外文文献Novel Laser Beam Steering Techniques（新型激光束转向(4)

?居住在每个位置上的目标所需的时间。

相反，在扫描装置移动光轴不断开关设备是唯一能够解决预定的方向。评论目前的技术指导，扫描，激光束的切换在引用[1,2,3,4]。

在一般情况下，波束完成整个激光束的孔径施加一个线性相位延迟配置文件。相应的波前斜坡的斜率决定转向角：大转向角对应大斜坡，反之亦然。结合大光圈大波前的斜坡需要大光路的光圈上的差异（OPD），其中由光束转向装置实现。

大波前的斜坡可直接生成宏观光学元件，如旋转（里斯利）棱镜和反射镜或偏心镜片。这些转向装置是相对紧凑的万向镜子相比，具有低惯量矩和不旋转光轴。最近，这些宏光学方法获得了新的流行。

结构紧凑，重量轻，低功耗波束设备的方式进行平滑微光学技术。单一的微型光学元素，如电光棱镜，双轴扫描微镜，或连接到微执行器的微镜片模仿转向宏观光机制。宏观光学系统焦平面附近安装单，小孔径的微型光机电系统（MOEMS的），并提供快速的激光束的指向。这些配置结合起来，高带宽的MEMS宏光束转向装置的好处是在低光功率水平波束应用的候选。 为了建立与微光学元件的大光圈，他们被安排在矩形二维阵列。有前途的技术，是电光棱镜或二维微镜和偏心微透镜阵列的一维数组。在可见光和红外波段的阵列间距大于波长的安排，像一个衍射光栅的作用。抑制中衍射命令了积极炽热的光栅结构以适当的方式。

积极开辟微型光学光栅的相控阵的基本形式。相控阵是定期安排一个子孔径每一个进入太空的辐射其自己的模式。干涉个人的辐射模式模拟在远场的连贯的大光圈。这种审查涉及所谓的被动相控阵调节整个撞击的激光束的相位分布。为了这个目的，每个子孔径相活塞是多种多样的，从而创造一个可编程的跨设备的光圈衍射光学元件。

有更多的波束技术在文学描述：腔内波束，波束在色散光学元件（如光子晶体），主动光学相控阵，光波导转向技术相结合的可调谐激光器的基础上。这些技术被排除在这次审查。 2光束转向装置的参数空间

激光束转向装置的功能要求包括以下主题： ?最大转向角，

?光束发散/成像能力， ?光圈/暗角，

?光谱范围和分散， ?吞吐量， ?控制转向角

每个功能相关的定量参数，很大程度上取决于业务需求。在一般情况下，可以区分两类转向装置（1）电源整经（如定向光的对策，将权力移交给远程设备）和自由空间激光通信的应用程序需要通过激光束光束转向装置只有一次。 （2）有源传感技术，如激光雷达激光束发射（Tx）和接收（Rx）信号，通过波束装置。表1给出了具体应用定向红外对抗（DIRCM系统），激光成像雷达（激光雷达）和深空激光通信中引用相关的功能参数的标称值[6,9,10]。这些例子运行的系统级域参数，如最大转向角，孔径，光束发散角，指向精度。表征光束转向装置，独立的光学系统内的位置参数的光谱范围，时间常数，棱角分明的动态范围，并扩展光束。

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表1。标称波束参数为不同的应用程序的编译。 参数 定向红外对抗[6] 激光成像雷达 深空激光通信 [9] [10] 最大转向角 45 deg 5.4 deg 0.6 deg 光圈直径 50 mm (Tx) 75 mm (Rx) 300 mm (Tx) 光束发散角（TX） 1 mrad 10 mrad 6.3 μrad 瞬时视场（1）（RX） - 333 μrad - 指向精度 100 μrad 30 μrad 1 μrad 光谱范围 2 to 5 μm 0.532 μm 1.064 μm 时间常数（2） 角动态范围（3） 1 ms 0.7 ms 1 ms 光束扩展（4） 42 dB 38 dB 43 dB （1）视野：视场 （2）所需的时间从一个角度位置到下一个步骤 （3）10日志（2 *[最大转向角] / [定位精度]） （4）2*[最大转向角] *[孔径]

光束转向装置（BSD）光束扩展限制其在光学系统中的位置。所需的的大光束扩展要求的DIRCM系统的BSD被放置在发射望远镜的出瞳。温和光束扩展给有利的环境的BSD安装在出瞳光束扩展技术取决于望远镜的入口瞳孔。这也是可能的分裂粗转向位于出瞳元素和精细入口瞳孔转向元素之间的转向能力。为成像激光雷达应用中的粗/细的光束转向分工是可取的，如果精细光束辅助镜也作为一个风扇出衍射光学元件（DOE）的功能。能源部建立一个激光点的数组，它照亮接收焦平面像素[9]的足迹。深空激光通信的需要结合大光圈小光束扩展的BSD安装在入瞳的望远镜，它扩大了激光束，并减少转向角。

表1中编译应用程序通过以下各节的指南作为一个特定的波束技术虽然不是唯一的应用程序。 3光束转向宏观光学元件

在最近的一系列文件，应用红外对抗应用旋转棱镜和偏心镜片广角波束报道[5,6,7]。这项研究是侧重于宏观光学粗光束旋转棱镜和偏心镜头转向装置。

宏观光学器件使消色差设计，避免盲点领域内的视图，并集中到一个单一的光束转向能源。用人棱镜和偏心镜片偏离射线束的主要射线是在可视化工具的设计技术标准。这个著名的设计挑战是光电力学参数和材料，以确保在2-5微米之间的红外光谱范围内的消色差转向广角正确组合搜索。

3.1里斯利棱镜光束转向装置[5,6]

工作原理：里斯利棱镜是一对沿光轴级联的消色差棱镜。在相同的角速度相等或者不相等的棱镜或相反的方向旋转，产生多种扫描模式，填补一个圆锥形的方面领域不断。棱镜的配置应该是光学互惠，以确保所有感兴趣的波长沿光轴精确的波束。光学互惠是一个对称属性：在基准位置后，在内部的平面垂直于光轴的反射棱镜的配置仍然不变。

最大转向角：根据参考[6]的最大转向角45度，是实现与适当的分散控制。

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光束发散。所有光束转向装置不改变光轴的方向，表现出有效的光束直径减少预计垂直转向方向。此外，设备依赖光束压缩可能会发生。棱镜光束辅助镜压缩在这样一种方式，一个圆形的输入光束留下一个椭圆形的设备的激光束。压缩保存梁的相空间体积（光束扩展）和激光功率，但减少了在远场的高峰，因为在沿压缩方向的光束发散角增加辐射。这种效应最终限制了光束发散角的约束给定上最大转向角。

光谱范围： risely棱镜光的光谱范围（可见光VLWIR）整个工作。业务的光纤带宽是有限的材料色散。无色第一顺序是通过使用消色差棱镜双峰。其中的物质替代品的广泛结合LIF /硫化锌导致小型二次分散1.78 mrad的2-5微米的光谱范围内的最大转向角度在450[6]。 吞吐量：清澈的大光圈和顶点的角度几度产生长期内设备透过率的影响，由于吸收和散射棱镜材料的棱镜光学路径长度。适当的防反射涂层的多棱镜之间的干扰影响降低，透光率在75-80％的情况似乎是可以实现的[5]。

评论：快速随机转向激光束，通过广泛的角度范围，需要控制旋转方向，瞬时角位置，和棱镜对角速度。复杂的方位角和仰角转向角度棱镜旋转角度和波长的连续函数。对于平稳的转向轨迹无奇，如棱镜翻转，遇到[6]。棱镜驱动器的扫描线被动和激光雷达传感器的视线的实施，建立[9,11]。然而，随机步骤和盯模式控制回路的实现不是一个简单的直线前进的任务。在最近出版的1的里斯利光束转向设备最大转向角60度，口径为100毫米，2-5微米的波长范围内，针对重复性优于50微弧度公布[12]。

3.2 Decenterd镜头的光束转向装置[5,7]

工作原理：理想的情况下，光束转向装置是一个无焦光学系统转换成一个平面输入波前平面输出波前。除了棱镜，镜头的开普勒或伽利略式望远镜是宏观光束转向装置的候选人。该望远镜由两个分离的镜头焦段的总和。完成由出口镜头侧向位移与输入镜头转向行政射线和相关的射线束。

最大转向角：最大转向角度取决于退出镜头的焦距和失真，这是可以接受的最大侧向位移。在实践中，侧向位移是由于暗角的射线束，退出镜头的光圈直径的一半。这导致了大约25度的最大转向角。

光束发散：激光束的压缩取决于两个镜头的焦段比。伽利略类型的，这个比例的绝对值总是比一个小。对于开普勒类型的焦距比是可能的，最好的光束转向装置应在联合发送/接收模式运作。彼此相对的两个镜头光圈的侧向位移，减少了明确的光圈和暗角和光束发散角的不对称增加。这种效果是通过引进一个场镜头控制。此外，强烈的光束发散透镜系统的光学像差的影响。传输的光束应该只照亮了每个镜头的中央部分，以保持在分歧的要求。接收到的波前可以照亮全口径和遭受传输光束的像差高于程度。

暗角：减少侧向位移的镜头暗角由于为开普勒配置大幅引进一个现场镜头中常见的两个镜头焦平面。正面和负面的现场镜头是可能的。阳性场镜头是硬性退出镜头，并连接到都流离失所一起。这个设施的驱动机制，但内部重点介绍了近场镜头。对于高功率的应用，这是不可取的。负场镜头需要一个额外的驱动器移动相反方向在近场镜头和退出镜头1:2的关系[7]。这样，避免内部的焦点。

光谱范围。棱镜光谱范围没有限制。理想的情况下，每个镜头的光束辅助镜是一个消色：透镜。在参考文献7的材料组合Ge/AMTIR-1选择在2-5微米光谱范围的弗劳恩霍夫双峰（积极的，消极的第二部分），以尽量减少色差。 1开普勒望远镜的设计与负场镜头转向激光束可达22.5度和0.65 mrad的多光谱范围2-5微米的二次分散。

吞吐量：无色梁文献[7]转向装置包括6个外部和3个内部接口和rougly材料厚度40毫米。为棱镜辅助镜的吞吐量应该在75% - 80％。围内指定1 mrad的发散能源取决于波长和转向角度。在2微米的包围能源仍高于95％，为所有的转向角度;在5微米的包围能量从98％上

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轴22.5度至63％不等。

评论：为了引导激光束的两个镜头组的横向位移，必须加以控制。幸运的是，镜头组的位移之间的关系是恒定的。每个波长的方位角和仰角转向角位移几乎线性函数。所需的最大位移是等于退出镜头，这是约35毫米的孔径半径。整体尺寸为长180毫米和135毫米的高度最大的镜头位移。偏心光束转向宏观光学镜片是可能的，但由于所涉及的复杂性，而不是一个实用的方法相比，里斯利棱镜。这是被安排在一个普通的数组微光学元件的微型光学世界的对比。电光棱镜阵列是一维小角度转向波束。偏心微透镜阵列，包括场镜头转向激光束可达25度角在两个方面的选项。

3.3波束与宏观光学镜

透射光学元件的大领域的看法紧凑型光学系统的第一选择。这种方法的缺点是由于在不同折射率的材料之间的界面的折射光功能的波长依赖。反射光学设计提供了独立的波长上。在前款讨论的两个方法可以实现用镜子。一的里斯利型梁毫米波基于旋转的镜子转向装置进行了讨论，在文献[8]。

4波束与光电微机电系统（MOEMS的）

ladars发现目标，导弹制导，地形测绘和监视，或命名只有少数的机器人导航应用。 ladars（数10米）的短距离应用将依靠闪光灯照明的视场和接待的由快照焦平面阵列的散射光。 ，中级远距离成像ladars，必须按顺序照亮的，因为有限的激光功率视场的一部分。这些系统需要加强通过现场视图和住在一个特定的部分，以积累几个激光脉冲从现场反映的光束转向装置。

下一代中程（几个100米）的3-D的成像ladars将在一段时间的飞行模式操作，并融入激光器，光学，电学，机械设备，微型光机电系统（MOEMS的）[4]。目前，微光机电系统技术的发展是由光纤光学通信与光开关和波长复用器/解复用器的焦点。开关设备的微光机电系统，大多是数字（如由德州仪器推出的DLP技术），或无传感的实际光束方向在开环模式下的扫描。据介绍给出的定义，这些设备没有引导激光束（他们无法指出随机或停留在一个特定的方向）。然而，扫描微反射镜是在短期内检讨，因为他们铺平了微光学相控阵的方式。 两轴扫描微镜

工作原理：万向微反射镜反射激光束在同样的方式作为大型同行。微光机电系统提供与质量，体积和耗电量方面的优势。这些微系统设计的挑战在于，在事实上，宏力不缩放大小线性。新的设计方法，安装，驱动器和控制微镜倾斜是必要的。微镜制作在硅片上，然后粘贴到另一个芯片，其中包含了电极结构电静态驱动镜议案。镜直径几毫米为了这些设备的第一代两个位置之间来回翻转，较新的版本是在两个层面进行控制的连续扫描能力[4]。

最大倾斜角度可达（±）15度，在文献[13]报道。根据光学的布局，这给了可能用负透镜的光学放大（±）30度，最大扫描角。

光束发散衍射极限的光束发散的微反射镜的直径是有限的。为1微米波长的激光束的发散反映了6毫米的镜子，是约330微弧度。具有大扫描角度的光束被压缩在一个方向。

光谱范围:反射法是独立的波长。介绍了弥散通过包装的镜子,通常是密封窗户后面。这些窗户限制光谱范围及介绍色差。

吞吐量是有限的,由反射涂料镜(铝为可见,金红外光谱覆盖范围),反射在窗口界面,通过衍射效应在微反射镜的边缘。吞吐量应在85%。

评论:提供真正的转向能力万向微镜必须在一步步盯时尚倾斜。目前，这种运作模式的研

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究议程上，不因为镜装置的应用领域是开关或激光束扫描。另一个有趣的方法，这是有关波束的弯光束微机械的空间光调制器[21]。在这个装置的微反射镜暂停有四个铰链，像活塞运动的结果。这种运作模式带来了相位调制反射的激光束，这可能是有关精细相控阵波束。 5。闪耀光栅波束

闪耀光栅的光束转向利用微光学元件阵列的固定摊位（微型望远镜，微反射镜，微棱镜）。每个微光学元件样品传入的激光束，并辐射到空间小波束。的相干干扰波束形成的衍射图，其中包括几个主要的叶栅瓣，旁瓣包围。主瓣的传播方向是由光栅方程。微光栅期间积极开辟以引导激光束。最有前途的二维闪耀光栅波束的方法是基于偏心微透镜阵列。其他技术，如倾斜微反射镜（光电）棱镜阵列是太有限了偏转角。 decentred微透镜阵列

工作原理:一个微型望远镜阵列包括两维规则排列的开普勒或伽利略式望远镜。形成微telecopes镜头列车分布在两个平面的基板上，保持其表面mircro透镜阵列。微透镜阵列，实现了可见光谱范围内的玻璃折射和衍射光学元件和高格式（512×512）和高填充因子为中红外应用[14,15,16硅和其他材料， 17]。积极炽烈的望远镜阵列实现横向翻译与其他方面的一个mirco镜头基板。这是类似的宏观安排的运作。不同之处在于一个事实，即光圈大小和字段大小像差尺度。因此，偏心镜片的原则，微光学的实现需要比宏观光学对应较少的光学表面。 最大转向角:阵列间距的二分之一的最大侧向位移最大转向角约25度的限制。最大转向角度取决于望远镜的类型和镜片材料的折射率（见表2）[14]。只能达到最大值，与开普勒望远镜和场透镜阵列（见图1）与可接受的性能。

光束发散:远场偏心微透镜的光束转向装置由主瓣（称为栅瓣）和光栅结构所决定的旁瓣。栅瓣角宽度取决于整个阵列孔径的大小和相干长度。在硅，直径6英寸的阵列应该是可能的。这决定了光束发散的一个主要因素是整个阵列的空间相干性。由于在制造过程中的缺陷的几何光学参数的变化减少的beamlets的空间相干性[18,19]和拓宽了栅瓣。非均匀阵列的光学参数应该远低于3％，以实现波束宽度性能良好，转向角和衍射效率。束压缩为伽利略的问题，因为不同焦距长度和侧向位移引起的暗角简单的开普勒型。

暗角:暗角介绍了微透镜的横向位移和依赖型微型望远镜。伽利略的性能和简单的开普勒型的强烈影响暗角。在开普勒望远镜的积极场透镜的引入消除成本降低激光损伤阈值的暗角。图2说明了在整个寻址栅瓣Strehl比均匀的增益。引入一个负场镜头是不适合的，因为日益复杂的动力机制。

光谱范围:梁偏心微透镜阵列的指导工作在整个光波段（紫外到VLWIR，见表2）。色散是由所涉及的材料和光栅结构的阵列诱导。

表2。偏心微透镜阵列材料的比较（摘自文献[14]） 特性 Ge Si GaAs ZnSe ZnS 折射率 4.0 3.4 3.3 2.4 2.3 最大转向角（度） 28 25 24 18 17 最好的选择波段(μm) 6.5 - 13 1.5 – 6.5 13 – 17 0.65 – 1.5 0.46 – 1.5

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