基于液晶相控阵的聚焦式相干合成建模及性能.pdf

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1、第27卷第5期强激光与粒子束Vo1.27,NO.52015年5月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSMay,2015基于液晶相控阵的聚焦式相干合成建模及性能杨镇铭,孔令讲,肖锋,陈建,杨晓波,汪相如(1.电子科技大学电子工程学院,成都611731;2.电子科技大学光电信息学院,成都6l1731)摘要:提出一种相干激光聚焦式传输进行相干合成的方法。通过液晶相控阵波束方向控制技术,可以在目标区域内的任意位置进行相干合成。基于实际参数,建立相干合成理论模型,在此模型下5束相干激光在距离为10012q、坐标为2m的位置进行相干合成后,激光的峰值光强增加到单束激光的16.9倍。

2、研究了目标区域内不同位置的峰值光强变化规律,分析发现光束抖动的直接原因是出射激光的相位面产生畸变,深层原因是电压量化引起的相位延迟误差。量化位数小于I6时,增加量化位数可以显著减小位置误差,提高峰值光强;量化位数大于16时,量化位数不再是位置误差的主要原因。传播距离大于5000m时聚焦式相干合成可等效为平行式相干合成,N束激光合成后峰值光强接近单束激光的N倍。关键词:相干合成;液晶相控阵;位置误差;量化位数中图分类号:TN249文献标志码:Adoi:10.11884/HPLPB201527.05i015目前对于相干合成的研究主要集中在两个方面:相干激光的获取n]和相位精确锁定]。相干激光一般

3、由种子激光源经分束、放大后得到,分束的方式为分割振幅或者分割波阵面,实际应用中通常利用衍射光栅作为分束器件。相位锁定分为主动相位锁定与被动相位锁定_1“]。主动锁定通过调相元件对相位进行主动控制,得到相干度极高的相干激光,缺点是复杂设备引起的系统可靠性降低;被动锁定通过耦合方式实现,系统结构简单,但是输出激光的相干度略低。综上所述,研究目的是保证激光的相干性,以实现相干叠加,获得光强尽可能高的合成激光。在现有工作模式下相干激光一般以平行方式出射,而对于其他出射方式的研究较少。本文基于实际液晶相控阵器件,结合光学相控阵波束方向控制技术和相干合成原理,在相干激光以聚焦方式传输的情景下,建立了相干

4、合成的理论模型,分析了目标区域内不同空间位置的光强分布,深入研究了光束抖动下相干合成性能的变化,最后论证了传输距离对激光相干度的影响。l聚焦式相干合成理论模型液晶相控阵是利用液晶作为移相器件的光学相控阵,由液晶盒以及在液晶盒表面平行分布的多根独立电极组成,每根电极及其影响的液晶区域组成一个移相单元。激光透过液晶相控阵时,控制外围驱动电路对电极加载正确的电压,根据液晶的电压一相位延迟曲线,每个移相单元对透过的部分激光进行相位调制,当相邻移相单元的相位延迟差△恒定时,根据相控阵公式△—一in(1)A式中:表示激光波长,d表示电极宽度。出射激光在0方向干涉相加,在其他方向干涉相消,从而实现激光偏转

5、臼角度。以单个液晶相控阵为子阵,利用』\,个液晶相控阵组成1×N液晶相控阵阵列,N束激光分别对准N个液晶相控阵准直入射。液晶相控阵、外围驱动电路和入射激光共同构成光束偏转系统。驱动电路对每个液晶相控阵加载正确的电压,控制每束激光偏转相应的角度,使多束出射激光均对准目标位置。由于入射激光满足相干性,设定偏振方向与液晶的光轴方向一致时,出射激光具有相同方向的偏振分量,满足部分相干条件。相干激光在目标位置相遇,进行相干合成。在液晶相控阵波控精度足够高的情况下,可以在目标区域内的任意位置获取高强度合成激光。设液晶相控阵编号为C,C,⋯,c⋯,C,阵列间距为h,阵列平面为一Y平面,目标平面为:r-y平

6、面,阵列法线为z轴。由于液晶相控阵为一维偏转阵列,偏转范围在.Z'-Z平面,因此考虑jr-坐标。设目标位置为*收稿日期:2014—08—01;修订日期:2015一O2一O9基金项目:国家自然科学基金项目(61178068)作者简介:杨镇铭(1989一),男,硕士研究生,主要从事液晶相控阵激光雷达和阵列信号处理方面的研究;herosca@163.COnl。通信作者:孔令讲(1974),男,博士,教授,主要从事新体制雷达系统与雷达信号处理等方面的研究;ljkong@uestc.edu.O12。O51Ol5—1强激光与粒子束P(x,),通过1×N阵列实现聚焦式相干合成的结构如图1所示。由几何光学得

7、到C的出射激光偏转角度0一arctanE(x一~~Cn-midd】。)/](2)式中:zcdd】一(一1)一(N一1)h/2(===1,2,3,⋯,N),为C的中心位置坐标。将代人式(1)得到相邻电极实现的相位延迟差△,出射激光相位面为一Eo,△,2AF,⋯,M△],其中M表示C包含的电极数量。以为变量表示的出射激光复振幅函数o)一t()%(3)P..式中:zc∈Exc一。dd】一D/2,.32C一。dd】+

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