新闻

基于液晶光学相控阵的光束扫描探求起色

来源:AG旗舰厅在线,AG旗舰厅国际日期:2020/02/22 浏览:

  摘要:在空间激光通信领域中,APT(捕获、瞄准、跟踪)技术是核心技术之一,是建立可靠通信链路的重要保证。传统APT技术一般采用机械式转动来实现转向控制,存在体积大、转动惯量大、功耗高等缺点,无法满足空间激光通信轻小化、低功耗等实际要求,因此对非机械式光束扫描技术的研究具有重要意义。与传统APT技术相比,光学相控阵技术具有高扫描精度、随机偏转、稳定性好等优点,是目前非常有潜力的非机械式光束扫描技术之一,其中基于液晶材料的光学相控阵技术发展迅速。简要介绍了光学相控阵用于光束扫描的基本原理,综述了基于液晶材料的光学相控阵研究现状,分析了液晶光学相控阵用于光束扫描过程中的响应速度、偏转效率和偏转精度这3大关键性能指标以及影响因素,对提高关键性能的途径作了简要总结。

  光学相控阵技术在诸多非机械式光束偏转技术中发展迅速,逐渐成为相关技术领域中的研究热点,其实现方式是对波前相位进行调制,使光束在特定方向上偏转,以此达到光束扫描的目的。在空间激光通信技术中,捕获、瞄准、跟踪(APT)技术是核心技术之一,对信息进行捕获、瞄准、跟踪,在激光通信、红外对抗、航天器等领域有着广阔的应用前景。传统机械APT技术由于体积大、稳定性差、功耗高、响应速度慢以及不易和驱动电压相结合等缺点,极大地限制了空间光学、信息光学的发展,因此研究新型非机械式光束偏转技术尤为重要。在实际应用中,光学相控阵技术与传统APT技术相比,其以轻小化、多路同时控制、电控可编程等优点在众多光束偏转技术中占据独特优势。

  1972年Meyer研制出一种基于铌酸锂(LiNbO3)材料的一维光学相控阵。中国科学院上海光学精密机械研究所设计了一种基于LiNbO3材料的相控阵,实现了高速二维激光扫描。Wight等于1991年研制出了一种基于砷化铝钾(AlGaAs)材料的一维光波导相控阵列,通过实验发现该器件能够以较小尺寸的阵元来获得较大偏转角度。石顺祥团队在我国首次将AlGaAs材料作为移相器,研制出扫描范围达13.6°的光波导阵列。Thomas等利用锆钛酸铅镧陶瓷(PLZT)材料研制出一种16个可编程通道的固体阵列,可实现高效的光束扫描,但偏转范围仅为毫弧度数量级。由于利用LiNbO3、AlGaAs以及PLZT电光材料作为相控阵移相器材料存在阵元间距较大、驱动电压高、集成性差等缺点,无法获得有效大角度光束扫描,而且器件损耗较大,不能满足航天器、激光雷达等重要领域对尺寸、重量、功耗、响应等方面的实际需求,因此将液晶材料用于光学相控阵移相器已成为研究热点。液晶光学相控阵已成功应用于激光相控阵雷达系统,并且将它作为激光雷达系统中的核心移相器是各国军备的重要趋势之一。凭借轻小化、低驱动、低功耗等优点,液晶光学相控阵也可用于全息投影、医疗影像、车载雷达、微型扫描等民用方面,使微小型高科技产品成为可能,这更能说明液晶光学相控阵技术研究的重要性。本文简要阐述了光学相控阵的原理,介绍了国内外对液晶光学相控阵的研究现状,分析了影响关键性能的因素,并简要论述了提高关键性能的途径。

  光学相控阵实现光束扫描的原理来源于微波相控阵,控制相邻阵元出射光波之间的相位关系,可以模拟出一个可控楔角的阶梯型闪耀光栅,使入射光束经过器件在远场特定方向上发生相长干涉,从而在该方向上产生一束能量会聚度较高的光束。一维光学相控阵扫描原理如图1所示,图1(a)为由N个阵元组成的一维相控阵列,各阵元间距d,相邻阵元间电极相位差为φ,图1(b)为模拟出的阶梯型光栅。当波束以一定偏转角度θ出射,在远场某特定点的电场可表达为

  (2)式为基于微波相控阵原理的光学相控阵技术用于光束扫描等方面提供了理论基础。可以通过两片一维相控阵器件级联或者单片二维器件实现二维偏转。另外,为了满足光束扫描系统大角度的实际需求,可将光学相控阵与体全息光栅、液晶偏振光栅、液晶棱镜等光学器件以一定的形式进行组合。可用于光学相控阵的电光材料有LiNbO3、AlGaAs、PLZT材料以及液晶,鉴于光学相控阵的应用前景,基于液晶材料的光学相控阵一直是非机械式光束偏转技术中的研究主流。

  液晶相控阵(LCOPA)基本结构如图2所示,液晶层(nematic LC)上下两部分都有透明电极和玻璃基片,当液晶层无电压时,液晶晶体平行排列,随着电压(AC)逐渐增大且达到阈值电压,液晶晶体将产生一定角度的旋转,由于晶体会在电场作用下产生双折射,不同电场强度会使液晶晶体发生不同程度的旋转,从而令其折射率发生改变,达到对光束进行相位调制的目的,最终实现光束扫描。因此通过控制电场强度可实时、精确地改变光波相位的特性,具有低驱动电压、质量小、体积小等优点的液晶相控阵已经逐渐成为各领域的研究热点。

  第1片可实现光束扫描的高性能液晶相控阵器件于1989年由美国雷声公司研制,如图3(a)所示,其原理是利用周期性闪耀光栅模型,通过改变每周期内的台阶数,即改变电压相位差来控制光束的偏转。该公司后续研制出不同规格的液晶光学相控阵,分别在偏转角为0.81°和2°时效率达97%和85%。美国空军研究室与BNS等公司合作,对液晶相控阵在模拟太空环境中进行测试,结果表明,基于液晶材料的器件在模拟环境中并未受到太大的影响,这一实验也为后续将液晶光学相控阵器件应用于航天器等领域提供了重要依据。近几年,Meadowlark公司、麻省理工研究室、日本Santec公司等相关研究团队纷纷研制出二维液晶相控阵器件。

  图3 不同液晶相控模型。(a)雷声公司研制的液晶相控阵;(b)子孔径相干法(SAC)实现高精度扫描

  在近十几年,国内各领域研究人员对液晶光学相控阵高度重视,电子科技大学、哈尔滨工业大学、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所(简称长春光机所)、中国科学院光电技术研究所(简称成都光电所)等相关单位在器件结构设计、驱动电路、波控方法等方面进行了研究。电子科技大学从2000年起初步研制液晶光学相控阵,2005年研制出可实现连续偏转(±3°)的一维透射式液晶相控阵,2010年提出一种基于非周期闪耀光栅模型的波控方法,将偏转效率提升了10%-20%,2015年提出子孔径相干法将分辨率提高到了6μrad,原理图如图3(b)所示,该方法对单个移相器进行分区控制,如图中所示A区(扫描角度为θ1,N为A区阵元数)和B区(扫描角度为θ2,M为B区阵元数),最终扫描角度为θstep,两个分区占比可自行设置,其与周期性光栅模型[见图3(a)]相比。

AG旗舰厅国际
电话
短信
联系