应用于共孔径探测和发射方案的光学元件及其设计方法与流程

本发明涉及信息光学，尤其涉及一种应用于共孔径探测和发射方案的光学元件及其设计方法。

背景技术：

1、光纤激光相干合成是突破单路光纤激光功率极限和实现更高输出功率的有效技术方案，是传统高功率激光系统走向激光相控阵高功率光纤激光系统的重要基础。在光纤激光相干合成过程中，光纤激光准直器需要通过成像探测得到的反馈信号进行锁相控制。为了保障光束发射系统的结构紧凑性，通常选用共孔径方案将成像探测和光束发射进行集成。目前的共孔径方案是基于同轴光路设计结合分光器件实现的，但这样会导致光纤激光相干合成中光学元件繁多，光轴对准难度较大，进而影响整个光纤激光相干合成光学系统的鲁棒性和结构紧凑度，制约了光纤激光相干合成光学系统的工程化应用。因此，如何在保证光学系统紧凑性的前提下实现共孔径成像探测和光束发射是光纤激光相干合成中亟需解决的问题。

2、有鉴于此，有必要设计一种应用于共孔径探测和发射方案的光学元件及其设计方法，以解决上述问题。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于针对目前光纤激光相干合成传输链路中光学元件繁多，光轴对准难度较大的问题，赋予光学元件额外的设计自由度，达成光学元件功能扩展。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种应用于共孔径探测和发射方案的光学元件的设计方法，包括以下步骤：

3、s1、确定基于圆偏振光的超表面阵列的结构组成

4、基于圆偏振光的超表面阵列包括按二维周期性排布的若干个尺寸一致的纳米结构单元，所述纳米结构单元包括基底工作台、设置在所述基底工作台的台面上的纳米砖；

5、s2、优化纳米结构单元的结构参数

6、在左旋圆偏振光垂直入射于所述基于圆偏振光的超表面阵列中的若干个纳米结构单元上时，以出射右旋圆偏振光的转化效率为优化对象，得到多组交叉偏振转化效率较高、同向偏振转化效率低的纳米结构单元的结构参数；

7、s3、设计激光发射光路内超表面阵列中实现透镜功能的相位分布

8、根据超表面的透镜阵列中透镜单元的指标参数计算所述透镜单元的相位分布；

9、s4、设计成像探测光路内超表面阵列中实现光栅功能的相位分布

10、根据超表面的光栅阵列中光栅单元的指标参数计算得到所述光栅单元的相位分布；

11、s5、确定圆偏振光的超表面阵列中的纳米结构单元的几何相位和传输相位

12、根据步骤s3中得到的所述透镜阵列中的透镜单元的相位分布和步骤s4中得到的所述光栅阵列中的光栅单元的相位分布，计算出所述基于圆偏振光的超表面阵列中各纳米结构单元的几何相位和传输相位；

13、s6、确定基于圆偏振光的超表面阵列中纳米砖的转向角排布

14、根据步骤s5中得到的所述基于圆偏振光的超表面阵列中各纳米结构单元的几何相位计算出所述基于圆偏振光的超表面阵列中各纳米砖的转向角排布情况；

15、s7、确定基于圆偏振光的超表面阵列中纳米结构单元的排布情况

16、根据步骤s5中得到的所述基于圆偏振光的超表面阵列中各纳米结构单元的传输相位，从步骤s2中对若干个纳米结构单元进行仿真优化后所确定出的目标纳米结构单元的结构参数，结合步骤s6中得到的所述基于圆偏振光的超表面阵列中各纳米砖的转向角排布确定出最终的超表面阵列。

17、进一步地，以平行于所述基底工作台的台面的两条边的方向分别设为 x轴和 y轴，以垂直于 x轴和 y轴的方向设定为 z轴，建立 xyz坐标系；其中，所述周期是指相邻两个所述纳米结构单元的几何中心在 x轴和 y轴上的距离；所述纳米砖与所述基底工作台的中心在 xo y平面的投影重合；所述纳米砖的参数包括与所述基底工作台的台面垂直的高 h、与所述高 h垂直的长轴 l和短轴 w；所述基底工作台的参数包括台面的边长 c；所述纳米砖的转向角为所述纳米砖的长轴 l与 x轴正向的逆时针旋转的夹角。

18、进一步地，步骤s2中，所述出射右旋圆偏振光的相位延迟由两部分构成：一部分为右旋圆偏振光在纳米结构单元传输时光程所引入的相位延迟，即为纳米结构单元的传输相位调制原理；另一部分为纳米结构单元各向异性所引入的相位延迟，即为纳米结构单元的几何相位调制原理，其中几何相位延迟的符号由入射圆偏振光的旋向决定。

19、进一步地，步骤s3中，所述透镜阵列包括按二维周期性排布的若干个超表面纳米结构单元；所述透镜阵列的指标参数包括透镜的焦距 f以及透镜阵列内部包含的所述超表面纳米结构单元的数目m×n；所述超表面纳米结构单元的相位分布的计算公式为：

20、；

21、式中，为纳米结构单元的工作波长；单个纳米结构单元内位置坐标 x的取值范围为，坐标 y的取值范围为。

22、进一步地，步骤s4中，所述光栅阵列包括按二维周期性排布的若干个超表面纳米结构单元；所述光栅阵列的相位分布与所述透镜阵列的相位分布一一对应；所述光栅阵列的指标参数包括光栅出射角度 θ x× θ y、 x轴和 y轴方向上所述光栅阵列中纳米结构单元的相位重复周期 g x× g y；

23、其中， ；。

24、进一步地，步骤s5中，基于圆偏振光的超表面阵列中各纳米结构单元的几何相位分布和传输相位计算公式为：

25、；

26、。

27、进一步地，步骤s6中，所述基于圆偏振光的超表面阵列中各纳米砖的转向角排布情况为该位置处纳米结构单元的几何相位的一半，计算公式为：

28、。

29、本发明还提供了一种根据上述方法得到的应用于共孔径探测和发射方案的光学元件。

30、进一步地，所述应用于共孔径探测和发射方案的光学元件选定的工作波长 λ为可见光波段。

31、进一步地，焦面上的点光源发出的左旋圆偏振光正向入射至超表面阵列，经超表面阵列调制后垂直出射到平面反射镜上；由平面反射镜反射后，反向垂直入射至超表面阵列，经超表面阵列后，平行光的传播方向发生偏转；超表面器件的设计方法在保证共孔径探测和发射的前提下，实现了光束发射光路与成像探测光路的分离。

32、本发明的有益效果是：

33、1、本发明提供的一种应用于共孔径探测和发射方案的光学元件的设计方法，针对目前光纤激光相干合成传输链路中光学元件繁多，光轴对准难度较大的问题，提出了一种应用于共孔径探测和发射方案的光学元件的设计方法，通过几何相位和传输相位的联合调制模式，赋予光学元件额外的设计自由度，达成光学元件功能扩展。针对提升激光收发系统集成度这一技术瓶颈，选用几何相位和传输相位的联合调制模式，在保证共孔径设计方案的前提下实现了发射光路与接收光路的分离，达成了光纤激光相干合成传输链路中光学元件的高度集成，能够有效地降低后续光轴对准的难度。基于圆偏振光的超表面器件设计方案通过调控纳米结构单元的结构参数和转向角打破了光束传输的可逆性，这一技术特征为共孔径设计方案提供了全新的技术路径，促进了光纤激光相干合成光学系统的工程化应用。

34、2、本发明提供的一种应用于共孔径探测和发射方案的光学元件，在保证共孔径探测和发射的前提下，实现了光束发射光路与成像探测光路的分离。