藍綠光（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（LiDAR）系統(tǒng)的理想波段。在動態(tài)復(fù)雜的海洋環(huán)境中，實現(xiàn)對激光束的快速、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，但針對藍綠光這一特定波段，能夠滿足上述動態(tài)控制需求的技術(shù)方案尚不多見。

       近期，國防科技大學(xué)周樸研究員團隊基于隨機激光非線性頻率變換和波長-角度映射機制，成功實現(xiàn)了非機械式的綠光光束偏轉(zhuǎn)。該方案通過構(gòu)建波長可電控掃描的隨機光纖激光器，并結(jié)合色散元件，將波長變化線性轉(zhuǎn)化為光束偏轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)了無需機械運動部件的高穩(wěn)定性光束控制。研究團隊設(shè)計并搭建了如圖1所示的激光系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由以下三個部分構(gòu)成：

       波長可掃描的近紅外隨機光纖激光器：以結(jié)構(gòu)簡單、時序穩(wěn)定的隨機光纖激光器作為種子光源，集成聲光可調(diào)濾波器（AOTF）實現(xiàn)波長選擇，在1040–1090 nm范圍內(nèi)實現(xiàn)了電控波長掃描，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）晶體的寬帶準相位匹配特性，通過非線性頻率變換將波長可掃描的近紅外隨機光纖激光轉(zhuǎn)換為波長同步掃描的綠光激光（520–545 nm），從而將波長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，將波長的變化線性映射為對應(yīng)的空間角度偏轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)了從光譜掃描到光束指向控制的同步電控。

圖1 基于波長掃描式綠光隨機激光實現(xiàn)非機械式光束偏轉(zhuǎn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

       基于該系統(tǒng)，成功實現(xiàn)了中心波長在520–545 nm范圍內(nèi)的連續(xù)綠光掃描，并同步完成了非機械式光束偏轉(zhuǎn)的驗證，典型結(jié)果如圖2和圖3所示。實驗結(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°。整個波長掃描與光束偏轉(zhuǎn)過程由電控程序?qū)崿F(xiàn)，無需任何機械運動部件，因此光束指向具有優(yōu)異的穩(wěn)定性（RMS值約為3 μrad）。

圖2 基于波長掃描式綠光隨機激光實現(xiàn)的非機械式光束偏轉(zhuǎn)。(a) 光束偏轉(zhuǎn)時的光斑圖案，(b) 偏轉(zhuǎn)角度與波長的關(guān)系以及光束指向抖動情況，(c) 不同掃描步長下的周期性光束偏轉(zhuǎn)

圖3 綠光隨機激光的光束偏轉(zhuǎn)動態(tài)掃描圖

       該研究實現(xiàn)了基于隨機激光的藍綠光波段電控波長掃描與非機械式光束偏轉(zhuǎn)，為水下光通信與探測系統(tǒng)提供了靈活可靠的光源解決方案。該方案結(jié)構(gòu)簡潔，無需依賴空間光調(diào)制器或精密機械裝置，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)射端對移動目標的快速掃描與動態(tài)跟蹤能力，從而增強復(fù)雜水體環(huán)境下通信鏈路的建立效率與可靠性。未來，研究團隊將進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)能力擴展至二維空間，以更好地滿足水下高速光通信、高精度探測等實際應(yīng)用的需求。

參考文獻： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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