光学相控阵扫描的理论研究

　　光学相控阵扫描原理及其装置的研究起始于70年代,其来源于雷达中的列阵天线扫描,与微波天线扫描的特点相类似,具有无惯性、高灵敏度等特点[1]。在阵列光学相位调制的基础上,通过相位延迟,来有效的控制波前,从而达到光束偏转的目的[2]。目前人们已经用各种电光晶体材料如LiNbO3、GaAlAS、液晶、PLZT等制成光学相控阵扫描器[1],并且均是采用衍射光学元件(DOE)来实现光束的偏转。由于光学相控阵相控单元的加工尺寸受到所用波长的限制,即:d≤λ/2[3],因此相控单元尺寸必须很小,工艺难度增大,制作成本增加;同时电场的边缘效应及光学衍射将会使光学效率降低[4]。针对上述问题,文献4提出了不规则光学相控阵扫描法,并得出结论:光学相控单元做不规则排列,相控单元的尺寸将不会受到波长的限制,相控单元的尺寸可比波长长,且相控阵在给定的方向上只有一个扫描亮点在其他方向上没有[4]。它采用远场干涉,相控单元不规则排列,但是计算量巨大,排列比较复杂,加工困难难以实现。本文提出了用近场相控单元规则排列法代替远场不规则光学相控阵扫描法,进行光强计算,得出和文献4一样的结论,但同文献4相比,在装置制作上容易实现。

　　1　理论计算

　　图1是近场规则排列光学相控阵的扫描原理图。相控阵装置是由n个调制阵列和微透镜阵列组成(D = nd),调制单元的大小和微透镜单元的大小相同,一个调制单元加一个微透镜单元构成一个相控单元,由于从各相控单元到空间A点各条光线之间的光程差是固定的,为使在A点产生干涉最大,可以通过调制各个相控单元上的电压实现相位延迟来改变调制阵列各个单元与A点间的相位关系来满足干涉条件。

　　图1所示的近场规则相控阵扫描,由于近场干涉,各个相控单元与产生干涉最强的A点之间各条光线间光程差本身就不相等,自然满足文献4的结论。因此可以引申不规则的概念,所谓不规则是指各个相控单元发出的各条光线之间的光程差互不相等。采用近场扫描法,通过控制各个单元的电位可使相控单元可做规则排列,方便了光程差的计算及扫描装置的实现。下面通过光强计算来证明上述结论的正确。

　　根据图1来计算空间各点的光强。如图2所示,是由N个相控单元组成的一维相控阵,各相控单元之间的距离为d,将第1个相控单元设为坐标零点。U0, U1……Un-1各点的坐标为:U0(0,0), U1(0,d)……Un-1(0,(N-1)d)相控阵在屏幕上的扫描轨迹为直线,A、B是空间扫描直线上的任意两点。设A点的坐标值为A(x0,y),B点的坐标为B(x0,y′)。各相控单元加工作电压经过相位调制后,在A点形成干涉最强。U0,U1……Un-1到A点的光程为: