[发明专利]光束扫描激光器

说明书

技术领域

本发明涉及激光器，特别是一种光束扫描激光器，它输出光束可控偏转、扫描的激光器。本发明可应用于光束空间操控、激光雷达、空间激光应用、新功能激光器件及其他科学研究工作中。

背景技术

激光束空间操控技术(Optical Beam Steering)在激光应用中是一种重要的功能，在激光精密瞄准跟踪、激光制导、激光雷达、侦察定位、激光自由空间通信和多种光电对抗技术中，都有迫切的需求。目前，采用机械运动光学元部件的装置已经得到实际使用。其主要缺点是扫描速度较低，结构比较复杂庞大，不能满足装备进一步发展的需要。为此，采用相位调制阵列调整光束波面的光学相控阵技术(Optical Phased Arrays，简称为OPA)受到各国的广泛关注，也受到我国科技界和军工部门的高度重视。

现有相控阵器件主要有以下几种：

在先技术之一(参见J.Thomas et al，＂Programmable diffractive opticalelement using a multi-channel lanthanum-modified lead zirconate titanate phasemodulator＂，Opt.Lett.Vol.20，1510，1995)，是基于横向电光效应的平面叉指式电极的调相器阵列。

在先技术之二(参见Q.W.Song et al，“Electro-optic beam-steering devicebased on a lanthanum-modified lead zirconate titanate ceramic wafer”，Appl.Optics，Vol.35，p3155，1996)，是基于纵向电光效应的透明电极型调相器阵列。

在先技术之三(董作人等，“基于掺镧锆钛酸铅电光材料的光学相控阵光束扫描器”，中国激光，Vol.35，p109，2008)，是基于横向电光效应的波导型或类波导型调相器阵列。

在先技术之四(参见P.McManamon，et al，“Optical array technology”，Proceeding of the IEEE，Vol.84，268，1996)，是基于液晶矩阵的调相器阵列。这些研究工作都显示了基于空间调相器阵列的光学相控阵的光束偏转扫描一定的效果。

在先技术之五(参见V.Nikulin et al，“Modeling of an acousto-optic laserbeam steering system intended for satellite communication”，Opt.Eng.Vol.40，p2208，2001)是采用声光偏转器，它利用超声光栅对光波的衍射作用实现光栅偏转。

光束空间操控的实际应用，要求光束扫描范围大、光束质量好(发散角小)、输出功率大、工作电压低和扫描速度快。研究工作表明，上述在先技术难以全面地满足这样的要求，存在着一些带本质性的、互相矛盾的问题。

第一，光束扫描角度范围小。根据相控阵基本原理，光束扫描范围决定于波长与阵列周期之比，λ/a。在先技术之一的平面叉指电极结构中，减小阵列周期，将导致电场透入深度的减小，从而降低了相移量。而且周期的缩小将导致有效通光孔径比减小。在先技术之二的透明电极的纵向电光效应结构中，减小阵列周期将导致电极间电压信号的相互串扰。并且导致有效透光孔径比减小。

第二，输出功率的问题。上述在先技术之一、二的两种结构，激光束通过平面入射，在表面采用增透膜后，光功率的透过率及衍射效率决定于有效通光孔径比。因而不可避免地存在一定的损耗。在先技术之三的波导型结构中，光束需要耦合到一个波导型的结构中，降低了光束的透过率；而且出射光束演变为上下和左右不对称的光束，需要进一步整形。因此这几种结构在偏转角度、输出功率和能量效率方面存在互相制约的困难。

第三，采用在先技术之四的液晶技术，可以获得较高密度的阵列，有利于加大扫描范围。而且工作电压远低于固体电光材料。文献报道液晶相控阵也取得了较好的效果。它的主要缺点，一是调制速率比较低；二，在耐受高功率密度的激光束方面有限制。目前报道的工作主要用于在光通信中多光路互连交换。