[发明专利]一种可分布式多维高速光束扫描方法及装置

说明书

本发明公开了一种可分布式多维高速光束扫描方法及装置。本发明采用调谐激光器和AWG相结合，使得光束在高扫描速度(10MHz以上)的情况下实现自由方向扫描；扫描方向不再受限于调谐激光器的输出波长。在高速光束扫描的情况下，能保持较高的出射光束质量，其发散角可以控制在0.5mrad以下。本装置多个关键器件能片上高度集成减少系统尺寸、也能采用分布式扫描结构增加系统灵活性。本发明具有高扫描速度、扫描角度灵活、可分布式多维度扫描、可高度集成以及高光束质量等特点，在多维光束扫描、激光雷达、空间激光通信和光电检测等诸多领域有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及光束角度精密控制领域，涉及的是一种基于调谐激光器和阵列波导光栅(AWG)的可分布式多维高速光束扫描方法及装置。

背景技术

光束扫描技术已经被广泛应用于光学雷达、空间光通信、光信息处理和存储、3D打印和三维立体成像等高新科技领域中。目前，光束扫描技术主要是指对光束的出射方向进行精确控制以及定位的技术。依据扫描的方式，光束扫描技术一般可分为机械式和电控式二种；依据扫描的维度可以将光束扫描技术分为一维扫描、面扫描和多维扫描。光束扫描技术传统上一般采用机械式结构，如：振镜扫描、转鼓扫描、光楔扫描以及MEMS转镜等技术。传统机械式结构技术具有扫描发射效率高、扫描范围广等优点，但该技术的角度定位精度差、扫描速度较慢、体积较大、系统稳定性差，这些弱点限制了它的进一步发展。由于传统机械式扫描技术的发展受到自身因素的限制，下一代光束扫描技术值得我们去思考和研究。

电控式扫描技术是光束扫描技术一种新的发展趋势，尺寸小、质量轻、能耗低、精度高以及偏转速度快等优点引起研究者的关注。经过多年的发展后，电控式光束扫描技术主要发展了声光扫描、电光扫描、光学相控阵扫描、全息扫描以及液晶扫描等五大研究方向。这些技术勿需机械转动就可实现光束扫描，能实现高扫描速度、高指向精度和高空间分辨率的三高性能，并且易于实现小型化和多功能化等优点,极具应用前景。声光式光束扫描技术是利用光弹效应使光束偏转，其响应的速度受到声波的限制，能够实现的扫描范围有限，且有改变光波频率的缺点。电光式光束扫描技术是利用泡克耳斯效应或克尔效应，具有响应速度快的优点，但其驱动电压高、功耗高。除此之外，电光调制器件的口径比较小，不适合大角度光束扫描。光学相控阵扫描技术是通过采用电子控制的方法,调节从各个移相器辐射出的光波的相位,实现光束的大角度偏转。由于目前的移相器尺寸限制，光学相控阵扫描技术实现光束偏转的过程会产生大量旁瓣光束，这将对扫描系统产生严重影响(如：C.T.DeRose,R.D.Kekatpure,et al.,Electronically controlled opticalbeam-steering by an active phased arrayof metallic nanoantennas.Opt.Express,2013,21(4):5198-5208)。全息光栅光束扫描方法是在玻璃基底上制作多个全息光栅，不同方向的小角度入射光束将产生不同方向的大角度出射光束，但前提是必须有能够产生不同入射角度的精细光束偏转装置。液晶光束扫描技术就是利用液晶分子取向可以电控的特性实现纯电控式光束偏转的。但由于目前液晶材料的响应速度限制(10kHz)，通光口径的限制(Y.H.Lin,M.Mahajan,D.Taber,et al，Compact 4cm aperture transmissive liquidcrystal optical phased array for free-space optical communications.Proc.SPIE,5892,5892001,2005)，液晶光束扫描技术主要应用于小角度，高精度光束扫描领域。依据目前光束扫描的研究现状，上述几种电控式光束扫描方法虽然具有较好的研究和应用前景，但在实际应用中仍存在一些缺陷。特别是在高速大角度光束扫描和多维光束扫描发展方向上的研究进展较为缓慢。除此之外，纯电控式扫描方案的扫描方向可调节能力有限，无法灵活的调节每个扫描方向，来实现分布式多维快速扫描。然而，人工智能带动的科技革命中对高速多维光束扫描技术的需求极为紧迫，在某些领域，甚至已经制约相关技术的进一步推进，例如，无人驾驶汽车中使用的三维实时成像激光雷达系统依旧使用机械式和电控式相结合的光束扫描技术，这大大增加了成本和系统不稳定性。因此，关于可以实现多维高速光束扫描方法及装置研究，是一项有必要的工作。