一种基于体布拉格光栅的光束扫描系统

摘要

本发明公开了一种基于体布拉格光栅的光束扫描系统，包括第一旋转台、第一体布拉格光栅、第二旋转台、第二体布拉格光栅和旋转台连接器；第一体布拉格光栅与第一旋转台呈夹角α设置；第二体布拉格光栅与第二旋转台呈夹角β设置；第一旋转台与第二旋转台呈夹角γ设置；第一旋转台与第二旋转台通过旋转台连接器连接；当第一旋转台在其自身驱动装置的驱动下旋转时，第二旋转台跟随第一旋转台旋转，同时第二旋转台还在其自身的驱动装置下旋转。本发明的目的在于提供一种基于旋转体布拉格光栅的光束扫描系统，可以实现低转动惯量、高效率、偏振无关、大角度范围的光束扫描。

权利要求

1.一种基于体布拉格光栅的光束扫描系统，其特征在于，包括第一旋转台、第一体布拉格光栅(1)、第二旋转台、第二体布拉格光栅(2)以及旋转台连接器(5)；

所述第一体布拉格光栅(1)与所述第一旋转台呈夹角α设置，所述夹角α∈[α1‑Δα，α1+Δα]；其中，α1表示所述第一体布拉格光栅(1)的布拉格入射角，Δα表示偏差值；

所述第二体布拉格光栅(2)与所述第二旋转台呈夹角β设置，所述夹角β∈[β1‑Δβ，β1+Δβ]；其中，β1表示所述第二体布拉格光栅(2)的布拉格入射角，Δβ表示偏差值；

所述第一旋转台与所述第二旋转台呈夹角γ设置，所述夹角γ等于所述第一体布拉格光栅(1)的入射光与所述第一体布拉格光栅(1)衍射光的角度差；

所述第一旋转台与所述第二旋转台通过所述旋转台连接器(5)连接；当所述第一旋转台在其自身驱动装置的驱动下旋转时，所述第二旋转台通过所述旋转台连接器(5)跟随所述第一旋转台旋转，同时，所述第二旋转台还在其自身的驱动装置下旋转。

2.根据权利要求1所述的一种基于体布拉格光栅的光束扫描系统，其特征在于，所述第一旋转台与所述第二旋转台的结构相同，均包括旋转装置、驱动装置以及固定装置；所述驱动装置的一端设置于所述固定装置上，所述驱动装置的另一端与所述旋转装置连接；当所述驱动装置工作时，驱动所述旋转装置旋转。

3.根据权利要求2所述的一种基于体布拉格光栅的光束扫描系统，其特征在于，所述第二旋转台的固定装置(42)与所述第一旋转台的旋转装置(31)通过所述旋转台连接器(5)固定连接；当所述第一旋转台的旋转装置(31)旋转时，带动所述第二旋转台的固定装置(42)旋转。

4.根据权利要求1‑3中任意一项所述的一种基于体布拉格光栅的光束扫描系统，其特征在于，所述夹角α的取值为所述第一体布拉格光栅(1)的布拉格入射角。

5.根据权利要求1‑3中任意一项所述的一种基于体布拉格光栅的光束扫描系统，其特征在于，所述夹角β的取值为所述第二体布拉格光栅(2)的布拉格入射角。

说明书

一种基于体布拉格光栅的光束扫描系统

技术领域

[0001] 本发明涉及光束控制技术领域，尤其涉及一种基于体布拉格光栅的光束扫描系统。

背景技术

[0002] 实现光束方向的灵活控制，在激光通信、激光雷达、投影显示、虚拟现实等空间光学和信息光学等领域应用前景广阔。但是，现有的光束扫描系统难以兼顾低转动惯量、高效
率、偏振无关以及大扫描角度范围等优势。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于提供一种基于体布拉格光栅的光束扫描系统及使用方法，通过两个体布拉格光栅，即可实现入射光束的低转动惯量、高效率、偏振无关、大角度范围的光
束扫描，可极大简化系统光路、降低对激光器的苛刻要求，大幅提高现有光束扫描系统的应
用范围和适应性。

[0004] 本发明通过下述技术方案实现：

[0005] 一种基于体布拉格光栅的光束扫描系统，包括第一旋转台、第一体布拉格光栅、第二旋转台、第二体布拉格光栅以及旋转台连接器；

[0006] 所述第一体布拉格光栅与所述第一旋转台呈夹角α设置，且所述夹角α∈[α1‑Δα，α1+Δα]；其中，α1表示所述第一体布拉格光栅的布拉格入射角，Δα表示偏差值；

[0007] 所述第二体布拉格光栅与所述第二旋转台呈夹角β设置，且所述夹角β∈[β1‑Δβ，β1+Δβ]；其中，β1表示所述第二体布拉格光栅的布拉格入射角，Δβ表示偏差值；

[0008] 所述第一旋转台与所述第二旋转台呈夹角γ设置，且所述第一体布拉格光栅的衍射光方向与所述第二旋转台的旋转轴重合；其中，所述夹角γ等于所述第一体布拉格光栅
的入射光与所述第一体布拉格光栅衍射光的角度差；

[0009] 所述第一旋转台与所述第二旋转台通过所述旋转台连接器连接；当所述第一旋转台在其自身驱动装置的驱动下旋转时，所述第二旋转台通过所述旋转台连接器跟随所述第
一旋转台旋转，同时，所述第二旋转台还在其自身的驱动装置下旋转。

[0010] 优选地，所述第一旋转台与所述第二旋转台的结构相同；

[0011] 其中，所述第一旋转台包括旋转装置、驱动装置以及固定装置；所述驱动装置的一端设置于所述固定装置上，所述驱动装置的另一端与所述旋转装置连接；当所述驱动装置
工作时，驱动所述旋转装置旋转。

[0012] 优选地，所述第二旋转台的固定装置与所述第一旋转台的旋转装置通过所述旋转台连接器固定连接；当所述第一旋转台的旋转装置旋转时，带动所述第二旋转台的固定装
置旋转。

[0013] 优选地，所述夹角α的取值为所述第一体布拉格光栅的布拉格入射角。

[0014] 优选地，所述夹角β的取值为所述第二体布拉格光栅的布拉格入射角。

[0015] 本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

[0016] 1、采用体布拉格光栅作为被旋转体，转动惯量低，在通光口径越大的情况下，相比于其他方式，低转动惯量优势越大；

[0017] 2、采用体布拉格光栅作为被旋转体，体布拉格光栅在满足布拉格条件时，衍射效率接近100%，因此该系统的光路中仅涉及两片体布拉格光栅，无需其他光学元器件损耗，整
体效率高；

[0018] 3、采用体布拉格光栅，对光束的偏振态无要求，因此无需限制激光器的偏振态，可有效提升系统的适用范围。

附图说明

[0019] 此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

[0020] 图1为本发明光束扫描系统的结构示意图；

[0021] 图2为本发明旋转体布拉格光栅矢量关系示意图；

[0022] 图3为本发明两级扫描覆盖范围原理示意图；

[0023] 附图中标记及对应的零部件名称：

[0024] 1、第一体布拉格光栅；2、第二体布拉格光栅；31、第一旋转台的旋转装置；32、第一旋转台的固定装置；41、第二旋转台的旋转装置；42、第二旋转台的固定装置；5、旋转台连接
器。

具体实施方式

[0025] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作
为对本发明的限定。
实施例

[0026] 一种基于体布拉格光栅的光束扫描系统，如图1所示，包括第一旋转台、第一体布拉格光栅1、第二旋转台、第二体布拉格光栅2以及旋转台连接器5。

[0027] 具体地，在本实施例中，第一体布拉格光栅1与第一旋转台呈夹角α设置，由于体布拉格光栅的特性，当入射光的入射角度在布拉格入射角的周边时，才能被体布拉格光栅衍
射。因此，为了使得当第一旋转台旋转时，入射光始终满足第一体布拉格光栅1的布拉格条
件，第一体布拉格光栅1的衍射光束能够绕第一旋转台的旋转轴扫描出角锥面，夹角α的取
值范围设置为[α1‑Δα，α1+Δα]；其中，α1表示第一体布拉格光栅1的布拉格入射角，Δα表
示偏差值，偏差值的大小与第一体布拉格光栅1有关。虽然夹角α的取值范围在[α1‑Δα，α1+
Δα]之间时均能实现上述方案，但是为了使得整体的衍射效率最高，第一体布拉格光栅1与
第一旋转台的夹角应等于第一体布拉格光栅1的布拉格入射角。同理，第二体布拉格光栅2
与第二旋转台呈夹角β设置，且夹角β∈[β1‑Δβ，β1+Δβ]；其中，β1表示第二体布拉格光栅2
的布拉格入射角，Δβ表示偏差值。

[0028] 此外，本实施例的第一旋转台与第二旋转台的结构相同，均包括旋转装置、驱动装置以及固定装置；其中，驱动装置的一端设置于固定装置上，驱动装置的另一端与旋转装置
连接；当驱动装置工作时，驱动旋转装置旋转。

[0029] 具体地，在本实施例中，第一旋转台的固定装置32与第二旋转台的固定装置42呈夹角γ设置，且第二旋转台的固定装置42与第一旋转台的旋转装置31通过旋转台连接器5
固定连接；当第一旋转台的旋转装置31旋转时，带动第二旋转台的固定装置42旋转，从而使
得第二体布拉格光栅2和第二旋转台作为整体，一并与第一体布拉格光栅1以同样的速度旋
转，同时由于第二旋转台还具有驱动装置，因此，第二旋转台的旋转装置41还可以在其自身
驱动装置的驱动下旋转。其中，夹角γ等于第一体布拉格光栅1的入射光与第一体布拉格光
栅1的衍射光的角度差，从而保证第一体布拉格光栅1的衍射光与第二旋转台的旋转轴重
合，即：使得第一体布拉格光栅1的衍射光入射到第二体布拉格光栅2时，该光衍射光束满足
第二体布拉格光栅2的布拉格条件。

[0030] 在本方案中，通过上述设置，可以保证当第一旋转台和第二旋转台同时旋转时，第一体布拉格光栅1和第二体布拉格光栅2的布拉格条件始终满足。

[0031] 值得说明的是，为了使得入射光束满足第一体布拉格光栅1的布拉格条件，应使得入射光束与第一旋转台的旋转轴重合。

[0032] 以下，对本方案的原理进行说明：

[0033] 在任意一个体布拉格光栅中，当入射光满足布拉格条件时，入射波矢 、衍射波矢、光栅矢量 之间动量匹配的矢量关系如图2所示。在旋转过程中（体布拉格光栅旋
转），由于入射波矢 方向不变，光栅矢量 旋转，因此，衍射波矢 也随之旋转，即衍射
光束会扫描出一个角锥面。

[0034] 而在本方案中，设置有两个体布拉格光栅，且两个体布拉格光栅通过旋转配合，如果垂直入射光的平面放置一屏幕，截面上的光斑扫描轨迹如图3所示。首先，入射光传输至
第一体布拉格光栅1，由于第一体布拉格光栅1跟随旋转轴旋转，因此第一体布拉格光栅1的
衍射光会扫描出一个角锥面，该角锥面在截面上表现为一个圆形线（图3中粗级扫描对应的
圆形线）。而本申请的第二体布拉格光栅2包含两部分转动（自转和跟随第一体布拉格光栅1
转动），且第二体布拉格光栅2的入射光是第一体布拉格光栅1的衍射光，因此第二体布拉格
光栅2的衍射光，会以圆形线（图3中粗级扫描对应的圆形线）上的一点为圆心，继续扫描出
角锥面，在截面上也表现为一个圆形（图3中精级扫描对应的圆形线）。当圆心位置遍历圆形
线上的所有位置后，最终的出射光束将遍历图3中外围大圆内部的所有点（两个体布拉格光
栅相同，两次扫描的圆形半径相等时），从三维空间看，即覆盖了一个旋转锥体，该旋转体以
第一体布拉格光栅1的中心为顶点、以第一旋转台的旋转轴为旋转轴、以第二体布拉格光栅
2的入射光和衍射光的组合线为旋转臂。

[0035] 在本方案中，光束扫描系统整体的角度扫描范围与体布拉格光栅的出入射光夹角有关，夹角越大，最终的角度扫描范围越大。通过设计体布拉格光栅的结构，大的出入射光
夹角容易获得，因此，该光束扫描系统在不增加系统复杂度的情况下，容易实现大角度范围
的扫描。例如，对于波长532nm的激光，设计光栅周期2um，光栅入射角7.64°，第一体布拉格
光栅1的扫描锥角30.6°，最终总的扫描锥角范围61.2°；设计光栅周期1um，入射角15.4° ，
第一体布拉格光栅1的扫描锥角61.6°，最终总的扫描锥角范围122.2°。通过设计，还可以实
现更大的角度扫描范围。

[0036] 以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明
的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含
在本发明的保护范围之内。