相控阵固态光扫描器制造技术

本发明专利技术涉及一种相控阵固态光扫描器，特别是采用相位控制加热器阵列对光束进行偏转和扫描的器件，它包括：光偏转材料、相位控制加热器阵列和控制电路；光偏转材料的第一个输入端与外部光源相连；光偏转材料的第二个输入端与相位控制加热器阵列的输出端相连；光偏转材料的第三个输入端与外部电源相连；光偏转材料的输出端与外部扫描目标相连；相位控制加热器阵列的输入端与控制电路的输出端相连；控制电路的输入端与外部端口相连，它具有体积小，功耗低，工艺简单，成本低，寿命长等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种相控阵固态光扫描器，特别是采用相位控制加热器阵列(PhasedHeaterArray)对光束进行偏转和扫描的器件。
技术介绍
目前相位控制阵列(简称相控阵)技术已被广泛应用于雷达，超声等领域。相控阵雷达是由许多辐射单元排成阵列组成，通过控制阵列天线中各单元的幅度和相位，调整电磁波的辐射方向，在一定空间范围内合成灵活快速的聚焦扫描的雷达波束。超声相控阵换能器由多个独立的压电晶片组成阵列，按一定的规则和时序用电子系统控制激发各个晶片单元，来调节控制焦点的位置和聚焦的方向。由此可见相控阵技术的核心思想是独立激发许多小发射单元，每个小发射单元相当于小波源，许多小波源可以合成特定形状的波前。热光效应，指的是光学介质的折射率随着温度变化而发生变化的物理效应，是光学材料的一种光学性质。在给定的温度场中，晶体、半导体材料、玻璃以及其他应用在不同光器件和系统中的光学材料，其折射率不是一个恒定的参数。在一定的压强下，材料的折射率随温度的变化量称之为热光系数。它被定义为dn/dT，n和T分别是材料的折射率和温度，单位是每摄氏度或者每开尔文。对于有机聚合物来说，温度变化引起的材料折射率变化主要由材料密度变化决定，其热光系数在10-4量级，相对于硅等无机材料较高。为了将热光效应用于光束偏转和扫描，需要在光偏转材料内精确建立变化的梯度温度场。通常可以采用在光偏转材料两侧安装面状加热器和面状制冷器(可选)的方案：面状加热器工作在变化功率状态，用于产生变化的梯度温度场，该梯度温度场的等温面与面状加热器平行；面状制冷器工作在恒定功率状态，用于建立一个接近于恒定的冷端。光束偏转的角度与梯度温度场的冷端和热端的温差成正比。对于这种方案，由于入射光线需要与梯度温度场的等温面有一定的夹角，光偏转材料的外形无论为长方体或平行六面体，则入射光线均需要倾斜入射。光路倾斜对于将这类器件集成于微光学系统非常不利。因此，为了在长方体这样的规则外型下实现入射光轴与长方体的边平行，需要使梯度温度场的等温面与加热器平面具有一定的夹角，从而实现光束偏转。这是传统的面状加热器无法实现的。本专利技术提出一种相控阵固态光扫描器，特别是采用相位控制加热器阵列对光束进行偏转和扫描的器件。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种相控阵固态光扫描器，特别是采用相位控制加热器阵列对光束进行偏转和扫描的器件，能够使梯度温度场的等温面与相位控制加热器阵列平面产生一定的夹角，从而实现光束偏转和扫描。为实现上述目的，本专利技术采用技术方案是：它包括光偏转材料、相位控制加热器阵列和控制电路；光偏转材料的第一个输入端与外部光源相连；光偏转材料的第二个输入端与相位控制加热器阵列的输出端相连；光偏转材料的第三个输入端与外部电源相连；光偏转材料的输出端与外部扫描目标相连；相位控制加热器阵列的输入端与控制电路的输出端相连；控制电路的输入端与外部端口相连；所述的光偏转材料为具有高热光系数，低导热系数，高耐热温度，可导电的匀质材料，可以为但不限于各种高分子聚合物，如聚甲基丙稀酸甲酯(PMMA)，聚碳酸酯(PC)，SU8等；所述的光偏转材料的外形为长方体，它的一组相对的矩形平面的表面具有低粗糙度，光学透明，并镀有高透过率镀膜，它的另一组相对的矩形平面的表面具有低粗糙度，分别与相位控制加热器阵列和外部电源紧密相连，其间的微小空隙采用导热硅脂填充以提高导热系数；所述的相位控制加热器阵列有由多个加热单元沿一维方向排列而成，每个加热单元为电阻式或基于帕尔贴(Peltier)效应的半导体式加热器；所述的控制电路用于产生能够驱动相位控制加热器阵列的多路驱动信号，具有足够高的电压和足够大的电流，已属于现有技术，故本专利技术在此不再累述。本专利技术的工作原理是这样的：光偏转材料的外形为长方体，长方体的一组相对的矩形平面的表面具有低粗糙度，光学透明，并镀有高透过率镀膜，长方体的另一组相对的矩形平面的表面具有低粗糙度，分别与相位控制加热器阵列和外部电源紧密相连，其间的微小空隙采用导热硅脂填充以提高导热系数；相位控制加热器阵列有由多个加热单元沿一维方向排列而成，每个加热单元为电阻式或基于帕尔贴效应的半导体式加热器；光偏转材料为具有高热光系数，高耐热温度和导电的匀质材料，可以为各种高分子聚合物；下面以聚甲基丙稀酸甲酯为例，热光系数为-1.44x10-4K-1，导热系数为0.17W/(m·K)，在832nm波长下折射率约为1.5025@20℃，1.3581@12℃，最高温度为120℃；冷端温度设为20℃；相位控制加热器阵列使热端温度在约20℃至120℃之间波动，温差为100℃；在入射光束与梯度温度场的等温面的夹角为70度时，可以计算出最大光学偏转角度为70-arcsin(sin70度*1.3581/1.5025)＝11.86度，光束向加热器一侧的热端偏转；由于光束在渐变梯度温度场里连续偏转，因此会在光偏转材料的输出端叠加一个侧向位移；根据梯度温度场的等温面与加热器阵列平面之间的夹角、加热单元的数目和电阻值、光偏转材料的导热系数等参数计算出相位控制加热器阵列中相邻两个加热单元之间的驱动信号相位差，以锯齿波驱动信号为例，对于20个加热单元组成的相位控制加热器阵列，相邻两个加热单元之间的驱动信号相位差为360度/20＝18度；将计算得到的驱动信号相位差输入控制电路产生相邻两堵信号之间具有特定相位差的多路驱动信号，最后将多路驱动信号传输至相位控制加热器阵列中对应的加热单元。由于光偏转材料能够导电，电流从相位控制加热器阵列中的加热单元通过光偏转材料流至光偏转材料另一侧的电极板。由于加热单元中的电流密度远远大于光偏转材料中的电流密度，因此加热单元产生绝大部分热量。得到相位小的驱动信号的加热单元先工作，温度高；得到相位大的驱动信号的加热单元后工作，温度低，因此可以在光偏转材料中产生倾斜的梯度温度场，从而使固态光扫描器实现光束偏转和扫描。本专利技术由于采用了上述技术方案，具有如下优点：1、基于热光效应的工作原理，具有体积小，功耗低，工艺简单，成本低，寿命长等优点；2、采用相控阵技术，器件外形规则，便于与微光学系统集成。附图说明图1为本专利技术的结构框图；图2为本专利技术的结构示意图；图3为相位控制加热器阵列的示意图；图4为本专利技术的一维级联示意图；图5为本专利技术的二维级联示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明：如图1和图2所示，它包括：光偏转材料1、相位控制加热器阵列2和控制电路3；光偏转材料1的第一个输入端与外部光源相连；光偏转材料1的第二个输入端与相位控制加热器阵列2的输出端相连；光偏转材料1的第三个输入端与外部电源相连；光偏转材料1的输出端与外部扫描目标相连；相位控制加热器阵列2的输入端与控制电路3的输出端相连；控制电路3的输入端与外部端口相连；所述的光偏转材料1为具有高热光系数，低导热系数，高耐热温度，导电的匀质材料，可以为但不限于各种高分子聚合物，如聚甲基丙稀酸甲酯，聚碳酸酯，SU8等；所述的光偏转材料1的外形为长方体，它的一组相对的矩形平面的表面具有低粗糙度，光学透明，并镀有高透过率镀膜，它的另一组相对的矩形平面的表面具有低粗糙度，分别与相位控制加热器阵列2和外部电源紧密相连，其间的微小空隙采用导热硅脂填充以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种相控阵固态光扫描器，其特征在于：它包括光偏转材料、相位控制加热器阵列和控制电路；光偏转材料的第一个输入端与外部光源相连；光偏转材料的第二个输入端与相位控制加热器阵列的输出端相连；光偏转材料的第三个输入端与外部电源相连；光偏转材料的输出端与外部扫描目标相连；相位控制加热器阵列的输入端与控制电路的输出端相连；控制电路的输入端与外部端口相连。

【技术特征摘要】
1.一种相控阵固态光扫描器，其特征在于：它包括光偏转材料、相位控制加热器阵列和控制电路；光偏转材料的第一个输入端与外部光源相连；光偏转材料的第二个输入端与相位控制加热器阵列的输出端相连；光偏转材料的第三个输入端与外部电源相连；光偏转材料的输出端与外部扫描目标相连；相位控制加热器阵列的输入端与控制电路的输出端相连；控制电路的输入端与外部端口相连。2.如权利要求1所述的相控阵固态光扫描器，其特征在于：所述的光偏转材料为具有高热光系数，低导热系数，高耐热温度，可导电的匀质材料，可以为但不限于高分子聚合物，如聚甲基丙稀酸甲酯或聚碳酸酯或硅酮或SU8。3.如权利要求1所述的相控阵固态光扫描器，其特征在于：所述的光偏转材料的外形为长方体，它的一组相对的矩形平面的表面具有低粗糙度，光学透明，并镀有高透过率镀膜，它的另一组相对的矩形平面的表面具有低粗糙度，分别与相位控制加热器阵列和外部电源紧密相连，其间的微小空隙采用导热硅脂填充以提高导热系数。4.如权利要求1所述的相控阵固态光扫描器，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐英舜，刘淑静，
申请(专利权)人：天津医科大学，
类型：发明
国别省市：天津;12