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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。
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第
卷
第
期
激 光 与 光 电 子 学 进 展
,
年
月
,
基于液晶光学相控阵的光束扫描研究进展
胡 婕
,
,
,
杜 升 平
,
,
郭 弘 扬
,
,
中国科学院光束控制重点实验室
,
四川 成都
;
中国科学院光电技术研究所
,
四川 成都
;
中国科学院大学
,
北京
摘要
在空间激光通信领域中
,
(
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
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
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
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
.
关键词
光通信
;
光学相控阵
;
光束扫描
;
液晶
;
捕获
、
瞄准
、
跟踪
中图分类号
文献标识码
doi
:
/
ResearchPro
g
ressonBeam Scannin
g
BasedonLi
q
uid
Cr
y
stalO
p
ticalPhasedArra
y
Ke
y
Laborator
y
o
f
Beam Control
ChineseAcadem
y
o
f
Sciences
Chen
g
du
Sichuan
China
Instituteo
f
O
p
ticalandElectronics
ChineseAcadem
y
o
f
Sciences
Chen
g
du
Sichuan
China
Universit
y
o
f
ChineseAcadem
y
o
f
Sciences
Bei
j
in
g
China
Abstract
Ke
y
words
OCIScodes
收稿日期
:
;
修回日期
:
;
录用日期
:
基金项目
:
中科院先导项目量子通信资助
(
)
EGmail
:
_
激 光 与 光 电 子 学 进 展
引
言
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
(
)
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
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
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
.
年
[
]
研 制 出 一 种 基 于 铌 酸 锂
(
)
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
材
料的相控 阵
,
实 现 了 高 速 二 维 激 光 扫 描
[
]
.
等
[
]
于
年 研 制 出 了 一 种 基 于 砷 化 铝 钾
(
)
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
材料作为移
相器
,
研 制 出 扫 描 范 围 达
的 光 波 导 阵 列
[
]
.
等
[
]
利用锆钛酸铅 镧 陶瓷
(
)
材料研
制出一种
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
、
以及
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
.
液晶光学相控阵技术
2.1
光束扫描实现方式
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
所示
,
图
(
)
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
(
)
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
[
]
E
=
N
-
n
=
[
(
n
-
)
kd
θ
], (
)
图
N
个阵元相控阵示意图
.(
)
相控阵模型
;(
)
模拟闪耀光栅
N
式中
:
k
为波数
.
经 过 化 简 和 推 导 可 得 电 极 相 位 差
φ
和偏转角度
θ
的关系为
θ
=
φ
kd
. (
)
(
)
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
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