藍(lán)綠光（450–550 nm）激光器在水體中具有低損耗傳輸?shù)奶匦裕蛔u(yù)為水下信息傳輸?shù)摹案咚俟?，是構(gòu)建水下高速無線光通信（UWOC）與高分辨率激光雷達(dá)（LiDAR）系統(tǒng)的理想波段。在動(dòng)態(tài)復(fù)雜的海洋環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光束的快速、高精度指向控制，是充分發(fā)揮其潛力的關(guān)鍵。因此，發(fā)展一種光源本身即可實(shí)現(xiàn)靈活、可調(diào)控光束偏轉(zhuǎn)的技術(shù)，需求十分迫切。值得注意的是，盡管光束控制技術(shù)已得到廣泛研究，但針對(duì)藍(lán)綠光這一特定波段，能夠滿足上述動(dòng)態(tài)控制需求的技術(shù)方案尚不多見。

       近期，國(guó)防科技大學(xué)周樸研究員團(tuán)隊(duì)基于隨機(jī)激光非線性頻率變換和波長(zhǎng)-角度映射機(jī)制，成功實(shí)現(xiàn)了非機(jī)械式的綠光光束偏轉(zhuǎn)。該方案通過構(gòu)建波長(zhǎng)可電控掃描的隨機(jī)光纖激光器，并結(jié)合色散元件，將波長(zhǎng)變化線性轉(zhuǎn)化為光束偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了無需機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的高穩(wěn)定性光束控制。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并搭建了如圖1所示的激光系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由以下三個(gè)部分構(gòu)成：

       波長(zhǎng)可掃描的近紅外隨機(jī)光纖激光器：以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、時(shí)序穩(wěn)定的隨機(jī)光纖激光器作為種子光源，集成聲光可調(diào)濾波器（AOTF）實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)選擇，在1040–1090 nm范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了電控波長(zhǎng)掃描，獲得了兼具穩(wěn)定性和快速調(diào)諧能力的近紅外光源。

       非線性頻率變換至綠光波段：基于啁啾周期性極化鈮酸鋰（cPPLN）晶體的寬帶準(zhǔn)相位匹配特性，通過非線性頻率變換將波長(zhǎng)可掃描的近紅外隨機(jī)光纖激光轉(zhuǎn)換為波長(zhǎng)同步掃描的綠光激光（520–545 nm），從而將波長(zhǎng)掃描能力成功拓展至水下窗口波段。

       光譜掃描至光束空間偏轉(zhuǎn)的映射：最后，利用閃耀光柵作為色散元件，將波長(zhǎng)的變化線性映射為對(duì)應(yīng)的空間角度偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了從光譜掃描到光束指向控制的同步電控。

圖1 基于波長(zhǎng)掃描式綠光隨機(jī)激光實(shí)現(xiàn)非機(jī)械式光束偏轉(zhuǎn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

       基于該系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了中心波長(zhǎng)在520–545 nm范圍內(nèi)的連續(xù)綠光掃描，并同步完成了非機(jī)械式光束偏轉(zhuǎn)的驗(yàn)證，典型結(jié)果如圖2和圖3所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)的光束偏轉(zhuǎn)范圍為1.8°，最小角分辨率約為0.021°。整個(gè)波長(zhǎng)掃描與光束偏轉(zhuǎn)過程由電控程序?qū)崿F(xiàn)，無需任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，因此光束指向具有優(yōu)異的穩(wěn)定性（RMS值約為3 μrad）。

圖2 基于波長(zhǎng)掃描式綠光隨機(jī)激光實(shí)現(xiàn)的非機(jī)械式光束偏轉(zhuǎn)。(a) 光束偏轉(zhuǎn)時(shí)的光斑圖案，(b) 偏轉(zhuǎn)角度與波長(zhǎng)的關(guān)系以及光束指向抖動(dòng)情況，(c) 不同掃描步長(zhǎng)下的周期性光束偏轉(zhuǎn)

圖3 綠光隨機(jī)激光的光束偏轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)掃描圖

       該研究實(shí)現(xiàn)了基于隨機(jī)激光的藍(lán)綠光波段電控波長(zhǎng)掃描與非機(jī)械式光束偏轉(zhuǎn)，為水下光通信與探測(cè)系統(tǒng)提供了靈活可靠的光源解決方案。該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，無需依賴空間光調(diào)制器或精密機(jī)械裝置，因而具有良好的環(huán)境適應(yīng)性與系統(tǒng)穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，該技術(shù)有望顯著提升水下無線光通信發(fā)射端對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的快速掃描與動(dòng)態(tài)跟蹤能力，從而增強(qiáng)復(fù)雜水體環(huán)境下通信鏈路的建立效率與可靠性。未來，研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步開展脈沖輸出研究，以提升非線性頻率變換的效率，并將光束偏轉(zhuǎn)能力擴(kuò)展至二維空間，以更好地滿足水下高速光通信、高精度探測(cè)等實(shí)際應(yīng)用的需求。

參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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