[发明专利]一种基于液晶相控阵的聚焦式相干合成方法

摘要

该发明一种基于液晶相控阵的聚焦式相干合成方法，属于液晶相控阵领域，特别是涉及一种采用液晶相控阵进行激光相位调制的聚焦式相干合成方法。液晶相控阵可以对入射激光进行相位调制，控制出射激光使其偏转不同的角度，多个液晶相控阵按照一定方式排列组成激光出射阵列，多束相干激光通过阵列后，分别偏转不同的角度，以聚焦的形式照射到目标位置；多束相干激光在目标位置相遇，实现相干合成，基于聚焦式相干合成方式，目标位置可以在从近到远的任意位置选取，从而具有在近距离和远距离空间均能够进行相干合成、提升激光强度的效果。

主权项

一种基于液晶相控阵的聚焦式相干合成方法，该方法包括：步骤1：初始化液晶相控阵参数为了进行聚焦式相干合成处理，需要提供如下参数，包括：激光工作波长，记做λ；液晶相控阵包含的移相单元数量M，相邻移相单元之间的间距d；激光满足相干条件，即频率f相同，相位差φ恒定，偏振方向κ相同；为了保证N束激光经过阵列后仍然满足相干条件，设置激光的初始偏振方向与液晶的光轴方向一致；步骤2：基于N个液晶相控阵建立1×N阵列N个液晶相控阵按照一维矩阵排列组成1×N阵列，相邻液晶相控阵之间的中心距离为h，作为相干激光的方向控制阵列；液晶相控阵依次编号为C₁,C₂,...,C_n,...,C_N，相干激光依次编号为L₁,L₂,...,L_n,...,L_N；在阵列所在平面建立直角坐标系x₀‑y₀，原点设为O₀，在目标位置所在平面建立坐标系x‑y，原点设为O；x‑y平面与x₀‑y₀平面之间的距离为z，即为相干激光的传播距离，C₁的对称中心与O₀重合，1×N阵列沿x₀方向排列；步骤3：选取相干合成的目标位置P确定相干合成的目标位置，包括传播距离z以及在x‑y平面内的目标位置坐标P(x,y)；步骤4：确定每束激光通过相应液晶相控阵后的偏转角度θ_n在x₀‑y₀平面内1×N阵列中第n个液晶相控阵C_n的中心位置坐标为(x_n,0)，其中x_n＝(N‑1)·h，根据聚焦式传播过程，L_n通过C_n后传播到目标位置，根据目标位置坐标得到L_n通过C_n后的偏转角度θ_n，其计算公式为由此可得，相干激光L₁,L₂,...,L_n,...,L_N通过1×N阵列C₁,C₂,...,C_n,...,C_N后的偏转角度依次为θ₁,θ₂,...,θ_n,...,θ_N；步骤5：确定每个液晶相控阵的调制相位面φ_n根据相控阵原理，对于1×N阵列中第n个液晶相控阵C_n来说，当相邻移相单元的调制相位差恒定时，L_n通过C_n后的偏转角度为θ_n，其中与θ_n满足公式由此可得C_n中所有移相单元T_n＝[t₁,t₂,...,t_n,...,t_M]实现的调制相位量为；其中M为C_n中包含的移相单元数量，在x₀‑y₀平面内L_n通过C_n后的激光复振幅的数学表达式为；其中x₀为液晶相控阵的孔径，L为1×N阵列的长度，D为液晶相控阵的长度，d为相邻移相单元的间距，k为移相单元的编号；步骤6：聚焦式空间传播过程为了使方法的结果尽量精确，利用基尔霍夫衍射公式描述相干激光通过阵列后的传播过程；L_n的复振幅平面传播到x‑y平面，P(x,y)是相干合成的目标位置，在x‑y平面内；在P(x,y)处激光的复振幅表达式为$U_{L_n}(x,y)=\frac{1}{\mathrm{i\λ}}{\∫\∫}_{\mathrm{\Σ}}{E}_{L_n}(x_0,y_0)\frac{\exp \left(\mathrm{ikz}\right)}{z}\·\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_n+1}{2}{\mathrm{dx}}_0{\mathrm{dy}}_0,$其中z代表x₀‑y₀平面与x‑y平面的距离，θ_n代表L_n通过C_n后的偏转角度；步骤7：在目标位置进行相干合成N束激光L₁,L₂,...,L_n,...,L_N通过1×N阵列C₁,C₂,...,C_n,...,C_N后均传播到目标位置P(x,y)；根据相干合成公式得到N束激光在目标位置P(x,y)进行相干合成后，合成激光的复振幅表达式为U_co(x,y)，合成光强表达式为I_co＝U_co(x,y)·U_co(x,y)^*；步骤8：改变目标位置坐标P(x,y)，返回步骤3，重复步骤3～步骤8，完成其它角度的激光相干合成。