主权项 |
一种基于液晶相控阵的聚焦式相干合成方法,该方法包括:步骤1:初始化液晶相控阵参数为了进行聚焦式相干合成处理,需要提供如下参数,包括:激光工作波长,记做λ;液晶相控阵包含的移相单元数量M,相邻移相单元之间的间距d;激光满足相干条件,即频率f相同,相位差φ恒定,偏振方向κ相同;为了保证N束激光经过阵列后仍然满足相干条件,设置激光的初始偏振方向与液晶的光轴方向一致;步骤2:基于N个液晶相控阵建立1×N阵列N个液晶相控阵按照一维矩阵排列组成1×N阵列,相邻液晶相控阵之间的中心距离为h,作为相干激光的方向控制阵列;液晶相控阵依次编号为C<sub>1</sub>,C<sub>2</sub>,...,C<sub>n</sub>,...,C<sub>N</sub>,相干激光依次编号为L<sub>1</sub>,L<sub>2</sub>,...,L<sub>n</sub>,...,L<sub>N</sub>;在阵列所在平面建立直角坐标系x<sub>0</sub>‑y<sub>0</sub>,原点设为O<sub>0</sub>,在目标位置所在平面建立坐标系x‑y,原点设为O;x‑y平面与x<sub>0</sub>‑y<sub>0</sub>平面之间的距离为z,即为相干激光的传播距离,C<sub>1</sub>的对称中心与O<sub>0</sub>重合,1×N阵列沿x<sub>0</sub>方向排列;步骤3:选取相干合成的目标位置P确定相干合成的目标位置,包括传播距离z以及在x‑y平面内的目标位置坐标P(x,y);步骤4:确定每束激光通过相应液晶相控阵后的偏转角度θ<sub>n</sub>在x<sub>0</sub>‑y<sub>0</sub>平面内1×N阵列中第n个液晶相控阵C<sub>n</sub>的中心位置坐标为(x<sub>n</sub>,0),其中x<sub>n</sub>=(N‑1)·h,根据聚焦式传播过程,L<sub>n</sub>通过C<sub>n</sub>后传播到目标位置,根据目标位置坐标得到L<sub>n</sub>通过C<sub>n</sub>后的偏转角度θ<sub>n</sub>,其计算公式为<img file="FDA0000564386450000011.GIF" wi="327" he="115" />由此可得,相干激光L<sub>1</sub>,L<sub>2</sub>,...,L<sub>n</sub>,...,L<sub>N</sub>通过1×N阵列C<sub>1</sub>,C<sub>2</sub>,...,C<sub>n</sub>,...,C<sub>N</sub>后的偏转角度依次为θ<sub>1</sub>,θ<sub>2</sub>,...,θ<sub>n</sub>,...,θ<sub>N</sub>;步骤5:确定每个液晶相控阵的调制相位面φ<sub>n</sub>根据相控阵原理,对于1×N阵列中第n个液晶相控阵C<sub>n</sub>来说,当相邻移相单元的调制相位差<img file="FDA0000564386450000012.GIF" wi="94" he="70" />恒定时,L<sub>n</sub>通过C<sub>n</sub>后的偏转角度为θ<sub>n</sub>,其中<img file="FDA0000564386450000013.GIF" wi="95" he="70" />与θ<sub>n</sub>满足公式<img file="FDA0000564386450000014.GIF" wi="412" he="128" />由此可得C<sub>n</sub>中所有移相单元T<sub>n</sub>=[t<sub>1</sub>,t<sub>2</sub>,...,t<sub>n</sub>,...,t<sub>M</sub>]实现的调制相位量为;<img file="FDA0000564386450000015.GIF" wi="991" he="70" />其中M为C<sub>n</sub>中包含的移相单元数量,在x<sub>0</sub>‑y<sub>0</sub>平面内L<sub>n</sub>通过C<sub>n</sub>后的激光复振幅的数学表达式为;<img file="FDA0000564386450000021.GIF" wi="1198" he="146" />其中x<sub>0</sub>为液晶相控阵的孔径,L为1×N阵列的长度,D为液晶相控阵的长度,d为相邻移相单元的间距,k为移相单元的编号;步骤6:聚焦式空间传播过程为了使方法的结果尽量精确,利用基尔霍夫衍射公式描述相干激光通过阵列后的传播过程;L<sub>n</sub>的复振幅<img file="FDA0000564386450000024.GIF" wi="414" he="64" />平面传播到x‑y平面,P(x,y)是相干合成的目标位置,在x‑y平面内;在P(x,y)处激光的复振幅表达式为<maths num="0001" id="cmaths0001"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>U</mi><msub><mi>L</mi><mi>n</mi></msub></msub><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>iλ</mi></mfrac><msub><mrow><mo>∫</mo><mo>∫</mo></mrow><mi>Σ</mi></msub><msub><mi>E</mi><msub><mi>L</mi><mi>n</mi></msub></msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>x</mi><mn>0</mn></msub><mo>,</mo><msub><mi>y</mi><mn>0</mn></msub><mo>)</mo></mrow><mfrac><mrow><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mi>ikz</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>z</mi></mfrac><mo>·</mo><mfrac><mrow><mi>cos</mi><msub><mi>θ</mi><mi>n</mi></msub><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mn>2</mn></mfrac><msub><mi>dx</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>dy</mi><mn>0</mn></msub><mo>,</mo></mrow>]]></math><img file="FDA0000564386450000022.GIF" wi="1012" he="130" /></maths>其中z代表x<sub>0</sub>‑y<sub>0</sub>平面与x‑y平面的距离,θ<sub>n</sub>代表L<sub>n</sub>通过C<sub>n</sub>后的偏转角度;步骤7:在目标位置进行相干合成N束激光L<sub>1</sub>,L<sub>2</sub>,...,L<sub>n</sub>,...,L<sub>N</sub>通过1×N阵列C<sub>1</sub>,C<sub>2</sub>,...,C<sub>n</sub>,...,C<sub>N</sub>后均传播到目标位置P(x,y);根据相干合成公式<img file="FDA0000564386450000023.GIF" wi="507" he="138" />得到N束激光在目标位置P(x,y)进行相干合成后,合成激光的复振幅表达式为U<sub>co</sub>(x,y),合成光强表达式为I<sub>co</sub>=U<sub>co</sub>(x,y)·U<sub>co</sub>(x,y)<sup>*</sup>;步骤8:改变目标位置坐标P(x,y),返回步骤3,重复步骤3~步骤8,完成其它角度的激光相干合成。 |