高速电光相控阵二维激光光束扫描器的制作方法

专利名称：高速电光相控阵二维激光光束扫描器的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光光束扫描器，特别是一种高速电光相控阵二维激光光束扫描器。它的主要部件是衍射光栅和两个垂直安插的一维晶体平板调制阵列，改变调制阵列电压的大小即可实现光束的二维扫描，主要应用于激光雷达，激光通信、激光3D显示和瞄准跟踪等技术领域。
背景技术：
激光光束扫描系统在激光雷达，激光通信，激光3D显示和瞄准跟踪等领域中有重要的应用，是当前研究的一个热点。激光光束扫描器有模拟型(扫描角度连续可变)和数字型(固定最小偏移角)两种。通常所用的二维光束扫描器大多采用电机械扫描原理，属模拟型扫描，其缺点是受机械传动精度影响，扫描精度有限，微小化程度低。另一种近年发展起来的电光控制液晶光栅数字偏转器虽已较实用化，但其偏转范围非常有限，在激光通信、激光雷达和跟瞄技术领域中的使用受到限制。
光学相控阵光束扫描器通过控制各相控单元的相位得到所需的偏转指向，先技术[1-2]([1]参见James A，Mark Lasher，Yeshaiahn Fainmanet al，‘A PLZT-based dynamic diffractive optical element for highspeed，random-access beaming steering’. [C]Proc.SPIE，1997，3131124-131. [2]参见James A.Thomas andYeshaiahu Fainman.‘Optimal cascade operation of opticalphased-array beam deflectors.’)皆采用衍射光学元件(DOE)来实现光束的扫描和偏转，此方法由于相控单元尺寸很小，生产工艺难度大，成本高，并且难以消除衍射所带来的光学问题，当相控单元的数目增加时，其扫描范围会急剧下降。先技术[3-4]([3]参见朱雨心，相控阵光学装置及方法，专利号97119771；[4]参见吕秀品，孙秀平，冯克成，刘伟奇，“基于PLZT材料的光学相控阵扫描器的设计和模拟”，中国激光，2003，30(4)51-52)虽在前者的基础上进行了改进，但依然具有无法消除衍射影响和高精度装置实现难的缺点。先技术[5](参见DavidA.Scrymgeour，Yaniv Barad，Venkatraman Gopaian，Kevin T.Gahagan，Quanxi Jia，Terence E. Mitchell，and Jeanne M. Robinson.‘Large-angle electro-optic laser scanner on LiTaO3 fabricated byin situ monitoring of ferroelectric-domain micropatterning’.Applied Optics，2001，40(34)6236-6241)采用角形LiTaO3晶片结构设计实现了大角度范围的光束偏转，但也具有电压变化太大，入射光束直径受限的缺点。

发明内容
本发明要解决的技术问题碍于克服上述在先技术的不足，提供一种高速电光相控阵二维激光光束扫描器，本发明的特点是扫描速度快、精度高、没有机械运动、结构简单、稳定可靠并有一定集成度。
本发明是利用LiNdO3晶体的电光效应，在调制二维相控阵的基础上实现光束的二维扫描。
本发明的技术解决方案如下一种高速电光相控阵二维激光光束扫描器，其特征在于它的构成是沿光束前进的方向依次包括；平面衍射光栅、准直透镜、水平扫描组件、垂直扫描组件，还有供水平扫描组件插设的电极插座和供垂直扫描组件插设的电极插座；所述的平面衍射光栅位于准直透镜的焦平面上；所述的水平扫描组件是由多块沿光轴方向切割的结构相同的铌酸锂晶体平板组合而成的晶体平板阵列，而且每一块铌酸锂晶体平板之间依序设有由短至长的等差长度的电极，所述的一系列电极插入电极插座；所述的垂直扫描组件与所述的水平扫描组件结构相同，只是二者置放的方位相互垂直。
所述的垂直扫描组件后边加设一个准直透镜，可实现近距离(焦面上)扫描，不加准直透镜则实现远距离扫描，视具体应用添加。
所述的高速电光相控阵二维激光光束扫描器的制备方法，其特征在于该方法的具体步骤如下①确定激光光源和扫描波长半导体激光器具有体积小，重量轻，使用寿命长和商品较成熟等特点，非常适合做本发明的光源，根据现有半导体激光器的类型和特点选择扫描波长为0.8μm；②晶体材料的选择选择LiNbO3晶体作为相控阵调制器的材料；③尺寸的匹配和光栅的选择由输出口径、晶片厚度以及平面衍射光栅的特点进行尺寸的匹配和光栅的选择，一般情况下，晶片厚度可切为0.5mm-1mm，根据输出口径大小和分光束之间的距离与焦距的关系确定光栅常数为1/50，透镜通光口径Φ10mm，焦距20mm；④晶体的切割本发明使用的是光平行于晶体光轴方向传播时的横向电光效应，切割时先找出晶体的光轴，沿晶体光轴进行切割，xy平面为垂直光轴的平面，E为所加电场方向。这样切割出来的晶片有效电光系数为7(单位10-12m/V)。切割厚度为0.5mm。
⑤制作阶梯电极制作方法是在一块晶体平板的两面分别镀上一层铜，由扫描角度范围确定电压变化范围，确定所需电极长度后，腐蚀掉不需要的部分，留下所需长度，然后引出接头，各电极接头插入电极插座。
⑥组装。
本发明的基本原理如下，晶体在强电场的作用下，其双折射性质会发生变化，称之为电光效应，利用晶体的电光效应实现光束的偏转。如用电级沿垂直光束传播方向给一块晶体加上电场，如晶体平板的厚度为h，长度为d，电极长度为de，光束通过晶体后其位相延迟为δ=2πλno3γ(deh)U----(1)]]>式中，δ为位相延迟，λ为入射波波长，no为o光折射率，γ为晶体的电光系数，U为所加电压，这个位相延迟将使光束发生偏转，由(1)式可看出，如果给晶体加上相同的电压，由于电极长度的不同，其位相延迟不同，则光束的偏转方向不同，根据此原理，把相同的晶片叠加在一起，分别插上不同的电级，当N束光入射到加了电压的晶体组件上，出射时每束光都会发生偏转，电极长度相同偏转方向相同，电极长度不同偏转方向不同，设晶体组件的有效口径为D，则光束偏转角为θ=δλ2πD=N(U)λD------(2)]]>其中N(U)=δ(U)2π,]]>是最大电光调制波长数。若电压连续可变，则实现一维连续扫描。
本发明的技术效果，经初步实验表明本发明具有扫描速度快、精度高、没有机械运动、结构简单、稳定可靠并有一定集成度的特点。


图1是本发明基本结构2为本发明原理示意3为LiNbO3晶体平板水平调制阵列结构4为LiNbO3晶体平板垂直调制阵列结构5为光束水平扫描示意6为光束垂直扫描示意7LiNbO3晶体的切割示意8为切割好的LiNbO3晶片具体实施方式
先请参阅图1，图1是本发明基本结构图，由图可见，本发明高速电光相控阵二维激光光束扫描器的构成是沿光束前进的方向依次包括；平面衍射光栅1、准直透镜2、水平扫描组件3、垂直扫描组件4，还有供水平扫描组件3插设的电极插座5和供垂直扫描组件4插设的电极插座6；所述的平面衍射光栅1位于准直透镜2的焦平面上；所述的水平扫描组件3是由多块沿光轴方向切割的结构相同的铌酸锂晶体平板31组合而成的晶体平板阵列，而且每一块铌酸锂晶体平板31之间依序设有由短至长的等差长度的电极32，所述的一系列电极32插入电极插座5；所述的垂直扫描组件4是由多块沿光轴方向切割的结构相同的铌酸锂晶体平板41组合而成的晶体平板阵列，而且每一块铌酸锂晶体平板41之间依序设有由短至长的等差长度的电极42，一系列电极42插入电极插座6；所述的垂直扫描组件4与所述的水平扫描组件3结构相同，只是二者置放的方位相互垂直。
一束激光通过平面衍射光栅1，由于光栅的衍射，光束沿不同衍射方向被分成N×N束，光栅位于透镜2的焦面，光束通过透镜2后变成N×N束平行光，分别入射到调制阵列，调制阵列中每片晶片大小和入射光束相匹配。当给调制阵列施加相同电压时，由于电极长度的不同将产生不同的相位延迟，这个线性延迟将产生光束的偏转，改变电压大小即可实现光束的连续扫描。
水平扫描示意图见图5，把两个相同的晶体组件垂直放置，二维扫描就实现了，垂直扫描示意图见图6。
下面结合附图和具体实施例说明本发明高速电光相控阵二维激光光束扫描器的制备方法利用上述原理设计一个输出口径为7mm×7mm的高速电光相控阵二维激光光束扫描器。尺寸可根据需要进行调整。其具体步骤如下(1)确定激光光源和扫描波长半导体激光器具有体积小，重量轻，使用寿命长和商品较成熟等特点，非常适合做本发明的光源，根据现有半导体激光器的类型和特点选择扫描波长为0.8μm。也可根据具体使用更换。
(2)晶体材料的选择选择LiNbO3晶体作为相控阵调制器的材料，它具有性能稳定，尺寸大，易于生长，电光系数较高，价格便宜等优点。
(3)尺寸的匹配和光栅的选择由输出口径、晶片厚度以及平面衍射光栅的特点进行尺寸的匹配和光栅的选择。一般情况下，晶片厚度可切为0.5mm-1mm，一束光通过衍射光栅，衍射图样由下式确定sinθ=mλ(a+b)-----(3)]]>式中，θ为衍射角，m为主极大级次，(a+b)为光栅常数。两个主极大之间的距离Δx为Δx=λ(a+b)·f-----(4)]]>式中，f为透镜焦距。
一般情况下，晶片厚度可切为0.5mm-1mm，根据输出口径大小和分光束之间的距离与焦距的关系确定光栅常数为1/50，透镜通光口径Φ10mm，焦距20mm。
(4)晶体的切割本发明使用的是光平行于晶体光轴方向传播时的横向电光效应，切割时先将晶体的光轴找出，按照图7所示方向进行切割，图7中，z轴为晶体光轴，xy平面为垂直光轴的平面，E为所加电场方向。这样切割出来的晶片有效电光系数为7(单位10-12m/V)。切割厚度为0.5mm。在本发明中，晶体的电光系数越大，相同电压条件下的光束偏转角将越大，在晶体尺寸允许的情况下可采用其它浪费较大但电光系数也相应增大的切割方式。
(5)制作阶梯电极制作方法在一块晶体平板的两面分别镀上一层铜，由扫描角度范围确定电压变化范围，确定所需电极长度后，腐蚀掉不需要的部分，留下所需长度，然后引出接头(如图3和图4中的07，08所示)。各级电极接头插入电极插座(如图3和图4中的05，06所示)，插座可直接接电源。当波长为0.8μm时，晶体o光的折射率为2.2571，联合(1)式和(2)式可得θ=no3γUh·deD----(5)]]>如最大所加为600V，最大电极长度为25mm，由(5)式估算出最大扫描范围为0.345mrad。要想增大扫描范围，可增大调制电压，加长电极长度，改善切割方式提高晶体电光系数，如波长为0.6328μm，晶体的最佳切割可使电光系数高达40.3(单位10-12m/V)，相同条件下扫描范围提高6倍。此外，也可减小输出口径和晶片厚度，如有大尺寸的晶体，相同条件下扫描范围可提高2-4倍。
(6)组装。把制作好的各元件按照图1所示的结构组装好就构成了一个高速电光相控阵二维激光光束扫描器。实验结果表明，其扫描速度可达100ns/行。
权利要求
一种高速电光相控阵二维激光光束扫描器，其特征在于它的构成是沿光束前进的方向依次包括；平面衍射光栅(1)、准直透镜(2)、水平扫描组件(3)、垂直扫描组件(4)，还有供水平扫描组件(3)插设的电极插座(5)和供垂直扫描组件(4)插设的电极插座(6)；所述的平面衍射光栅(1)位于准直透镜(2)的焦平面上；所述的水平扫描组件(3)是由多块沿光轴方向切割的结构相同的铌酸锂晶体平板(31)组合的晶体平板阵列，而且每一块铌酸锂晶体平板(31)之间依序设有由短至长的等差长度的电极(32)，所述的一系列电极(32)插入电极插座(5)；所述的垂直扫描组件(4)是由多块沿光轴方向切割的结构相同的铌酸锂晶体平板(41)组合的晶体平板阵列，而且每一块铌酸锂晶体平板(41)之间依序设有由短至长的等差长度的电极(42)，一系列电极(42)插入电极插座(6)；所述的垂直扫描组件(4)与所述的水平扫描组件(3)结构相同，只是二者置放的方位相互垂直。
2.根据权利要求1所述的高速电光相控阵二维激光光束扫描器，其特征在于所述的垂直扫描组件(4)后边加设一个准直透镜。
3.根据权利要求1所述的高速电光相控阵二维激光光束扫描器的制备方法，其特征在于该方法的具体步骤如下①确定激光光源和扫描波长半导体激光器具有体积小，重量轻，使用寿命长和商品较成熟等特点，非常适合做本发明的光源，根据现有半导体激光器的类型和特点选择扫描波长为0.8μm；②晶体材料的选择选择LiNbO3晶体作为相控阵调制器的材料；③尺寸的匹配和光栅的选择由输出口径、晶片厚度以及平面衍射光栅的特点进行尺寸的匹配和光栅的选择，一般情况下，晶片厚度可切为0.5mm-1mm，根据输出口径大小和分光束之间的距离与焦距的关系确定光栅常数为1/50，透镜通光口径Φ10mm，焦距20mm；④晶体的切割本发明使用的是光平行于晶体光轴方向传播时的横向电光效应，切割时先找出晶体的光轴，沿晶体光轴进行切割，xy平面为垂直光轴的平面，E为所加电场方向。这样切割出来的晶片有效电光系数为7(单位10-12m/V)。切割厚度为0.5mm。⑤制作阶梯电极制作方法是在一块晶体平板的两面分别镀上一层铜，由扫描角度范围确定电压变化范围，确定所需电极长度后，腐蚀掉不需要的部分，留下所需长度，然后引出接头，各电极接头插入电极插座。⑥组装。
全文摘要
一种高速电光相控阵二维激光光束扫描器，其特征在于它的构成是沿光束前进的方向依次包括；平面衍射光栅、准直透镜、水平扫描组件、垂直扫描组件，还有供水平扫描组件插设的电极插座和供垂直扫描组件插设的电极插座；所述的平面衍射光栅位于准直透镜的焦平面上；所述的水平扫描组件是由多块沿光轴方向切割的结构相同的铌酸锂晶体平板组合而成的晶体平板阵列，而且每一块铌酸锂晶体平板之间依序设有由短至长的等差长度的电极，所述的一系列电极插入电极插座；所述的垂直扫描组件与所述的水平扫描组件结构相同，只是二者置放的方位相互垂直。本发明的特点是扫描速度快、精度高、没有机械运动、结构简单、稳定可靠并有一定集成度。
文档编号G02F1/29GK1554978SQ20031012262
公开日2004年12月15日 申请日期2003年12月19日 优先权日2003年12月19日
发明者万玲玉, 刘立人, 张明丽, 孙建锋 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所