从“转镜”到“扫波长”：随机激光的无机械偏转机制

      蓝绿光（450–550 nm）激光器在水体中具有低损耗传输的特性，被誉为水下信息传输的“高速公路"，是构建水下高速无线光通信（UWOC）与高分辨率激光雷达（LiDAR）系统的理想波段。在动态复杂的海洋环境中，实现对激光束的快速、高精度指向控制，是充分发挥其潜力的关键。因此，发展一种光源本身即可实现灵活、可调控光束偏转的技术，需求十分迫切。值得注意的是，尽管光束控制技术已得到广泛研究，但针对蓝绿光这一特定波段，能够满足上述动态控制需求的技术方案尚不多见。

       近期，国防科技大学周朴研究员团队基于随机激光非线性频率变换和波长-角度映射机制，成功实现了非机械式的绿光光束偏转。该方案通过构建波长可电控扫描的随机光纤激光器，并结合色散元件，将波长变化线性转化为光束偏转，从而实现了无需机械运动部件的高稳定性光束控制。研究团队设计并搭建了如图1所示的激光系统，该系统主要由以下三个部分构成：

       波长可扫描的近红外随机光纤激光器：以结构简单、时序稳定的随机光纤激光器作为种子光源，集成声光可调滤波器（AOTF）实现波长选择，在1040–1090 nm范围内实现了电控波长扫描，获得了兼具稳定性和快速调谐能力的近红外光源。

       非线性频率变换至绿光波段：基于啁啾周期性极化铌酸锂（cPPLN）晶体的宽带准相位匹配特性，通过非线性频率变换将波长可扫描的近红外随机光纤激光转换为波长同步扫描的绿光激光（520–545 nm），从而将波长扫描能力成功拓展至水下窗口波段。

       光谱扫描至光束空间偏转的映射：最后，利用闪耀光栅作为色散元件，将波长的变化线性映射为对应的空间角度偏转，从而实现了从光谱扫描到光束指向控制的同步电控。

图1 基于波长扫描式绿光随机激光实现非机械式光束偏转的系统结构图

       基于该系统，成功实现了中心波长在520–545 nm范围内的连续绿光扫描，并同步完成了非机械式光束偏转的验证，典型结果如图2和图3所示。实验结果表明，该系统的光束偏转范围为1.8°，最小角分辨率约为0.021°。整个波长扫描与光束偏转过程由电控程序实现，无需任何机械运动部件，因此光束指向具有优异的稳定性（RMS值约为3 μrad）。

图2 基于波长扫描式绿光随机激光实现的非机械式光束偏转。(a) 光束偏转时的光斑图案，(b) 偏转角度与波长的关系以及光束指向抖动情况，(c) 不同扫描步长下的周期性光束偏转

图3 绿光随机激光的光束偏转动态扫描图

       该研究实现了基于随机激光的蓝绿光波段电控波长扫描与非机械式光束偏转，为水下光通信与探测系统提供了灵活可靠的光源解决方案。该方案结构简洁，无需依赖空间光调制器或精密机械装置，因而具有良好的环境适应性与系统稳定性。在实际应用中，该技术有望显著提升水下无线光通信发射端对移动目标的快速扫描与动态跟踪能力，从而增强复杂水体环境下通信链路的建立效率与可靠性。未来，研究团队将进一步开展脉冲输出研究，以提升非线性频率变换的效率，并将光束偏转能力扩展至二维空间，以更好地满足水下高速光通信、高精度探测等实际应用的需求。

参考文献： 中国光学期刊网

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