CN101521351A - 光束扫描激光器 - Google Patents

Abstract

一种光束扫描激光器，包括同光轴依次设置的全反射的后腔镜、激光介质、激光输出装置，其特征是在所述的激光介质和激光输出装置之间的激光腔内还设置具有光束偏转功能的空间光相位调制器。该激光器的特点是激光输出装置具有多种形式结构，具有输出光束可控偏转、光束偏转大和输出功率高的特点。

Description

光束扫描激光器

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。

第四，声光偏转技术的困难在于，体块声光器件的RF驱动器体积和功耗较大，效率较低。而波导型声光器件同样有输出功率小和输出光斑光束质量差的问题。在声光开关的应用中，材料中建立声波的驻波，器件的一般调制方式是在两个或多个RF频率上切换，而不是连续调频的RF。连续偏转要求行波型声光器件，要求较高工艺技术，并且存在由于声波幅度衰减引起的衍射效率在空间上不均匀性问题，影响光束质量。

发明内容

本发明的目的是针对上述在先技术存在的问题，提出一种光束扫描激光器，该激光器具有输出光束可控偏转、光束偏转大和输出功率高的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种光束扫描激光器，包括同光轴依次设置的全反射的后腔镜、激光介质、激光输出装置，其特征是在所述的激光介质和激光输出装置之间的激光腔内还有空间光相位调制器。

所述的激光输出装置是内表面为凹面并具有一定反射率的镀膜层的平凹面输出腔镜。

所述的激光输出装置由分束片、Q开关元件、第一凹面全反射腔镜和第二凹面全反射腔镜构成，所述的分束片和第一凹面全反射腔镜在所述的后腔镜、激光介质、空间光相位调制器的光轴的延长线上且共光轴，所述的分束片与所述的光轴成45°，在所述的分束片的反射线方向依次是Q开关元件和第二凹面全反射腔镜。

所述的激光输出装置由平面衍射光栅和凹面全反射的腔镜构成；所述的凹面全反射的腔镜可对方向变化的光束发生全反射。

所述的激光输出装置是内表面为凹面并具有一定反射率的镀膜层和外表面为凹面并具有增透膜的双凹面输出腔镜。

所述的激光输出装置是棱镜，该棱镜朝激光腔内的一个平面镀有激光增透膜，该棱镜朝激光腔外的另一个平面上胶合一个柱面平凸镜，其凸面上镀有高反膜，该直角棱镜的斜面为激光输出面。

所述的空间光相位调制器是叠层型电光空间相位调制器，其结构是由多块具有一定长度L、厚度H和宽度K的上下两面镀金属电极的电光材料平板沿厚度方向叠合而成，奇数层电极利用导线相连为一个电极，偶数层电极利用导线相连为另一个电极。

所述的叠层型电光空间相位调制器的电光材料平板是由二次电光效应材料制成的，多块电光材料平板的LxH面叠合后构成通光面。

所述的电光材料平板的厚度Hi，由下而上依次为H_i～i^-1/2，其中i为电光材料平板的序号。

所述的电光材料平板的长度L由下而上依次变短或加长。

所述的电光材料平板是由一次电光效应材料制成的，奇数层电光材料平板的晶向与偶数层电光材料平板的晶向相互正交，入射光束方向为两正交晶轴夹角的平分线。

与常规的在腔外实现的光束偏转扫描机构相比，本发明的光束扫描激光器具有如下优点：

1、光空间相位调制器在腔外使用时，不可避免带来损耗。有一些在先技术引入的光损耗还相当大。这一功能改在腔内执行后，在同样损耗情况下可以通过泵浦功率的补充得到补偿，在同样偏转性能下可保持高的输出功率。

2、某些在先技术，比如波导型光学相控阵，在使用时带来光束的变形。本发明的方法，光束形状和发散度主要决定于腔结构的设计，可以利用激光器腔结构设计，克服腔外实现偏转带来的对光束质量的影响。

3、本发明的光束扫描结构，提出了若干可以放大偏转角的方案，可以在相同的光相位调制器性能的基础上获得更大的偏转角。

4、本发明的光束扫描激光器，可以容纳产生其他性能的光学元件，比如光开关、光栅调谐等机构，在光束扫描的同时获得其他应用需要的功能和性能。

5、本发明提出的思想适用于固体激光器、半导体外腔激光器和气体激光器，可以满足不同工作波长和不同输出功率的需要。

附图说明

图1是本发明光束扫描激光器的基本结构示意图

图2是本发明光束扫描激光器实施例2的结构示意图

图3是本发明光束扫描激光器实施例3的结构示意图

图4是本发明光束扫描激光器实施例4的结构示意图

图5是本发明光束扫描激光器实施例5的结构示意图

图6是本发明采用的叠层型电光空间相位调制器的实施例1的结构

图7是本发明采用的叠层型电光空间相位调制器的实施例2的结构

图8是本发明采用的叠层型电光空间相位调制器的实施例3的结构

图9是本发明采用的叠层型电光空间相位调制器的实施例4的结构

图10是本发明采用的叠层型电光空间相位调制器的实施例5的结构

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

一种光束扫描激光器的基本结构如图1所示。图中1为激光介质；2为空间光相位调制器；3为凹面反射的输出腔镜；4为腔镜反射面上的反射镀膜层；5为全反射的后腔镜。这一激光器的工作原理如下，设置在腔内的空间光相位调制器2，可以在外加电信号控制下，使光束偏转。光束偏转后，凹面反射镜可以保持光束原路返回激光器的激活介质1，维持激光振荡。从而获得输出激光光束的偏转和扫描。

本发明的光束扫描激光器的结构之二如图2所示。图中1为激光介质；2为空间光相位调制器；31为两片凹面全反射腔镜；5为全反射的后腔镜；6为分束片；7为光开关元件。本结构与结构之一比较，可以容许容纳其他激光运转功能所需的元件，比如脉冲输出的Q开关元件7。

本发明的光束扫描激光器的结构之三如图3所示。图中1为激光介质；2为空间光相位调制器；5为全反射的后腔镜；8为平面衍射光栅；32为凹面全反射的腔镜。本结构与结构之一比较，在实现光束偏转的同时，可以通过凹面反射镜32对方向变化的光束发生全反射，并通过光栅8的衍射作用，实现光频的调谐。

本发明的光束扫描激光器的结构之四如图4所示。图中1为激光介质；2为空间光相位调制器；5为全反射的后腔镜；33为双凹面的输出镜，其中41为一定反射率的镀膜层，42为增透镀膜。本结构与结构之一比较，在实现光束偏转的同时，可以在光束发散度容许的范围内，通过输出镜33的右凹面加大光束的偏转量。

本发明的光束扫描激光器的结构之五如图5所示。图中1为激光介质；2为空间光相位调制器；5为全反射的后腔镜；9为棱镜；91为胶合在棱镜9的一个面上柱面平凸镜，其凸面上镀有高反膜；92为棱镜9上的增透膜。本结构与其他结构比较，通过光的折射放大光束的偏转量。在折射面上，根据Snell定律，折射角满足关系：sinθ＝nsinα，式中θ为在空气区的折射角，α为棱镜内光束的入射角。由上式可得：

$\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{d\α}}=\frac{n\cos \mathrm{\α}}{\cos \mathrm{\θ}}=\frac{n\cos \mathrm{\α}}{{(1-n^2{\sin }^2\mathrm{\α})}^{1/2}}$

在接近临界角α_C＝sin^-1(1/n)时，上式迅速增大，并在临界角上趋向无穷。因此这一机构可以增大光束的偏转角。

本发明光束扫描激光器中的关键元件是空间光相位调制器2。该元件可以采用基于液晶材料的空间光调制器；可以采用电光晶体设计制备；也可以采用基于透明电光陶瓷，如掺镧锆钛酸铅；还可以采用合适的声光器件实现。

本发明激光器的激活介质可以采用常规的固体激光材料，如YAG、钕玻璃等；可以采用多种波段的半导体激光材料；也可以采用气体激光介质。

本发明所述的空间光相位调制器2是叠层型电光空间相位调制器，其结构(参见图6)是由多块具有一定长度L、厚度H和宽度K的上下两面(LxK)镀金属电极22的电光材料平板21沿厚度方向叠合而成，奇数层电极利用导线23相连为一个电极，偶数层电极利用导线23相连为另一个电极。所述的叠层型电光空间相位调制器2的电光材料平板21是由二次电光效应材料制成的，多块电光材料平板21的LxH面叠合后构成通光面。

本发明叠层型电光空间相位调制器实施例2的结构如图7所示。在这一结构中，结点24接地。电极24b、24c、24d分别连接驱动电源，可以获得不同的电压。因此可以获得在空间(x方向上)有一定分布变化的相移。图中显示了三个区域可以有不同的相移，类似地可以根据需要叠加到多个区域，以获得相控阵的效果。

本发明叠层型电光空间相位调制器实施例3的结构如图8所示。在这一结构中，各层电光材料的厚度不相等，而是按照在x方向上的位置依次变化。其变化的函数形式，可以根据材料的特性参数和应用需要设计。以二次电光效应和线性分布相移的要求为例，各层材料的厚度设计为H_i～i^-1/2，式中i为层次的序号。这样，电光折射率增量～(V/H_i)²～i，与层次序号成线性关系。

本发明叠层型电光空间相位调制器实施例4的结构如图9所示。在这一结构中，各层电光材料厚度相同，但在通光方向(z)上的长度按照在x方向上的位置依次变化。这样，在同样的电压下，各层折射率变化相同，而相移量正比于光程，因此可获得在x方向上变化的相移分布。

本发明叠层型电光空间相位调制器的实施例5的结构如图10所示。这一结构适用于一次电光晶体的情况。图中211为一次电光效应材料，每层平面垂直于单轴晶体的光轴2110，各层施加电压后奇偶层两两相反。2111和2112为垂直平面(y-z)上的晶向，奇偶两层间偏转90度。入射平面(x-y)与该两光轴成45度，以保证各相邻层有相同正负号的电光效应。

以上实施例2、3、4，也可以按照一次电光效应的性质，分别进行设计制备。

Claims (10)

1、一种光束扫描激光器，包括同光轴依次设置的全反射的后腔镜(5)、激光介质(1)、激光输出装置，其特征是在所述的激光介质(1)和激光输出装置之间的激光腔内还有空间光相位调制器(2)。

2、根据权利要求1所述的光束扫描激光器，其特征在于所述的激光输出装置是内表面为凹面并具有一定反射率的镀膜层(4)的平凹面输出腔镜(3)。

3、根据权利要求1所述的光束扫描激光器，其特征在于所述的激光输出装置由分束片(6)、Q开关元件(7)、第一凹面全反射腔镜(31)和第二凹面全反射腔镜(32)构成，所述的分束片(6)和第一凹面全反射腔镜(31)在所述的后腔镜(5)、激光介质(1)、空间光相位调制器(2)的光轴的延长线上且共光轴，所述的分束片(6)与所述的光轴成45°，在所述的分束片(6)的反射线方向依次是Q开关元件(7)和第二凹面全反射腔镜(32)。

4、根据权利要求1所述的光束扫描激光器，其特征在于所述的激光输出装置由平面衍射光栅(8)和凹面全反射的腔镜(33)构成；所述的凹面全反射的腔镜(33)具有方向可变的全反射功能。

5、根据权利要求1所述的光束扫描激光器，其特征在于所述的激光输出装置是内表面为凹面并具有一定反射率的镀膜层(41)和外表面为凹面并具有增透膜(42)的双凹面输出腔镜(34)。

6、根据权利要求1所述的光束扫描激光器，其特征在于所述的激光输出装置是棱镜(9)，该棱镜(9)朝激光腔内的一个平面镀有激光增透膜(92)，该棱镜(9)朝激光腔外的另一个平面上胶合一个柱面平凸镜(91)，其凸面上镀有高反膜，该棱镜(9)的斜面为激光输出面。

7、根据权利要求1至6任一项所述的光束扫描激光器，其特征在于所述的空间光相位调制器(2)是叠层型电光空间相位调制器，其结构是由多块具有一定长度L、厚度H和宽度K的上下两面(LxK)镀金属电极(22)的电光材料平板(21)沿厚度方向叠合而成，奇数层电极利用导线(23)相连为一个电极，偶数层电极利用导线(23)相连为另一个电极。

8、根据权利要求7所述的光束扫描激光器，其特征在于所述的电光材料平板(21)的厚度Hi，由下而上依次为H_i～i^-1/2，其中i为电光材料平板(21)的序号。

9、根据权利要求7所述的光束扫描激光器，其特征在于所述的电光材料平板(21)的长度L由下而上依次变短或加长。

10、根据权利要求7所述的叠层型电光空间相位调制器，其特征在于所述的电光材料平板(21)是由一次电光效应材料制成的，奇数层电光材料平板(21)的晶向与偶数层电光材料平板(21)的晶向相互正交，入射光束方向为两正交晶轴夹角的平分线。

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