CN103837995B - 一种多路等差光延时系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多路光延时技术领域，特别是一种多路等差光延时系统，包括n个半波片、n个偏振分光棱镜、n-1个全反射镜、n-1个角锥棱镜以及1个线偏振激光器；其中，1个半波片和1个偏振分光棱镜构成一个可调分光比模块，1个全反射镜、1个角锥棱镜、1个半波片、1个偏振分光棱镜构成一个输出子单元模块。本系统可以通过编程控制用一束线偏振光产生多路强度相等的线偏振光且所有输出光相继等差延时，而且该系统可以拓展至在二维阵列上实现多路等差光延时。

Description

一种多路等差光延时系统

技术领域

本发明涉及多路光延时技术领域，特别是可以通过编程控制用一束线偏振光产生多路强度相等的线偏振光且所有输出光相继等差延时，而且该系统可以拓展至在二维阵列上实现多路等差光延时。

背景技术

利用多光束延迟控制微波子单元相位差可实现微波波束扫描，故在相控阵雷达、宽波段微波扫描探测系统具有广泛的应用前景，它通过控制各天线元微波信号的相位延时来控制天线的波束形成和波束扫描，使相控阵雷达具有很高的二维扫描灵活性及准确的波束指向等一系列优点，这个过程中多路光延时系统发挥着关键作用。

目前实现多路光延时的方法主要有基于光纤物理长度的光延时法、基于色散机制的光延时法和基于集成光波导的光延时法。其中，基于光纤物理长度的光延时法的基本原理是安装多路不同长度的光纤，当光开关选择不同的通路时、光信号经过的光纤长度也不同，从而实现多路延时，这种方法结构简单、性能稳定，但是因光纤切割精度的瓶颈限制而导致光延时线的延时步长相对较大，延时精度较低，难以达到各路延时很好的一致性。基于色散机制的光延时法的基本原理是多波长激光器产生等间隔多个波长，调制器将射频信号调制到多个波长的光载波上，经过具有色散功能的光纤光栅矩阵，对不同波长的光波产生不同的光延时，最后利用波分解复用器将各波长信号分离，从而产生多路光延时，这种方法在降低功耗和减小体积方面有很强优势，但是它需要激光器输出多波长或连续可调，对输出波长的稳定性、相对强度噪声系数等参数指标具有很高要求，另外光纤光栅受外界环境温度和辐射影响大易造成稳定性不佳。基于集成光波导的光延时法的基本原理是采用微加工工艺在光波导材料上制备不同长度的波导线和具有选通功能的光开关，通过这些光开光的切换使入射光波经过不同的通道从而光程也不同，最后实现不同的光延时，该方法有体积小、结构紧凑、易于集成，能实现高精度延时等优点，但是高密度、小面积的光波导延时线由于制作工艺非常复杂还处于实验室研究水平，真正满足工程应用要求还不成熟。

发明内容

针对现有技术存在的问题，提供一种可以通过编程控制用一束线偏振光产生多路强度相等的线偏振光且所有输出光相继等差延时的系统。

本发明采用的技术方案为：

一种多路等差光延时系统，包括n个半波片、n个偏振分光棱镜、n-1个全反射镜、n-1个角锥棱镜以及1个线偏振激光器；其中，1个半波片和1个偏振分光棱镜构成一个可调分光比模块，1个全反射镜、1个角锥棱镜、1个半波片、1个偏振分光棱镜构成一个输出子单元模块；

所述线偏振激光器产生一束强度为I的线偏振光，该线偏振光通过一个由半波片和偏振分光棱镜构成的可调分光比模块后分解为线偏振光P光和S光并射出，在可调分光比模块中通过旋转半波片改变半波片主轴方向和入射线偏振光偏振方向的夹角来调节P光和S光强度，且能保持P光和S光总强度不变，P光沿原来方向全透射，S光垂直原来方向全反射，在透射P光后放置一个光功率计，旋转半波片至光功率计接收到的强度为I/n为止，在反射S光光路上放置一个全反射镜，改变其传播路径，使其射入一个角锥棱镜，在角锥棱镜内经过三次全反射后平行于入射方向回射射出，此时的出射光作为下一级分光的入射光再次经过下一个输出子单元模块继续传播；

其中每经过一个输出子单元模块便输出一束线偏振光P光，在每次输出的P光后放置光功率计，调节相应的半波片使出射光强度为I/n，从而实现各路光等强度；将所有角锥棱镜固定在一个可由计算机编程控制的一维运动平台上，使所有角锥棱镜构成回射动组件，通过编程一维运动平台控制回射动组件上所有角锥棱镜左右移动改变n路光的光程差，从而实现用一束强度为I的线偏振光产生n路强度都为I/n且相继等差延时的线偏振光。

作为本发明的优选实施方式，在上述n个偏振分光棱镜透射的n路线偏振P光后各增加一个由半波片和偏振分光棱镜构成的可调分光比模块，则原来各路出射的一束P光又分成透射出的P光和反射出的S光，然后在反射出的S光后依次放置m-1个由全反射镜、角锥棱镜、半波片、偏振分光棱镜构成的输出子单元模块，每经过所述m-1个输出子单元模块中的一个输出子单元模块便输出一路线偏振P光，通过调节所述各路增加的可调分光比模块中的半波片可调节相应的P光和S光强度比，使每路输出光强度为I/(m*n)，通过编程控制所述m-1个输出子单元模块中所有角锥棱镜阵列的移动来改变各路光相继延时大小，于是系统实现在同一方向的m行n列阵列上输出强度相等的线偏振光，且各路光相继等差延时。

作为本发明的优选实施方式，在激光能量能满足要求的情况下，通过增加光学元件数量可以拓展至输出任意所需的n路强度相等且等差延时的线偏振光。

作为本发明的优选实施方式，可调分光比模块中旋转半波片来实现改变出射光束透射P光和反射S光的强度比，进而实现多路强度相等的输出光；采用角锥棱镜使入射光平移一段距离后与入射光方向平行射出；通过编程一维运动平台精确控制回射动组件的移动来改变各路光的光程差，从而实现精确控制各路光相继等差延时。

为了更清楚的表达本发明的内容，下面再详细讲解本系统及其原理：为实现本发明目的，系统要输出n路光束，该系统包括：n个半波片和偏振分光棱镜，n-1个全反射镜和角锥棱镜，1个线偏振激光器和1个一维运动平台。其中，1个半波片和1个偏振分光棱镜构成一个可调分光比模块，1个全反射镜、1个角锥棱镜、1个半波片、1个偏振分光棱镜构成一个输出子单元模块。

本发明所使用的技术方案是：由线偏振激光器产生一束强度为I的线偏振光，垂直射入一个由半波片和偏振分光棱镜构成的可调分光比模块后，原入射线偏振光最后分成两束偏振光即P光和S光，其中P光沿入射方向在偏振分光棱镜后完全透射出，S光经偏振分光棱镜反射后垂直于入射光方向射出。

设半波片光轴初始位置沿x方向，为x、y轴单位矢量，入射线偏振光偏振方向与半波片光轴方向的夹角为θ，线偏振光的角频率为w，振幅为A，垂直于光轴方向o光的分振幅为A_o，平行于光轴方向e光的分振幅为A_e，则t时刻在半波片后表面o光和e光的合成光可表示为：

$\stackrel{\→}{E}={\stackrel{\→}{E}}_o+{\stackrel{\→}{E}}_e=A_{o}cos\left(wt\right)\stackrel{\→}{i}+A_{e}cos\left(wt+\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)\stackrel{\→}{j}=Asin\mathrm{\θ}cos\left(wt\right)\stackrel{\→}{i}+Acos\mathrm{\θ}cos\left(wt+\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)\stackrel{\→}{j}$

其中分振幅A_o＝Asinθ，A_e＝Acosθ

该半波片后表面的合成光继续传播经过偏振分光棱镜后分成P光和S光，由以上公式可知，改变入射线偏振光偏振方向与半波片光轴方向的夹角θ即可改变半波片后垂直和平行于半波片光轴两个方向分振幅的比例，从而改变偏振分光棱镜出射的P光和S光的强度比例，且P光和S光的总强度保持不变。基于上述原理，将一个半波片和一个偏振分光棱镜组合起来形成的可调分光比模块，通过在垂直入射光光轴面上旋转模块中的半波片就可以实现对入射线偏振光分出两束强度比可调的线偏振光，且分出的两束线偏振光的总强度不变。

在偏振分光棱镜透射的P光后放置一个光功率计，旋转半波片至光功率计示数为I/n后固定半波片，n为输出光束总数。在偏振分光棱镜反射的S光后放置一个全反射镜，使S光成45度角入射到全反射镜，经过全反射镜后光线垂直于入射方向射出，并垂直射入一个角锥棱镜，光线在角锥棱镜内经过三次全反射后平行于入射光方向射出，作为下一级分光的入射光射入另一个可调分光比模块并再次分成P光和S光。之后的光都按同样的原理依次经过相同的光学元件往后传播，每经过一个由全反射镜、角锥棱镜、半波片、偏振分光棱镜构成的输出子单元模块便输出一束线偏振光P光，在每次输出的P光后放置光功率计，调节相应的半波片使出射光强度为I/n。调整好光路和光强后，将角锥棱镜固定在一个可由计算机编程的一维运动平台上，所有角锥棱镜阵列构成回射动组件。由于角锥棱镜可以对任意一束进入通光孔径的入射光线，无论入射角大小，光线都将平行于原方向反射回去，所以用角锥棱镜构成回射动组件可以增强移动过程中的抗振动干扰能力，保持光线按理想方向传播。回射动组件通过编程精确控制移动，从而可对各路光延时大小进行精确控制。

设每次偏振分光棱镜反射的S光从偏振分光棱镜表面出射点到全反射镜入射点的距离为s₁，光从全反射镜出射点到角锥棱镜入射点的距离为s₂，光在角锥棱镜中三次全反射的总光程为s₃，光从角锥棱镜出射点到下一个偏振分光棱镜表面的入射点距离为s₄，偏振分光棱镜的边长为s₅，角锥棱镜对所用激光器波长λ的折射率为n_a，偏振分光棱镜对所用激光器波长λ的折射率为n_b，以第一路输出光在射出偏振分光棱镜表面点作为延迟基准，此时第一路出射时光相位为则每相邻两束输出光在同一基准点垂直方向上的初始相位差为：

则第i路的初始相位为：

其中i＝1,2,3…n

如果编程控制系统将回射动组件向左移动Δx，则角锥棱镜右侧每两束相邻出射光之间的光程增加了2Δx，每两束相邻输出光同一基准点垂直方向上的相位差变成：

则第i路的相位变成：

其中i＝1,2,3…n

同理，如果编程控制系统将回射动组件向右移动Δx，则角锥棱镜右侧每两束相邻出射光之间的光程减小了2Δx，每两束相邻输出光同一基准点垂直方向上的相位差变成：

则第i路的相位变成：

其中i＝1,2,3…n

由以上公式可知，通过编程控制系统精确移动回射动组件的移动距离Δx，可以精确控制相邻两束输出光的相位差和各路光的相位从而达到精确控制相邻输出光束的光相继等差延时大小和各路输出光延时大小。

如果在上述n个偏振分光棱镜透射的n路线偏振P光后各增加一个由半波片和偏振分光棱镜构成的可调分光比模块，则原来各路出射的一束P光又分成透射出的P光和反射出的S光，然后在反射出的S光后依次放置m-1个由全反射镜、角锥棱镜、半波片、偏振分光棱镜构成的输出子单元模块，每经过一个输出子单元模块便输出一路线偏振P光，通过调节各路可调分光比模块中的半波片可调节相应的P光和S光强度比，使每路输出光强度为I/(m*n)，通过编程控制所有角锥棱镜阵列的精确移动来改变各路光相继延时大小，于是系统实现在同一方向的m行n列阵列上输出强度相等的线偏振光，且各路光相继等差延时。

综上所述，本发明所述的一种多路等差光延时系统，可以精确控制多路输出光相继等差光延时且各路输出光强度相等，系统结构简单易操作，性能稳定，根据需求还可以将该系统拓展至在二维阵列上实现多路可编程等差光延时。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明可以精确控制多路输出光相继等差光延时且各路输出光强度相等，系统结构简单易操作，性能稳定。

2、本发明根据需求还可以将该系统拓展至在二维阵列上实现多路可编程等差光延时。

附图说明

图1是本发明系统一维多路等差光延时系统整体结构图

图2是图1中的第1个可调分光比模块图

图3是图1中部分拓展至二维多路等差光延时原理图

图中标记：1-线偏振激光器，2-第1个半波片，3-第1个偏振分光棱镜，4-第1个全反射镜，5-第1个角锥棱镜，6-第2个半波片，7-第2个偏振分光棱镜，8-第2个全反射镜，9-第2个角锥棱镜，10-第3个半波片，11-第3个偏振分光棱镜，12-第n-2个全反射镜，13-第n-2个角锥棱镜，14-第n-1个半波片，15-第n-1个偏振分光棱镜，16-第n-1个全反射镜，17-第n-1个角锥棱镜，18-第n个半波片，19-第n个偏振分光棱镜，20-回射动组件，21-计算机，22-第n+1个半波片，23-第n+1个偏振分光棱镜，24-第n个全反射镜，25-第n个角锥棱镜，26-第n+2个半波片，27-第n+2个偏振分光棱镜，28-第n+3个半波片，29-第n+3个偏振分光棱镜，30-第n+1个全反射镜，31-第n+1个角锥棱镜，32-第n+4个半波片，33-第n+4个偏振分光棱镜。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明做进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

在图1中，线偏振激光器1产生强度为I的线偏振光，最后分束成n路强度为I/n的线偏振光且各路光相继等差延时。系统中每个偏振分光棱镜反射的S光从偏振分光棱镜表面出射点到最近邻全反射镜入射点的距离为s₁，光从每个全反射镜出射点到最近邻角锥棱镜入射点的距离为s₂，光从每个角锥棱镜出射点到最近邻偏振分光棱镜表面的入射点距离为s₄。线偏振激光器1产生的线偏振光依次垂直射入第1个半波片2和第1个偏振分光棱镜3，在第1个偏振分光棱镜3的透射光后放置一个光功率计，在垂直于入射光轴平面上旋转第1个半波片2使光功率计示数为I/n。在第1个偏振分光棱镜3的反射光方向放置第1个全反射镜4，使反射光垂直于入射方向射入第1个角锥棱镜5，进入第1个角锥棱镜5的光在棱镜内经过三次全反射以后平行于入射方向射出，并作为下一级入射光依次垂直射入第2个半波片6和第2个偏振分光棱镜7，在第2个偏振分光棱镜7的透射光后放置一个光功率计，并在垂直于入射光轴平面上旋转第2个半波片6，使光功率计示数为I/n。在第2个偏振分光棱镜7的反射光方向放置第2个全反射镜8，使反射光垂直于入射方向射入第2个角锥棱镜9，进入第2个角锥棱镜9的光在棱镜内经过三次全反射以后平行于入射方向射出，并作为下一级入射光依次垂直射入第3个半波片10和第3个偏振分光棱镜11，在第3个偏振分光棱镜11的透射光后放置一个光功率计，并在垂直于入射光轴平面上旋转第3个半波片10，使光功率计示数为I/n。第3个偏振分光棱镜11的反射光按照同样的原理依次经过相同的光学元件往后传播，每经过一个由全反射镜、角锥棱镜、半波片、偏振分光棱镜构成的输出子单元模块便输出一束线偏振光，在每次输出的线偏振光后放置光功率计，调节相应的半波片使出射光强度为I/n。直到经过偏振分光棱镜反射的光射入第n-2个全反射镜12，调整该反射镜使反射光垂直于入射方向射入第n-2个角锥棱镜13，进入第n-2个角锥棱镜13的光在棱镜内经过三次全反射以后平行于入射方向射出，并作为下一级入射光依次垂直射入第n-1个半波片14和第n-1个偏振分光棱镜15，在第n-1个偏振分光棱镜15的透射光后放置一个光功率计，并在垂直于入射光轴平面上旋转第n-1个半波片14，使光功率计示数为I/n。在第n-1个偏振分光棱镜15的反射光方向放置第n-1个全反射镜16，使反射光垂直于入射方向射入第n-1个角锥棱镜17，进入第n-1个角锥棱镜17的光在棱镜内经过三次全反射以后平行于入射方向射出，依次垂直射入第n个半波片18和第n个偏振分光棱镜19，在第n个偏振分光棱镜19的透射光后放置一个光功率计，并在垂直于入射光轴平面上旋转第n个半波片18，使光功率计示数为I/n。至此，所有出射光都已调节至相等强度，且相邻出射光的初始相位差相等。

将所有角锥棱镜都固定在回射动组件20上，通过计算机21编程控制回射动组件20左右移动，从而精确控制所有角锥棱镜同步左右移动，最后实现精确控制输出的多路光相继等差延时。

在图2中，线偏振光依次垂直射入第1个半波片2和第1个偏振分光棱镜3，在第1个偏振分光棱镜3的透射光后放置一个光功率计，在垂直于入射光轴平面上旋转第1个半波片2使光功率计示数为I/n，该模块在整个系统中反复出现来调整每路输出光强度，最后实现多路光输出的强度强等。

在图3中，与图1中原理相同的部分是：由线偏振激光器1产生的线偏振光依次垂直射入第1个半波片2和第1个偏振分光棱镜3，在垂直于入射光轴平面上旋转第1个半波片2使第1个偏振分光棱镜3的透射光强度为I/n。使第1个偏振分光棱镜3的反射光方以45度入射角射入第1个全反射镜4，使反射光垂直于入射方向射入第1个角锥棱镜5后再平行于射入角锥棱镜的方向射出，出射光作为下一级入射光依次垂直射入第2个半波片6和第2个偏振分光棱镜7，在垂直于入射光轴平面上旋转第2个半波片6使第2个偏振分光棱镜7的透射光强度为I/n，第2个偏振分光棱镜7的反射光依次经过相同的光学元件继续传播，每经过一个由全反射镜、角锥棱镜、半波片、偏振分光棱镜构成的输出子单元模块便输出一束线偏振光，在每次输出的线偏振光后放置光功率计，调节相应的半波片使出射光强度为I/n，从而实现一维n列横向上多路等差光延时，且各路透射光强度相等。与图1中不同之处在于如下部分的拓展：在第1路输出光后依次添加第n+1个半波片22和第n+1个偏振分光棱镜23，在第n+1个偏振分光棱镜23后放置一个光功率计，在垂直于入射光轴平面上旋转第n+1个半波片22使第n+1个偏振分光棱镜23的透射光强度为I/(m*n)，使第n+1个偏振分光棱镜23的反射光方以45度入射角射入第n个全反射镜24，使反射光垂直于入射方向射入第n个角锥棱镜25后再平行于射入角锥棱镜方向射出，出射光作为下一级入射光依次垂直射入第n+2个半波片26和第n+2个偏振分光棱镜27，在垂直于入射光轴平面上旋转第n+2个半波片26使第n+2个偏振分光棱镜27的透射光强度为I/(m*n)，第n+2个偏振分光棱镜27的反射光依次再经过m-2个输出子单元模块，每经过一个输出子单元模块便输出一束线偏振光，在每次输出的线偏振光后放置光功率计，调节相应的半波片使出射光强度为I/(m*n)，这样可以实现将第1路透射光在纵向上分成m束强度相等且相继等差延时的线偏振光。同理，在第2路输出光后依次添加第n+3个半波片28和第n+3个偏振分光棱镜29，在第n+3个偏振分光棱镜29后放置一个光功率计，在垂直于入射光轴平面上旋转第n+3个半波片28使第n+3个偏振分光棱镜29的透射光强度为I/(m*n)，使第n+3个偏振分光棱镜29的反射光方以45度入射角射入第n+1个全反射镜30，使反射光垂直于入射方向射入第n+1个角锥棱镜31后再平行于射入角锥棱镜方向射出，出射光作为下一级入射光依次垂直射入第n+4个半波片32和第n+4个偏振分光棱镜33，在垂直于入射光轴平面上旋转第n+4个半波片32使第n+4个偏振分光棱镜33的透射光强度为I/(m*n)，第n+4个偏振分光棱镜33的反射光依次再经过m-2个输出子单元模块，每经过一个输出子单元模块便输出一束线偏振光，在每次输出的线偏振光后放置光功率计，调节相应的半波片使出射光强度为I/(m*n)，这样可以实现将第2路透射光在纵向上分成m束强度相等且相继等差延时的线偏振光。按照上述原理在每路最底层射出的线偏振光后增加一个可调分光比模块后，再在每路纵向上增加m-1个输出子单元模块，调节每路输出光对应的半波片使每路输出光强度都为I/(m*n)，这样可以将每路透射光在纵向上分成m束强度相等且相继等差延时的线偏振光，通过编程控制所有的角锥棱镜阵列移动改变多路光的光程差来实现等差光延时，最后系统就可以在同一方向上输出m行n列阵列的线偏振光，而且各路光强度相等，相邻光束相继等差延时。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种多路等差光延时系统，其特征在于，包括n个半波片、n个偏振分光棱镜、n-1个全反射镜、n-1个角锥棱镜以及1个线偏振激光器；其中，1个半波片和1个偏振分光棱镜构成一个可调分光比模块，1个全反射镜、1个角锥棱镜、1个半波片、1个偏振分光棱镜构成一个输出子单元模块；

所述线偏振激光器产生一束强度为I的线偏振光，该线偏振光通过一个由半波片和偏振分光棱镜构成的可调分光比模块后分解为线偏振光P光和S光并射出，在可调分光比模块中通过旋转半波片改变半波片主轴方向和入射线偏振光偏振方向的夹角来调节P光和S光强度，且能保持P光和S光总强度不变，P光沿原来方向全透射，S光垂直原来方向全反射，在透射P光后放置一个光功率计，旋转半波片至光功率计接收到的强度为I/n为止，在反射S光光路上放置一个全反射镜，改变其传播路径，使其射入一个角锥棱镜，在角锥棱镜内经过三次全反射后平行于入射方向回射射出，此时的出射光作为下一级分光的入射光再次经过下一个输出子单元模块继续传播；

其中每经过一个输出子单元模块便输出一束线偏振光P光，在每次输出的P光后放置光功率计，调节相应的半波片使出射光强度为I/n，从而实现各路光等强度；将所有角锥棱镜固定在一个可由计算机编程控制的一维运动平台上，使所有角锥棱镜构成回射动组件，通过编程一维运动平台控制回射动组件上所有角锥棱镜左右移动改变n路光的光程差，从而实现用一束强度为I的线偏振光产生n路强度都为I/n且相继等差延时的线偏振光。

2.根据权利要求1所述的多路等差光延时系统，其特征在于，在上述n个偏振分光棱镜透射的n路线偏振P光后各增加一个由半波片和偏振分光棱镜构成的可调分光比模块，则原来各路出射的一束P光又分成透射出的P光和反射出的S光，然后在反射出的S光后依次放置m-1个由全反射镜、角锥棱镜、半波片、偏振分光棱镜构成的输出子单元模块，每经过所述m-1个输出子单元模块中的一个输出子单元模块便输出一路线偏振P光，通过调节所述各路增加的可调分光比模块中的半波片可调节相应的P光和S光强度比，使每路输出光强度为I/(m*n)，通过编程控制所述m-1个输出子单元模块中所有角锥棱镜阵列的移动来改变各路光相继延时大小，于是系统实现在同一方向的m行n列阵列上输出强度相等的线偏振光，且各路光相继等差延时。