叠加理论，利用空间相位延迟ψi和电光效应提供的附加相位，计算出光束通过曲面阵列的远场光强分布：I(θ)=|CsinααΣi=0N-1exp j{2πλ[iΔx(sinθ-sinθs)+d(xi)(cosθ-cosθs)]}|2,]]>式中C为常系数，α＝πwsinθ/λ。...

【技术特征摘要】
1.一种基于光波导阵列电光扫描器端面的扫描光束边瓣压缩方法，包括如下步骤：1)根据光波导材料和金属有机氧化物化学气相沉积技术的要求，分别设置光波导阵列电光扫描器的波导阵元数N，入射光波长λ，每个光波导的芯层厚度w、长度li，及每个光波导的包层厚度v、长度li’，其中li和li’的取值通过端面函数d(xi)＝d0[i2-(N-1)i]来确定，它描述了端面的形状为抛物面，d0为端面参数，其取值根据对扫描光束边瓣的压缩要求确定；2)根据曲面阵列空间衍射几何模型，对于光波导阵列端面为一曲面时，计算各个阵元对远场一点的空间距离：ri＝r0-iΔxsinθ-d(xi)cosθ，式中r0为第0层光波导相对远场一点的距离，Δx＝w+v，i为阵元序号，i＝0，1，2，…，N-1，θ为远场一点的空间辐射角；3)根据各个阵元对于远场一点的空间距离ri，计算各个阵元对远场一点的空间相位延迟：相应的设置每个阵元由电光效应提供的附加相位：通过补偿空间相位延迟ψi，在保证各阵元在扫描主瓣方向上相干性的条件下压缩远场扫描光束边瓣，式中m＝0，±1，±2，…，θs为所要扫描的角度；4)根据光场衍射叠加理论，利用空间相位延迟ψi和电光效应提供的附加相位计算出光束通过曲面阵列的远场光强分布：式中C为常系数，α＝...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙艳玲，聂光，鲁振中，马琳，石顺祥，刘继芳，韩香娥，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61