[发明专利]高功率高光束质量光学相控阵扫描装置

说明书

技术领域

本发明涉及相干阵列激光合束的高功率激光器和高光束质量的无机械光束扫描系统，特别是一种基于衍射光学元件分束、合束和电控相控阵器件的高功率单主瓣光学相控阵扫描装置及方法。

背景技术

随着激光应用技术的发展，在激光雷达等领域需要高功率、高质量和高亮度的激光束，而且朝着小型化、全固态化、大功率化方向发展。一般来说，从单个激光器获得的输出功率是很有限的，建立高功率激光系统的一种有效的技术方案是使用激光器阵列，并且要求从阵列元件中输出的所有光束能够相干合成为单一光束。其中采用衍射光学元件具有衍射效率高、体积小、调节方便和可以大量复制等特点，受到国内外研究者的广泛关注。同时，在激光雷达、激光通信等领域应用方面，为了能够快速有效的捕获跟踪空间远距离目标，需要扫描速度快和扫描精度高的激光光束扫描器，通常的激光光束扫描器大多采用机械扫描原理，缺点是受机械传动精度影响，扫描精度低，而且扫描速度慢，扫描系统体积大，难以微小化集成。非机械式的激光光束扫描器由于体积小、惯性小、扫描响应速度高和可靠性好等优点受到人们的青睐。

在高功率高质量的相干阵列激光合束方面，人们提出了多种技术方案。在先技术[1](参见：闫爱民，刘立人，戴恩文，孙建锋，相干阵列激光逆达曼光栅合束孔径装填装置，发明专利，专利号：ZL200910053422.4，2011.)中提出一种基于衍射光学元件即逆达曼光栅的相干阵列激光合束孔径装填装置，可将多路相干激光的组合成高功率和高光束质量的单一光束，用于实现紧凑型、轻量化和高亮度的高功率激光器系统。这种装置虽然能大幅提升激光器输出功率和光束质量，但是，不能进行激光光束的快速无机械扫描。

在先技术[2](参见D.C.Jones，A.M.Scott，S.Clark，C.Stace，R.G. Clarke，Beam steering of a fibre bundle laser output using phased array techniques，Proc.SPIE，5335，125-131，2004.)中采用并联主振荡功率放大激光阵列锁相技术和压电陶瓷相位调制器获得了高亮度的光纤阵列光束扫描，但是这种主动调相技术，需要声光调制器、移相器等复杂的相位控制和检测以及相应的控制电路，技术实现难度高。

在先技术[3](参见：万玲玉，刘立人，张明丽，孙建锋，高速电光相控阵二维激光光束扫描器，发明专利申请号：200310122621.9，2003。)中利用LiNbO₃晶体的电光效应，提出了一种高速电光相控阵二维激光光束扫描器，具有扫描速度快、精度高、没有机械运动、结构简单、稳定可靠等优点。但是，该光学相控阵扫描器仅能实现激光光束的无机械扫描，不能提高扫描光束的功率和光束质量，限制了进一步在激光武器等领域的广泛应用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种高功率高光束质量光学相控阵扫描装置，实现高指向精度、高分辨率和快速的高功率激光光束无机械扫描。

本发明的技术解决方案如下：

一种高功率高光束质量光学相控阵扫描装置，其特点在于该装置依次由主振激光器、达曼光栅分束器、第一傅立叶透镜、电控相控阵、第二傅立叶透镜、激光放大器阵列、达曼输入相位平板、第三傅立叶透镜和合束相位补偿器构成。

所述的达曼光栅分束器为经过算法优化设计的纯相位光栅，是一个衍射光学元件，其功能是在频谱面上能产生特定衍射级次的间距相等和有限个数的等光强光点阵列；

所述的电控相控阵为相位调制阵列，对达曼光栅分束器在第一傅立叶透镜的频谱面上产生的激光阵列进行相位调制，可为铌酸锂(LiNbO₃)晶体、钽酸锂晶体(LiTaO₃)、锆钛酸铅镧(PLZT)陶瓷等电光材料或液晶材料的光学相控阵器件；

所述的激光放大器阵列，是与达曼光栅分束器在第一傅立叶透镜的频谱面上产生的激光阵列相对应的固体激光放大器阵列或光纤激光放大器阵列；

所述的达曼输入相位平板是由达曼光栅分束器的频谱面上特定衍射级次的等强度光场相位所制作的相位板。

所述的合束相位补偿器是与达曼光栅分束器的相位共轭的衍射光学元件，该补偿器的相位分布是达曼光栅分束器相位分布的复数共轭，用于对合束光场进行相位补偿，获得远场单一主瓣的高光束质量激光光束。

本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：