一种无机械活动部件的激光双视向扫描组件系统的制作方法

1.本发明涉及激光扫描技术领域，特别是一种无机械活动部件的激光双视向扫描组件系统。


背景技术：

2.传统的测风激光雷达系统通过在激光发射系统中采用扫描器件或者采用多个固定方向的光学镜头来实现对多个径向方向上的激光回波信号进行多普勒频移的测量，最终通过径向风速与矢量风场的关系来反演空间矢量风场廓线。
3.采用光学机械扫描器件的方式存在以下不足：
4.存在活动部件失效的风险，不太适用于星载卫星平台；采用多个固定视向的光学镜头扫描的方式，虽然能够实现矢量风场的观测，但是存在系统体积与重量过大，并且额外增加了测风激光雷达系统激光器的发射能量。


技术实现要素：

5.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种无机械活动部件的激光双视向扫描组件系统，在无活动机械部件的条件下，实现激光在不同视向方向上的切换。
6.本发明的技术解决方案是：
7.一种无机械活动部件的激光双视向扫描组件系统，包括光源、液晶相位延迟器、偏振分束棱镜、第一偏振片、第二偏振片、第一反射元件、第二反射元件；
8.所述液晶相位延迟器接收所述光源发出的激光，通过改变外部驱动电压切换入射激光的偏振方向，外部驱动电压为第一驱动电压时，输出第一偏振方向激光，外部驱动电压为第二驱动电压时，输出第二偏振方向激光；
9.所述偏振分束棱镜接收从所述液晶相位延迟器输出的激光，根据激光的偏振方向，使所述第一偏振方向激光向第一方向输出或使所述第二偏振方向激光向第二方向输出；
10.所述第一偏振片和第二偏振片用于过滤特定偏振方向上的激光；
11.所述第一反射元件和第二反射元件用于改变激光出射角度；
12.从所述偏振分束棱镜向第一方向输出的激光依次经过所述第一偏振片和第一反射元件形成第一视向扫描激光束，或依次经过所述第一反射元件和第一偏振片形成第一视向扫描激光束；
13.从所述偏振分束棱镜向第二方向输出的激光依次经过所述第二偏振片和第二反射元件形成第二视向扫描激光束，或依次经过所述第二反射元件和第二偏振片形成第二视向扫描激光束。
14.优选的，所述光源发出的激光垂直于所述液晶相位延迟器表面入射。
15.优选的，所述液晶相位延迟器输出的激光垂直于所述偏振分束棱镜表面入射。
16.优选的，所述第一偏振片或第二偏振片的入射激光垂直于其表面入射。
17.优选的，所述第一反射元件或第二反射元件的入射激光与其表面成45
°
入射。
18.优选的，所述光源发出激光的波长为532nm，所述液晶相位延迟器的第一驱动电压、第二驱动电压分别为25v、2v，所述偏振分束棱镜的水平偏振透射率为96％，垂直偏振的反射率为100％，所述第一偏振片或第二偏振片偏振的光谱范围为500nm～720nm，消光比为10000:1。
19.优选的，所述光源发出激光的波长为632.8nm，所述液晶相位延迟器的第一驱动电压、第二驱动电压分别为25v、1.5v，所述偏振分束棱镜的水平偏振透射率为98％，垂直偏振的反射率为100％，所述第一偏振片或第二偏振片偏振的光谱范围为500nm～720nm，消光比为10000:1。
20.优选的，所述光源发出激光的波长为1064nm，所述液晶相位延迟器的第一驱动电压、第二驱动电压分别为25v、1.2v，所述偏振分束棱镜的水平偏振透射率为99％，垂直偏振的反射率为100％，所述第一偏振片或第二偏振片偏振的光谱范围为650nm～2000nm，消光比优于1000:1。
21.优选的，所述光源发出激光的波长为1.5μm，所述液晶相位延迟器的第一驱动电压、第二驱动电压分别为25v、1.5v，所述偏振分束棱镜的水平偏振透射率为97％，垂直偏振的反射率为99％，所述第一偏振片或第二偏振片偏振的光谱范围为1500nm～1570nm，消光比为优于10000：1。
22.优选的，所述光源发出激光的波长为2μm，所述液晶相位延迟器的第一驱动电压、第二驱动电压分别为25v、1v，所述偏振分束棱镜的水平偏振透射率为97％，垂直偏振的反射率为100％，所述第一偏振片或第二偏振片偏振的光谱范围为650nm～2000nm，消光比优于1000:1。
23.本发明与现有技术相比的优点在于：
24.本发明提供的一种无机械活动部件的激光双视向扫描组件系统，在不采用活动机械部件的条件下，采用一束激光即可实现激光在两个不同视向方向上的扫描切换，提高了激光多视向扫描观测中的可靠性和灵活性，同时降低了激光发射能量，可实现532nm、632.8nm、1064nm、1.5μm、2.0μm等测风激光雷达的激光发射信号在任意两个观测视向上的快速切换。
附图说明
25.图1为本发明实施方式1的无机械活动部件的激光双视向扫描组件系统结构示意图；
26.图2为本发明实施方式2的无机械活动部件的激光双视向扫描组件系统结构示意图；
27.图3为本发明实施方式3的无机械活动部件的激光双视向扫描组件系统结构示意图；
28.图4为本发明实施方式4的无机械活动部件的激光双视向扫描组件系统结构示意图。
具体实施方式
29.为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本技术技术方案做详细的说明，应当理解本技术实施例以及实施例中的具体特征是对本技术技术方案的详细的说明，而不是对本技术技术方案的限定，在不冲突的情况下，本技术实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
30.一种无机械活动部件的激光双视向扫描组件系统，包括光源、液晶相位延迟器1、偏振分束棱镜2、第一偏振片3、第二偏振片4、第一反射元件5和第二反射元件6。
31.所述光源用于发出激光，所述液晶相位延迟器1用于切换入射激光的偏振方向，所述偏振分束棱镜2用于向与输入激光偏振方向相对应的方向上输出激光，所述第一偏振片3或第二偏振片4用于过滤激光偏振状态，所述第一反射元件5或第二反射元件6用于改变激光出射角度。
32.从光源发出的激光经过所述液晶相位延迟器1，输出第一偏振方向激光或第二偏振方向激光，所述偏振分束棱镜2接收从所述液晶相位延迟器1输出的激光，使所述第一偏振方向激光向第一方向输出或使所述第二偏振方向激光向第二方向输出；
33.向第一方向输出的激光依次经过所述第一偏振片3和第一反射元件5或依次经过所述第一反射元件5和第一偏振片3形成第一视向扫描激光束；
34.向第二方向输出的激光依次经过所述第二偏振片4和第二反射元件6或依次经过所述第二反射元件6和第二偏振片4形成第二视向扫描激光束。
35.图1为本发明实施方式1的无机械活动部件的激光多视向扫描组件系统结构示意图。
36.在本实施例中，光源为激光器系统，发射出的激光信号的偏振态为线偏振激光，线偏振激光经过液晶相位延迟器1的透射后，传输到偏振分束棱镜2。
37.所述液晶相位延迟器1由填满液晶分子溶液的透明液晶盒构成，用作可变波片。在未加外部驱动电压的情况下，液晶分子的取向由取向膜决定。取向膜由有机聚酰亚胺膜层构成，分子在制造期间沿摩擦方向排列。由于液晶材料的双折射性，所述液晶相位延迟器1可以用作光学各向异性波片，机械外壳上标有慢轴，与延迟器的表面平行。液晶盒壁的两个平行面镀有透明导电膜，可在液晶盒上施加电压。施加交流电压后，液晶分子会根据所施外部驱动电压默认排列方向。因此，通过改变施加电压可以主动控制液晶相位延迟器1的延迟，从而改变入射激光的偏振方向。
38.当施加到所述液晶相位延迟器1外部的外部驱动电压为高压模式时，经由透射过液晶相位延迟器1的线偏振激光的相位延迟量为π/2，这时线偏振激光的偏振态依然是线偏振激光，偏振方向变为垂直偏振，即在本实施例中第一偏振方向为垂直偏振，然后经由所述偏振分束棱镜2反射输出，即在本实施例中，所述偏振分束棱镜2输出激光的第一方向为所述偏振分束棱镜2的反射方向；当施加到所述液晶相位延迟器1外部的外部驱动电压为低压模式时，经由透射过液晶相位延迟器1的线偏振激光的相位延迟量为0，这时线偏振激光的偏振态依然是线偏振激光，偏振方向仍然保持水平偏振，即在本实施例中第二偏振方向为水平偏振；然后经由所述偏振分束棱镜2透射输出，即在本实施例中，所述偏振分束棱镜2输出激光的第二方向为所述偏振分束棱镜2的透射方向；基于以上特征，就可以通过综合利用所述液晶相位延迟器1与偏振分束棱镜2的特性，实现输入激光从所述偏振分束棱镜2的两
个方向输出的切换，即从反射方向或者透射方向输出的切换。
39.进一步，从所述偏振分束棱镜2反射方向输出的激光，传输到第一偏振片3，经过第一偏振片3对平行于纸面的激光进行隔离后，垂直于纸面的线偏振激光照射到第一反射元件5，并经由第一反射元件5的反射后，形成了第一视向的激光束，在本实施例中，第一反射元件5为平面反射镜；
40.从所述偏振分束棱镜2透射方向输出的激光，透射后传输到第二偏振片4，经过第二偏振片4对垂直于纸面的激光进行隔离后，平行于纸面的线偏振激光照射到第二反射元件6，经由第二反射元件6的反射后，形成了第二视向的激光束。
41.在本实施例中，为提高系统激光传输效率和降低系统杂散光干扰，光源发出的激光传输方向要与所述液晶相位延迟器1的表面垂直，从所述液晶相位延迟器1输出的激光垂直与所述偏振分束棱镜2的表面入射，同时，第一偏振片3与第二偏振片4的入射面与激光传输方向也相互正交。面向激光测风雷达空间矢量风场测量需求，第一反射元件5、第二反射元件6与其入射激光的方向夹角为45
°
，这样在空间形成的扫描激光束分布呈现几何对称的情况。
42.图2为本发明实施方式2的无机械活动部件的激光多视向扫描组件系统结构示意图，在此实施方式中，所述偏振分束棱镜2向第二方向输出的激光，即经所述偏振分束棱镜2透射的激光，先照射在第二反射元件6上反射后，传输到第二偏振片4，经过第二偏振片4对垂直于纸面的激光进行隔离后，平行于纸面的线偏振激光形成了第二视向的激光束。
43.图3为本发明实施方式3的无机械活动部件的激光多视向扫描组件系统结构示意图，在此实施方式中，所述偏振分束棱镜2向第一方向输出的激光，即经所述偏振分束棱镜2反射的激光，先照射在第一反射元件5上反射后，传输到第一偏振片3，经过第一偏振片3对平行于纸面的激光进行隔离后，垂直于纸面的线偏振激光形成了第一视向的激光束。
44.图4为本发明实施方式4的无机械活动部件的激光多视向扫描组件系统结构示意图，在此实施方式中，所述偏振分束棱镜2向第一方向输出的激光，即经所述偏振分束棱镜2反射的激光，先照射在第一反射元件5上反射后，传输到第一偏振片3，经过第一偏振片3对平行于纸面的激光进行隔离后，垂直于纸面的线偏振激光形成了第一视向的激光束；所述偏振分束棱镜2向第二方向输出的激光，即经所述偏振分束棱镜2透射的激光，先照射在第二反射元件6上反射后，传输到第二偏振片4，经过第二偏振片4对垂直于纸面的激光进行隔离后，平行于纸面的线偏振激光形成了第二视向的激光束。
45.进一步，本发明无机械活动部件的激光多视向扫描组件系统可通过选配所述液晶相位延迟器1、偏振分束棱镜2、第一偏振片3及第二偏振片4的参数从而实现不同波长的激光信号扫描。
46.以下通过具体的实施案例加以说明。
47.对于光源发出的激光波长为532nm的无机械活动部件的激光多视向扫描组件系统，所述液晶相位延迟器1的高压模式对应的外部驱动电压为25v，低压模式对应的外部驱动电压为2v，所述偏振分束棱镜2的水平偏振透射率为96％，垂直偏振的反射率为100％，所述第一偏振片3或第二偏振片4偏振的光谱范围为500nm～720nm，消光比为10000:1。
48.对于光源发出的激光波长为632.8nm的无机械活动部件的激光多视向扫描组件系统，所述液晶相位延迟器1的高压模式对应的外部驱动电压为25v，低压模式对应的外部驱
动电压为1.5v，所述偏振分束棱镜2的水平偏振透射率为98％，垂直偏振的反射率为100％，所述第一偏振片3或第二偏振片4偏振的光谱范围为500nm～720nm，消光比为10000:1。
49.对于光源发出的激光波长为1064nm的无机械活动部件的激光多视向扫描组件系统，所述液晶相位延迟器1的高压模式对应的外部驱动电压为25v，低压模式对应的外部驱动电压为1.2v，所述偏振分束棱镜2的水平偏振透射率为99％，垂直偏振的反射率为100％，所述第一偏振片3或第二偏振片4偏振的光谱范围为650nm～2000nm，消光比优于1000:1。
50.对于光源发出的激光波长为1.5μm的无机械活动部件的激光多视向扫描组件系统，所述液晶相位延迟器1的高压模式对应的外部驱动电压为25v，低压模式对应的外部驱动电压为1.5v，所述偏振分束棱镜2的水平偏振透射率为97％，垂直偏振的反射率为99％，所述第一偏振片3或第二偏振片4偏振的光谱范围为1500nm～1570nm，消光比为10000：1。
51.对于光源发出的激光波长为2.0μm的无机械活动部件的激光多视向扫描组件系统，所述液晶相位延迟器1的高压模式对应的外部驱动电压为25v，低压模式对应的外部驱动电压为1.0v，所述偏振分束棱镜2的水平偏振透射率为97％，垂直偏振的反射率为100％，所述第一偏振片3或第二偏振片4偏振的光谱范围为650nm～2000nm，消光比优于1000:1。
52.本发明无机械活动部件的激光多视向扫描组件系统可实现激光在不同视向方向上的快速切换扫描的目标，实现快速扫描的目标，扫描的快慢可以任意改变，扫描的速度由液晶相位延迟器外部电压驱动信号切换的速度与液晶器件的响应速度来决定，最大的响应速度可以达到10khz。
53.本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。