專利名稱：基于光波導(dǎo)陣列電光掃描器的掃描光束邊瓣壓縮方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種利用光波導(dǎo)陣列實(shí)現(xiàn)的快速光波導(dǎo)陣列電光掃描器的掃描光束邊瓣壓縮的方法，可用于激光雷達(dá)、激光制導(dǎo)、激光顯示領(lǐng)域的光束掃描。
背景技術(shù)：
隨著激光雷達(dá)、激光制導(dǎo)、激光顯示技術(shù)的發(fā)展，對激光掃描的特性提出了更高的要求，實(shí)現(xiàn)激光掃描的技術(shù)方案有很多種，如光機(jī)掃描、電光掃描、聲光掃描、光學(xué)相控陣技術(shù)等。
光機(jī)掃描在諸如紅外成像等許多系統(tǒng)中已被廣泛采用，特別是近年來發(fā)展起來的微電子機(jī)械掃描技術(shù)，使這種技術(shù)得到更廣泛的應(yīng)用。光機(jī)掃描的優(yōu)點(diǎn)是掃描范圍大、光損耗小，但因其存在慣性器件，掃描速度慢，使其應(yīng)用受到限制。
電光、聲光掃描是利用電光、聲光效應(yīng)改變光束在空間傳播方向。這兩種掃描的優(yōu)點(diǎn)是掃描尋址速度快、可控性好，但是傳統(tǒng)的電光、聲光掃描由于控制電壓高、掃描范圍小、光損耗大，直接影響了它們的實(shí)際應(yīng)用。
近年來，光學(xué)相控陣技術(shù)OPA逐漸成為國際上研究光束掃描的熱點(diǎn)。光束控制的基本結(jié)構(gòu)是由若干個(gè)陣元構(gòu)成，通過控制入射到每個(gè)陣元中的光的相位延遲，使光束進(jìn)行空間掃描。光學(xué)相控陣具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、精確穩(wěn)定、方向可控優(yōu)點(diǎn)，可通過程序控制實(shí)現(xiàn)多束光同時(shí)掃描，并具有動(dòng)態(tài)的聚焦和散焦能力。多年來，眾多的研究人員對其進(jìn)行了研究。其中，1995年Thomas等人在“Programmable diffractive optical element using a multichannellanthanum-modified lead zirconate titanate phase modulator”(Opt.Lett.，20，1995，1510-1512)中提出的基于鉛鑭鋯鈦燒結(jié)體PLZT的光學(xué)相控陣設(shè)計(jì)和1996年McManamon等人在“Optical Phased Array Technology”(Proc.IEEE，84，1996，268～298)中提出的基于向列相液晶的緊湊、高分辨率光學(xué)相控陣，代表了目前兩個(gè)重要的研究方向。這兩種光學(xué)相控陣具有較大的數(shù)值孔徑，但是由于向列相液晶的響應(yīng)速度慢，只有ms量級，因而在高速掃描的應(yīng)用中難以很好的發(fā)揮作用；而PLZT因其調(diào)制電壓較高，驅(qū)動(dòng)電源較復(fù)雜，使應(yīng)用范圍也受到了一定的限制。
Hobbs等人在“Laser Electro-Optic Phased Array Devices(LEOSPARD)”(IEEE Laser and Electro-Optics Society Conf.Proc.，1989，94～95)中提出了一種光波導(dǎo)陣列電光相控光束掃描的概念。其中，如圖1所示的光波導(dǎo)陣列電光掃描器，代表了可實(shí)用化光學(xué)相控陣的另一個(gè)重要的發(fā)展方向，受到了人們的關(guān)注，并進(jìn)行了廣泛的研究。在不考慮光波導(dǎo)間的耦合對掃描特性影響的情況下，我們采用“一種新型的光波導(dǎo)陣列電光快速掃描器”(光學(xué)學(xué)報(bào)，2002，1318-1322)中的衍射理論研究光學(xué)相控陣的掃描特性表明，光波導(dǎo)陣列電光掃描器空間場分布除了用于掃描的主瓣外，還有一些影響掃描特性的邊瓣。圖3是由衍射理論計(jì)算出的當(dāng)光波長λ＝0.85μm，光波導(dǎo)芯層厚度即光波導(dǎo)寬度a＝0.55μm，光波導(dǎo)間距d＝1.7μm時(shí)，10層光波導(dǎo)陣列的光束輻射特性。圖3(a)是未進(jìn)行掃描即掃描角度為0°時(shí)的輻射光強(qiáng)歸一化分布，圖3(b)為掃描角度為15°時(shí)的輻射光強(qiáng)歸一化分布。
由圖3可見，在光波導(dǎo)陣列電光掃描器的掃描過程中，邊瓣對掃描光束特性影響很大，它將導(dǎo)致掃描范圍減小并將成為探測信號的干擾。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要，必須對邊瓣進(jìn)行壓縮。
對于不考慮光波導(dǎo)間的耦合的理想情況下的邊瓣壓縮，已經(jīng)有人對其進(jìn)行了專門的討論，如相控陣光學(xué)裝置及方法，中國專利，申請?zhí)?7119771.7。該專利在忽略光波導(dǎo)之間耦合的前提下，采用光波導(dǎo)間距不規(guī)則分布方法研究了光學(xué)相控陣的邊瓣壓縮。但是在實(shí)際工作中，由于光波導(dǎo)陣列電光掃描器的光波導(dǎo)寬度和光波導(dǎo)間距都非常小，因而光波導(dǎo)間的耦合對光束掃描特性的影響不能被忽略。如果采用仿真模擬方法—有限差分光束傳輸法研究光波導(dǎo)陣列電光掃描器的掃描特性就會(huì)發(fā)現(xiàn)，光波導(dǎo)間的耦合對掃描特性的影響很大，在掃描過程中，除了原來的主瓣和邊瓣之外，還出現(xiàn)其它一些邊瓣。圖4是利用有限差分光束傳輸法計(jì)算出的當(dāng)光波長λ＝0.85μm，光波導(dǎo)芯層厚度a＝0.55μm，光波導(dǎo)間距d＝1.7μm，芯層折射率n1＝3.51，包層折射率n2＝3.43時(shí)，10層光波導(dǎo)陣列的光束輻射特性。圖4(a)是未進(jìn)行掃描時(shí)即掃描角度為0°的輻射光強(qiáng)歸一化分布，圖4(b)為掃描角度為15°時(shí)的輻射光強(qiáng)歸一化分布。由圖4與圖3比較可見，由于光波導(dǎo)間耦合的影響，空間掃描光場分布特性發(fā)生了很大變化，邊瓣對掃描特性的影響更加嚴(yán)重，甚至有可能使得目標(biāo)探測無法進(jìn)行。因而對于這種光波導(dǎo)陣列電光掃描器，壓縮掃描光束的邊瓣，以提高光束掃描質(zhì)量和目標(biāo)探測精度是一個(gè)關(guān)鍵性的重要問題。應(yīng)當(dāng)指出的是，這個(gè)問題對于類似結(jié)構(gòu)的光學(xué)相控陣技術(shù)帶有普遍意義。
發(fā)明的內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供基于光波導(dǎo)陣列電光掃描器的掃描光束邊瓣壓縮方法，在考慮光波導(dǎo)間耦合的情況下，對光波導(dǎo)陣列電光掃描器掃描光束的邊瓣進(jìn)行有效壓縮，以解決因掃描光束邊瓣較大，影響掃描光束質(zhì)量和實(shí)際應(yīng)用中探測精度的問題。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的技術(shù)原理1.通過設(shè)置相鄰光波導(dǎo)芯層折射率不相等分布，降低光波導(dǎo)間的耦合，壓縮掃描光束邊瓣。
根據(jù)“波導(dǎo)芯層折射率不同的定向耦合器研究”(華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)，35(Z1)，2007，30-33)理論，當(dāng)相鄰光波導(dǎo)芯層折射率不相等時(shí)，其導(dǎo)模的傳播常數(shù)差別較大，光波導(dǎo)間耦合很??；對于由折射率不相等引起的光波傳播常數(shù)失配問題，可以通過合理設(shè)計(jì)光波導(dǎo)的長度，使得輸出面上不同光波導(dǎo)之間的相位差恰好為2π的整數(shù)倍，實(shí)現(xiàn)相位匹配。因此，可以設(shè)置相鄰光波導(dǎo)芯層折射率不相等分布，有效降低光波導(dǎo)間的耦合，壓縮邊瓣。
2.在設(shè)置相鄰光波導(dǎo)芯層折射率不相等的基礎(chǔ)上，通過光波導(dǎo)間距不規(guī)則分布進(jìn)一步壓縮邊瓣。
光波導(dǎo)間距不規(guī)則分布邊瓣壓縮的原理(Suppression of sidelobes in thefar-field patterns of electro-optical waveguide array，SPIE，5279，2004，416-422)是通過優(yōu)化設(shè)計(jì)光波導(dǎo)間距不規(guī)則分布，并利用電光效應(yīng)控制不同光波導(dǎo)的輸出相位Δj，保證在空間掃描角度θs上衍射光束相干相長，形成掃描主瓣，而在其它衍射方向上不滿足相干相長，達(dá)到邊瓣壓縮的目的。
對于光波導(dǎo)間距不規(guī)則分布的光波導(dǎo)陣列電光掃描器，空間輻射角為θ時(shí)的振幅分布為 式中，E0為相應(yīng)的單縫衍射接收屏中心處的振幅，α＝πasinθ/λ，a為光波導(dǎo)厚度，λ為入射光波長，N為光波導(dǎo)陣列層數(shù)，Aj為第j層光波導(dǎo)的光場振幅，k為真空中的波數(shù)，xj是第j個(gè)光波導(dǎo)到第一個(gè)光波導(dǎo)的距離。
對于均勻照射光波導(dǎo)陣列的情況(Aj＝1)，上式可簡化為 dj＝xj-xj-1(3)dj為第j個(gè)光波導(dǎo)與第j-1個(gè)光波導(dǎo)的間距。相應(yīng)地，空間輻射角為θ時(shí)的光強(qiáng)分布為 I0=E02]]>為相應(yīng)的單波導(dǎo)輻射光束接受屏中心處的光強(qiáng)。
根據(jù)上式，改變dj的大小即改變xj的分布，并通過電光效應(yīng)控制Δj，就可以改變光強(qiáng)I(θ)的分布。當(dāng)通過優(yōu)化設(shè)計(jì)滿足在空間掃描角度θs上，衍射光束相干相長，形成掃描主瓣，而在其它衍射方向上，不滿足相干相長，達(dá)到邊瓣壓縮的目的。
通過設(shè)計(jì)相鄰光波導(dǎo)芯層的折射率不等分布，已使光波導(dǎo)間的耦合變得很小，在此基礎(chǔ)上，再通過優(yōu)化設(shè)計(jì)光波導(dǎo)間距的不規(guī)則分布，可進(jìn)一步壓縮邊瓣。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)思路是針對考慮光波導(dǎo)間耦合的光波導(dǎo)陣列電光掃描器，通過改變光波導(dǎo)陣列結(jié)構(gòu)來壓縮掃描光束邊瓣，即通過使相鄰光波導(dǎo)芯層折射率不相等分布降低光波導(dǎo)間的耦合，以壓縮掃描光束邊瓣；通過使光波導(dǎo)間距不規(guī)則分布進(jìn)一步壓縮掃描光束邊瓣，從而有效改善掃描光束的質(zhì)量，提高目標(biāo)探測的能力。
技術(shù)方案1根據(jù)光波導(dǎo)材料和金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積技術(shù)的要求，設(shè)置每個(gè)光波導(dǎo)包層折射率、光波導(dǎo)寬度、光波導(dǎo)長度及入射光波長；設(shè)置相鄰光波導(dǎo)芯層折射率不相等，以降低光波導(dǎo)間的耦合，壓縮掃描光束邊瓣；將各光波導(dǎo)間距按照單調(diào)線性增大設(shè)置，以進(jìn)一步壓縮掃描光束邊瓣；根據(jù)I(θ)=I0sinαα|Σj=1Nexp(ikxjsinθ)|2,]]>利用Matlab軟件對此參數(shù)進(jìn)行模擬得到未進(jìn)行光束掃描即掃描角度為0°時(shí)的輻射光強(qiáng)分布；按照 設(shè)置由于電光效應(yīng)引起的波導(dǎo)附加相位，式中，j＝2，3，…10，Δj為第j個(gè)波導(dǎo)的附加相位，xj是第j個(gè)波導(dǎo)到第一個(gè)波導(dǎo)的距離，p的不同大小對應(yīng)了不同的掃描角度，對于某個(gè)確定的掃描位置，p為定值；根據(jù) 利用Matlab軟件進(jìn)行模擬運(yùn)算得到光束掃描時(shí)的輻射光強(qiáng)分布，式中，I0為相應(yīng)的單縫衍射接收屏中心處的光強(qiáng)，α＝πasinθ/λ，a為光波導(dǎo)厚度，θ為空間輻射角，λ為入射光波長，N為光波導(dǎo)陣列層數(shù)，k為真空中的波數(shù)，xj是第j個(gè)光波導(dǎo)到第一個(gè)光波導(dǎo)的距離。
技術(shù)方案2根據(jù)光波導(dǎo)材料和金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積技術(shù)的要求，設(shè)置每個(gè)光波導(dǎo)包層折射率、光波導(dǎo)寬度、光波導(dǎo)長度及入射光波長設(shè)置相鄰光波導(dǎo)芯層折射率不相等，降低光波導(dǎo)間的耦合，壓縮由光波導(dǎo)間的耦合引起的掃描光束邊瓣，按照單調(diào)二次方或單調(diào)三次方增大規(guī)律設(shè)置各光波導(dǎo)的間距，進(jìn)一步壓縮掃描光束邊瓣；根據(jù)I(θ)=I0sinαα|Σj=1Nexp(ikxjsinθ)|2,]]>利用Matlab軟件對此參數(shù)進(jìn)行模擬，得到未進(jìn)行光束掃描即掃描角度為0°時(shí)的輻射光強(qiáng)分布；按照 設(shè)置波導(dǎo)附加相位，式中，j＝2，3，…10，Δj為第j個(gè)波導(dǎo)的附加相位，xj是第j個(gè)波導(dǎo)到第一個(gè)波導(dǎo)的距離，p的不同大小對應(yīng)了不同的掃描角度，對于某個(gè)確定的掃描位置，p為定值；根據(jù) 利用Matlab軟件進(jìn)行模擬運(yùn)算得到了光束掃描時(shí)的輻射光強(qiáng)分布，式中，I0為相應(yīng)的單縫衍射接收屏中心處的光強(qiáng)，α＝πasinθ/λ，a為光波導(dǎo)厚度，θ為空間輻射角，λ為入射光波長，N為光波導(dǎo)陣列層數(shù)，k為真空中的波數(shù)，xj是第j個(gè)光波導(dǎo)到第一個(gè)光波導(dǎo)的距離。
本發(fā)明由于首先設(shè)置每個(gè)光波導(dǎo)芯層的折射率與相鄰光波導(dǎo)芯層折射率不同的參數(shù)，然后再設(shè)置各光波導(dǎo)間距不規(guī)則分布，因而可以很好地壓縮考慮光波導(dǎo)間的耦合的光波導(dǎo)陣列電光掃描器的掃描光束邊瓣，極大地提高了掃描光束的質(zhì)量。


圖1是本發(fā)明控制的光波導(dǎo)陣列電光掃描器實(shí)例圖；圖2是本發(fā)明的掃描光束邊瓣壓縮過程圖；圖3(a)是不考慮光波導(dǎo)間耦合的影響，掃描角度為0°即未進(jìn)行光束掃描時(shí)的輻射光強(qiáng)分布圖；圖3(b)是不考慮光波導(dǎo)間耦合的影響，掃描角度為15°時(shí)的輻射光強(qiáng)分布圖；圖4(a)是考慮光波導(dǎo)間耦合的影響，掃描角度為0°即未進(jìn)行光束掃描時(shí)的輻射光強(qiáng)分布圖；圖4(b)是考慮光波導(dǎo)間耦合的影響，掃描角度為15°時(shí)的輻射光強(qiáng)分布圖；圖5(a)是考慮光波導(dǎo)間耦合的影響，設(shè)置相鄰光波導(dǎo)芯層折射率不相等，光波導(dǎo)間距相等，掃描角度為0°即未進(jìn)行光束掃描時(shí)的輻射光強(qiáng)分布圖；圖5(b)是考慮光波導(dǎo)間耦合的影響，設(shè)置相鄰光波導(dǎo)芯層折射率不相等，光波導(dǎo)間距相等，掃描角度為15°時(shí)的輻射光強(qiáng)分布圖；圖6(a)是考慮光波導(dǎo)間耦合的影響，設(shè)置相鄰光波導(dǎo)芯層折射率不相等，光波導(dǎo)間距采用單調(diào)線性增大方式設(shè)置，掃描角度為0°即未進(jìn)行光束掃描時(shí)的輻射光強(qiáng)分布圖；圖6(b)是考慮光波導(dǎo)間耦合的影響，設(shè)置相鄰光波導(dǎo)芯層折射率不相等，光波導(dǎo)間距采用單調(diào)線性增大方式設(shè)置，掃描角度為15°時(shí)的輻射光強(qiáng)分布圖；圖7(a)是考慮光波導(dǎo)間耦合的影響，設(shè)置相鄰光波導(dǎo)芯層折射率不相等，光波導(dǎo)間距采用單調(diào)二次方增大方式設(shè)置，掃描角度為0°即未進(jìn)行光束掃描時(shí)的輻射光強(qiáng)分布圖；
圖7(b)是考慮光波導(dǎo)間耦合的影響，設(shè)置相鄰光波導(dǎo)芯層折射率不相等，光波導(dǎo)間距采用單調(diào)二次方增大方式設(shè)置，掃描角度為15°時(shí)的輻射光強(qiáng)分布圖；圖8(a)是考慮光波導(dǎo)間耦合的影響，設(shè)置相鄰光波導(dǎo)芯層折射率不相等，光波導(dǎo)間距采用單調(diào)三次方增大方式設(shè)置，掃描角度為0°即未進(jìn)行光束掃描時(shí)的輻射光強(qiáng)分布圖；圖8(b)是考慮光波導(dǎo)間耦合的影響，設(shè)置相鄰光波導(dǎo)芯層折射率不相等，光波導(dǎo)間距采用單調(diào)三次方增大方式設(shè)置，掃描角度為15°時(shí)的輻射光強(qiáng)分布圖。
具體實(shí)施例方式
參照圖1，本發(fā)明控制的光波導(dǎo)陣列電光掃描器包括光波導(dǎo)芯層、光波導(dǎo)包層和控制系統(tǒng)，其中，包層兼起電極的作用，又稱為電極層，控制系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)電源，它可以根據(jù)需要輸出多路電壓。光波導(dǎo)陣列電光掃描器的基本工作原理通過控制系統(tǒng)可以在各個(gè)電極層上設(shè)置所需要的電位，就可在光波導(dǎo)中形成了所需要的電場，從而在光波導(dǎo)陣列輸出截面上形成所需要的附加相位，而按一定規(guī)律分布的附加相位可以引起輸出光束的偏轉(zhuǎn)。
利用圖1所示的光波導(dǎo)陣列電光掃描器進(jìn)行掃描光束邊瓣壓縮的過程如圖2。
實(shí)施例1選用由10個(gè)光波導(dǎo)組成的光波導(dǎo)陣列電光掃描器，選用AlGaAs作為光波導(dǎo)材料，選用半導(dǎo)體激光器來產(chǎn)生激光束，半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電源采用普通的電源，控制系統(tǒng)采用可以快速變化輸出10路電壓的驅(qū)動(dòng)電源，選用硫酸紙作為輻射光束接收屏，選用電荷耦合器件CCD接收掃描光束。
步驟1，設(shè)置光波導(dǎo)陣列的結(jié)構(gòu)參數(shù)和入射光波長，即包層折射率為3.43，光波導(dǎo)寬度為0.55μm，光波導(dǎo)長度6000μm，入射光波長設(shè)為0.85μm；步驟2，按照相鄰光波導(dǎo)芯層折射率不相等的規(guī)則，設(shè)置光波導(dǎo)芯層折射率，即10個(gè)光波導(dǎo)芯層折射率依次交替為3.51和3.52；步驟3，按照光波導(dǎo)間距線性單調(diào)增大即dj＝d2+c(j-2)的規(guī)律變化對各波導(dǎo)間距進(jìn)行設(shè)置，式中，j＝2，3，4…N，N為波導(dǎo)個(gè)數(shù)，dj為第j個(gè)波導(dǎo)與第j-1個(gè)波導(dǎo)的間距，d2為第2個(gè)波導(dǎo)與第1個(gè)波導(dǎo)之間的距離，c為第2個(gè)波導(dǎo)間距相對于第1個(gè)波導(dǎo)間距增大的幅度，即d2＝1.7μm，d3＝1.9μm，d4＝2.1μm，d5＝2.3μm，d6＝2.5μm，d7＝2.7μm，d8＝2.9μm，d9＝3.1μm，d10＝3.3μm；步驟4，根據(jù)I(θ)=I0sinαα|Σj=1Nexp(ikxjsinθ)|2,]]>利用Matlab軟件對此參數(shù)進(jìn)行模擬運(yùn)算，得到不同空間輻射角的光強(qiáng)值，利用這些光強(qiáng)值進(jìn)行繪圖，得到未進(jìn)行光束掃描即掃描角度為0°時(shí)的輻射光強(qiáng)分布如圖6(a)，式中，I0為單波導(dǎo)輻射光束接收屏中心處的光強(qiáng)，α＝πasinθ/λ，a為波導(dǎo)厚度，θ為空間輻射角，λ為入射光波長，N為光波導(dǎo)陣列層數(shù)，k為真空中的波數(shù)，xj是第j個(gè)波導(dǎo)到第一個(gè)波導(dǎo)的距離；步驟5，按 設(shè)置由于電光效應(yīng)引起的波導(dǎo)附加相位，式中，j＝2，3，…10，Δj為第j個(gè)波導(dǎo)的附加相位，xj是第j個(gè)波導(dǎo)到第一個(gè)波導(dǎo)的距離，p的不同大小對應(yīng)了不同的掃描角度，對于某個(gè)確定的掃描位置，p為定值；步驟6，根據(jù) 利用Matlab軟件進(jìn)行模擬運(yùn)算，得到不同空間輻射角的光強(qiáng)值，利用這些光強(qiáng)值進(jìn)行繪圖，得到進(jìn)行光束掃描時(shí)的一個(gè)輻射光強(qiáng)分布如圖6(b)，式中，I0為相應(yīng)的單波導(dǎo)衍射接收屏中心處的光強(qiáng)，α＝πasinθ/λ，a為波導(dǎo)厚度，θ為空間輻射角，λ為入射光波長，N為波導(dǎo)陣列層數(shù)，k為真空中的波數(shù)，xj是第j個(gè)波導(dǎo)到第一個(gè)波導(dǎo)的距離。
實(shí)施例2選用由10個(gè)光波導(dǎo)組成的光波導(dǎo)陣列電光掃描器，選用AlGaAs作為光波導(dǎo)材料，選用半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光束，半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電源采用普通的電源，控制系統(tǒng)采用可以快速變化輸出10路電壓的驅(qū)動(dòng)電源，選用硫酸紙作為輻射光束接收屏，選用電荷耦合器件CCD接收掃描光束。
步驟1，設(shè)置光波導(dǎo)陣列的結(jié)構(gòu)參數(shù)和入射光波長，即包層折射率為3.43，光波導(dǎo)寬度為0.55μm，光波導(dǎo)長度6000μm，入射光波長設(shè)為0.85μm；步驟2，按照相鄰光波導(dǎo)芯層折射率不相等的規(guī)則，設(shè)置光波導(dǎo)芯層折射率，即10個(gè)光波導(dǎo)芯層折射率依次交替為3.51和3.52；步驟3，按照光波導(dǎo)間距二次方單調(diào)增大即dj＝d2+c(j-2)2的規(guī)律變化對各波導(dǎo)間距進(jìn)行設(shè)置，式中，j＝2，3，4…N，N為波導(dǎo)個(gè)數(shù)，dj為第j個(gè)波導(dǎo)與第j-1個(gè)波導(dǎo)的間距，d2為第2個(gè)波導(dǎo)與第1個(gè)波導(dǎo)之間的距離，c為第2個(gè)波導(dǎo)間距相對于第1個(gè)波導(dǎo)間距增大的幅度，即d2＝1.7μm，d3＝1.8μm，d4＝2.1μm，d5＝2.6μm，d6＝3.3μm，d7＝4.2μm，d8＝5.3μm，d9＝6.6μm，d10＝8.1μm；步驟4，根據(jù)I(θ)=I0sinαα|Σj=1Nexp(ikxjsinθ)|2,]]>利用Matlab軟件對此參數(shù)進(jìn)行模擬運(yùn)算，得到不同空間輻射角的光強(qiáng)值，利用這些光強(qiáng)值進(jìn)行繪圖，得到未進(jìn)行光束掃描即掃描角度為0°時(shí)的輻射光強(qiáng)分布如圖7(a)，式中，I0為單波導(dǎo)輻射光束接收屏中心處的光強(qiáng)，α＝πasinθ/λ，a為波導(dǎo)厚度，θ為空間輻射角，λ為入射光波長，N為光波導(dǎo)陣列層數(shù)，k為真空中的波數(shù)，xj是第j個(gè)波導(dǎo)到第一個(gè)波導(dǎo)的距離；步驟5，按 設(shè)置電光效應(yīng)引起的波導(dǎo)附加相位，式中，j＝2，3，…10，Δj為第j個(gè)波導(dǎo)的附加相位，xj是第j個(gè)波導(dǎo)到第一個(gè)波導(dǎo)的距離，p的不同大小對應(yīng)了不同的掃描角度，對于某個(gè)確定的掃描位置，p為定值；步驟6，根據(jù) 利用Matlab軟件進(jìn)行模擬運(yùn)算，得到不同空間輻射角的光強(qiáng)值，利用這些光強(qiáng)值進(jìn)行繪圖，得到進(jìn)行光束掃描時(shí)的一個(gè)輻射光強(qiáng)分布如圖7(b)，式中，I0為相應(yīng)的單波導(dǎo)衍射接收屏中心處的光強(qiáng)，α＝πasinθ/λ，a為波導(dǎo)厚度，θ為空間輻射角，λ為入射光波長，N為波導(dǎo)陣列層數(shù)，k為真空中的波數(shù)，xj是第j個(gè)波導(dǎo)到第一個(gè)波導(dǎo)的距離。
實(shí)施例3選用由10個(gè)光波導(dǎo)組成的光波導(dǎo)陣列電光掃描器，選用AlGaAs作為光波導(dǎo)材料，選用半導(dǎo)體激光器來產(chǎn)生激光束，半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電源采用普通的電源，控制系統(tǒng)采用可以快速變化輸出10路電壓的驅(qū)動(dòng)電源，選用硫酸紙作為輻射光束接收屏，選用電荷耦合器件CCD接收掃描光束。
步驟1，設(shè)置光波導(dǎo)陣列的結(jié)構(gòu)參數(shù)和入射光波長，即包層折射率為3.43，光波導(dǎo)寬度為0.55μm，光波導(dǎo)長度6000μm，入射光波長設(shè)為0.85μm；步驟2，按照相鄰光波導(dǎo)芯層折射率不相等的規(guī)則設(shè)置光波導(dǎo)芯層折射率，即10個(gè)光波導(dǎo)芯層折射率依次交替為3.51和3.52；
步驟3，按照光波導(dǎo)間距單調(diào)三次方增大即dj＝d2+c(j-2)3的規(guī)律變化對各波導(dǎo)間距進(jìn)行設(shè)置，式中，j＝2，3，4…N，N為波導(dǎo)個(gè)數(shù)，dj為第j個(gè)波導(dǎo)與第j-1個(gè)波導(dǎo)的間距，d2為第2個(gè)波導(dǎo)與第1個(gè)波導(dǎo)之間的距離，c為第2個(gè)波導(dǎo)間距相對于第1個(gè)波導(dǎo)間距增大的幅度，即d2＝1.7μm，d3＝1.8μm，d4＝2.5μm，d5＝4.4μm，d6＝8.1μm，d7＝14.2μm，d8＝23.3μm，d9＝36μm，d10＝52.9μm；步驟4，根據(jù)I(θ)=I0sinαα|Σj=1Nexp(ikxjsinθ)|2,]]>利用Matlab軟件對此參數(shù)進(jìn)行模擬運(yùn)算，得到不同空間輻射角的光強(qiáng)值，利用這些光強(qiáng)值進(jìn)行繪圖，得到未進(jìn)行光束掃描即掃描角度為0°時(shí)的輻射光強(qiáng)分布如圖8(a)，式中，I0為單波導(dǎo)輻射光束接收屏中心處的光強(qiáng)，α＝πasinθ/λ，a為波導(dǎo)厚度，θ為空間輻射角，λ為入射光波長，N為光波導(dǎo)陣列層數(shù)，k為真空中的波數(shù)，xj是第j個(gè)波導(dǎo)到第一個(gè)波導(dǎo)的距離；步驟5，按 設(shè)置電光效應(yīng)引起的波導(dǎo)附加相位，式中，j＝2，3，…10，Δj為第j個(gè)波導(dǎo)的附加相位，xj是第j個(gè)波導(dǎo)到第一個(gè)波導(dǎo)的距離，p的不同大小對應(yīng)了不同的掃描角度，對于某個(gè)確定的掃描位置，p為定值；步驟6，根據(jù) 利用Matlab軟件進(jìn)行模擬運(yùn)算，得到不同空間輻射角的光強(qiáng)值，利用這些光強(qiáng)值進(jìn)行繪圖，得到進(jìn)行光束掃描時(shí)的一個(gè)輻射光強(qiáng)分布如圖8(b)，式中，I0為相應(yīng)的單波導(dǎo)衍射接收屏中心處的光強(qiáng)，α＝πasinθ/λ，a為波導(dǎo)厚度，θ為空間輻射角，λ為入射光波長，N為波導(dǎo)陣列層數(shù)，k為真空中的波數(shù)，xj是第j個(gè)波導(dǎo)到第一個(gè)波導(dǎo)的距離。
本發(fā)明的壓縮效果可以通過圖3～8詳細(xì)說明，即以圖5為基準(zhǔn)，分別與圖3、圖4、圖6、圖7、圖8進(jìn)行比較。
設(shè)光波導(dǎo)芯層折射率交替為3.51和3.52，且滿足出射截面上光場的相位相差為2π的整數(shù)倍，光波長λ＝0.85μm，光波導(dǎo)芯層厚度a＝0.55μm，光波導(dǎo)間距d＝1.7μm，包層折射率n2＝3.43時(shí)，由有限差分光束傳輸法計(jì)算出的10層光波導(dǎo)陣列輻射光強(qiáng)分布如圖5所示，其中，圖5(a)為未進(jìn)行掃描即掃描角度為0°時(shí)的輻射光強(qiáng)歸一化分布，圖5(b)為掃描角度為15°時(shí)的輻射光強(qiáng)歸一化分布。
由圖5(a)與圖4(a)比較可知，當(dāng)掃描角度為0°時(shí)，設(shè)置相鄰光波導(dǎo)芯層折射率不等，對掃描特性的影響不大；由圖5(b)與圖4(b)比較可知，掃描角度為15°時(shí)，設(shè)置相鄰光波導(dǎo)芯層折射率不等，掃描光束質(zhì)量得到明顯改善，但仍有剩余邊瓣。
由圖5(a)和(b)與圖3(a)和(b)比較可知，當(dāng)設(shè)置相鄰光波導(dǎo)芯層折射率不相等時(shí)，考慮光波導(dǎo)間耦合的邊瓣與衍射理論中未考慮光波導(dǎo)間耦合的邊瓣相似。由此可知，光波導(dǎo)間的耦合得到較大的降低，邊瓣得到壓縮。
由圖6(a)和(b)與圖5(a)和(b)比較可以看出，采用光波導(dǎo)間距單調(diào)線性增大分布可以有效壓縮邊瓣。
由圖7(a)和(b)與圖5(a)和(b)比較可以看出，采用光波導(dǎo)間距單調(diào)二次方增大分布可以壓縮邊瓣。
由圖8(a)和(b)與圖5(a)和(b)比較可以看出，采用光波導(dǎo)間距單調(diào)三次方增大分布可以壓縮邊瓣。
由圖6、7、8比較可以看出，在這三種分布方式當(dāng)中，光波導(dǎo)間距采用單調(diào)線性增大方式邊瓣壓縮效果最好。
由圖3～8比較可以看出，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)光波導(dǎo)陣列結(jié)構(gòu)，可以在考慮光波導(dǎo)間耦合影響的實(shí)際情況下很好地壓縮邊瓣，即通過設(shè)置相鄰光波導(dǎo)芯層折射率不等降低光波導(dǎo)間的耦合，壓縮邊瓣，通過設(shè)置光波導(dǎo)間距不規(guī)則分布進(jìn)一步壓縮邊瓣。
權(quán)利要求
1，一種光波導(dǎo)陣列電光掃描器邊瓣壓縮方法，包括如下過程根據(jù)波導(dǎo)材料和金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積的要求設(shè)置每個(gè)波導(dǎo)包層折射率、波導(dǎo)寬度、波導(dǎo)長度及入射光波長；將每個(gè)波導(dǎo)芯層的折射率設(shè)置為大于或小于相鄰波導(dǎo)芯層折射率，以降低波導(dǎo)間的耦合，壓縮掃描光束邊瓣；將各波導(dǎo)間距按照單調(diào)線性增大設(shè)置，以壓縮由于波導(dǎo)等間距引起的邊瓣；根據(jù)I(θ)=I0sinαα|Σj=1Nexp(ikxjsinθ)|2,]]>利用Matlab軟件對此參數(shù)進(jìn)行模擬得到未進(jìn)行光束掃描時(shí)的輻射光強(qiáng)分布，這種光強(qiáng)分布即是掃描角度為0°時(shí)的輻射光強(qiáng)分布；按照單調(diào)增大設(shè)置不同波導(dǎo)的附加初相位Δj，不同的增大斜率對應(yīng)了不同的掃描角度，根據(jù) 利用Matlab軟件進(jìn)行模擬運(yùn)算得到了光束掃描時(shí)的輻射光強(qiáng)分布，式中，I0為相應(yīng)的單縫衍射接收屏中心處的光強(qiáng)，α＝πasinθ/λ，α為波導(dǎo)厚度，θ為空間輻射角，λ為入射光波長，N為波導(dǎo)陣列層數(shù)，k為真空中的波數(shù)，xj是第j個(gè)波導(dǎo)到第一個(gè)波導(dǎo)的距離。
2.一種光波導(dǎo)陣列電光掃描器邊瓣壓縮方法，包括如下過程根據(jù)波導(dǎo)材料和金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積的要求設(shè)置每個(gè)波導(dǎo)包層折射率、波導(dǎo)寬度、波導(dǎo)長度及入射光波長；將每個(gè)波導(dǎo)芯層的折射率設(shè)置為大于或小于相鄰波導(dǎo)芯層折射率，以降低波導(dǎo)間的耦合，壓縮掃描光束邊瓣；按照單調(diào)二次方或單調(diào)三次方增大規(guī)律設(shè)置各波導(dǎo)的間距，以壓縮由于波導(dǎo)等間距引起的邊瓣；根據(jù)I(θ)=I0sinαα|Σj=1Nexp(ikxjsinθ)|2,]]>利用Matlab軟件對此參數(shù)進(jìn)行模擬，得到未進(jìn)行光束掃描時(shí)的輻射光強(qiáng)分布；按照單調(diào)增大設(shè)置不同波導(dǎo)的附加初相位Δj，不同的增大斜率對應(yīng)了不同的掃描角度，根據(jù) 利用Matlab軟件進(jìn)行模擬運(yùn)算得到了光束掃描時(shí)的輻射光強(qiáng)分布，式中，I0為相應(yīng)的單縫衍射接收屏中心處的光強(qiáng)，α＝πasinθ/λ，α為波導(dǎo)厚度，θ為空間輻射角，λ為入射光波長，N為波導(dǎo)陣列層數(shù)，k為真空中的波數(shù)，xj是第j個(gè)波導(dǎo)到第一個(gè)波導(dǎo)的距離。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)陣列電光掃描器邊瓣壓縮方法，其特征在于每個(gè)波導(dǎo)芯層的折射率是按ni≠ni-1且nj≠ni+1設(shè)置，式中，ni是第i個(gè)波導(dǎo)的折射率，i＝2，3…N-1，N為波導(dǎo)個(gè)數(shù)，ni-1與ni+1可以相等也可以不相等。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)陣列電光掃描器邊瓣壓縮方法，其特征在于將各波導(dǎo)間距按照單調(diào)線性增大設(shè)置，是按dj＝d2+c(j-2)的規(guī)律變化進(jìn)行，式中，j＝2，3，4…N，N為波導(dǎo)個(gè)數(shù)，dj為第j個(gè)波導(dǎo)與第j-1個(gè)波導(dǎo)的間距，d2為第2個(gè)波導(dǎo)與第1個(gè)波導(dǎo)之間的距離，c為第2個(gè)波導(dǎo)間距相對于第1個(gè)波導(dǎo)間距增大的幅度。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光波導(dǎo)陣列電光掃描器邊瓣壓縮方法，其特征在于各波導(dǎo)間距按照單調(diào)二次方增大設(shè)置，是按dj＝d2+c(j-2)2規(guī)律變化進(jìn)行，式中，j＝2，3，4…N，N為波導(dǎo)個(gè)數(shù)，dj為第j個(gè)波導(dǎo)與第j-1個(gè)波導(dǎo)的間距，d2為第2個(gè)波導(dǎo)與第1個(gè)波導(dǎo)之間的距離，c為第2個(gè)波導(dǎo)間距相對于第1個(gè)波導(dǎo)間距增大的幅度。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光波導(dǎo)陣列電光掃描器邊瓣壓縮方法，其特征在于各波導(dǎo)間距按照單調(diào)三次方增大設(shè)置，是按dj＝d2+c(j-2)3規(guī)律變化進(jìn)行，式中，j＝2，3，4…N，N為波導(dǎo)個(gè)數(shù)，dj為第j個(gè)波導(dǎo)與第j-1個(gè)波導(dǎo)的間距，d2為第2個(gè)波導(dǎo)與第1個(gè)波導(dǎo)之間的距離，c為第2個(gè)波導(dǎo)間距相對于第1個(gè)波導(dǎo)間距增大的幅度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的光波導(dǎo)陣列電光掃描器邊瓣壓縮方法，其特征在于每個(gè)波導(dǎo)芯層的折射率設(shè)置，對于鋁鎵砷材料交替設(shè)為3.51和3.52。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于光波導(dǎo)陣列電光掃描器的掃描光束邊瓣壓縮方法。本方法針對考慮光波導(dǎo)間耦合的光波導(dǎo)陣列電光掃描器的光束邊瓣，通過設(shè)置不相等的光波導(dǎo)芯層折射率壓縮由光波導(dǎo)間耦合引起的掃描光束邊瓣，通過設(shè)置光波導(dǎo)間距不規(guī)則分布壓縮由光波導(dǎo)等間距引起的掃描光束邊瓣。其過程是將每個(gè)波導(dǎo)芯層的折射率設(shè)置為大于或小于相鄰波導(dǎo)芯層折射率；各波導(dǎo)間距按照單調(diào)線性增大或單調(diào)二次方增大或單調(diào)三次方增大的規(guī)律設(shè)置；對此設(shè)置參數(shù)進(jìn)行模擬得到未進(jìn)行光束掃描時(shí)的輻射光強(qiáng)分布；再設(shè)置不同波導(dǎo)的附加初相位，并進(jìn)行模擬運(yùn)算得到光束掃描時(shí)的輻射光強(qiáng)分布。本發(fā)明可有效降低波導(dǎo)間的耦合，壓縮掃描光束邊瓣，提高目標(biāo)探測的能力。
文檔編號G02B6/02GK101078801SQ200710018189
公開日2007年11月28日 申請日期2007年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月5日
發(fā)明者石順祥, 梁華偉, 李家立, 馬琳, 劉繼芳, 孫艷玲 申請人:西安電子科技大學(xué)