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基于相位型空间光调制器的光束控制技术研究.docx
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2023-02-23
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基于相位型空间光调制器的光束控制技术研究.docx
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0. 引 言
空间光通信因其抗干扰能力强、通信质量高、保密性好而在国民、经济、国防科技等
领域起着重要作用
[1]
。与传统光束偏转技术相比,非机械光束偏转技术具有非机械调制、
功耗低、轻巧灵敏等特点。非机械伺服控制的液晶空间光调制器(LCSLM)通过控制加载
在每个像素上的电压能够实时调制波前相位实现光束偏转,在空间光通信中有着广泛应
用,成为了信息光学系统的关键器件
[2]
。
从 1888 年奥地利植物学家 Reinitzer 发现的液晶物质,到 1971 年美国休斯公司第一次
提出基于光寻址透射式的空间光调制器,之后开始了基于液晶分子特性对光进行调制的研
究
[3]
。2015 年,Xu 等通过改变相控单元电压切换边界电场,提出了调制光波前相位的光栅
模型,能实现 12.1°光束偏转
[4]
。国内对于液晶光束偏转技术的起步较晚,由于激光通信技
术的引领,我国也逐渐加入到这种新型光束偏转技术的研究中。2013 年,中国科学院光电
技术研究所搭建了基于 LCSLM 用多片 Wollaston 棱镜扩大光束扫描的光束精偏转控制系
统
[5]
。2017 年,长春理工大学构建了基于 LCSLM 实现光束的大角度扫描和连续偏转的实
验系统,最大偏转角度可达 4°,还能通过分光束实现对多束光单独控制
[6]
。2020 年,深圳
光启高等理工研究院建立基于 LCSLM 的光束偏转和角放大光路系统,出射视场角可达
91.22°
[7]
。同年,电子科技大学利用改进的 GS 相位迭代算法能提高多光束偏转的衍射效
率,优化光束光斑强度,降低光束的均方根误差
[8]
。以上的研究有很多值得借鉴的地方,
但由于基于 LCSLM 的各种方法可能导致光斑质量下降或偏转角度受限,基于 LCSLM 的
光束控制技术具有很大的发展前景。
基于空间光调制器,可以应用于激光调制、波前整形、像差校正等方面,文中主要针
对液晶的相位调制功能,采用反射式空间光调制器,实现对 1550 nm 激光的波前相位校
正,基于工作原理建立模型验证了光束偏转控制能力,针对非机械高速精确的光束扫描应
用设计了基于 LCSLM 的偏转扫描控制实验系统,根据 LCSLM 的可编程特性,提出了一
种基于 LCSLM 的光波前相位调控算法,该算法可实现光束在视场范围内的任意定位,其
优势是高速、精准及快捷,同时对光斑质量影响不大。光束偏转及扫描精密控制在空间光
通信的目标捕获、跟踪、瞄准等这些关键技术有重要应用的价值。该控制技术无机械惯
性、高分辨率、高速动态可控,还可实现同时分光束、分时多波束等应用,是目前光束控
制领域最具前景的方向之一。
1. 空间光调制器的工作原理
液晶按分子凝集构造的不同,可分为近晶相液晶、向列相液晶、胆甾相液晶三类。向
列相液晶分子排列杂乱无序,不再分层,但大致以长轴方向平行排列,由于粘度小、响应
速度快而最早被应用。当一束光入射到液晶面上时,会产生电控双折射效应
[9]
。图 1(a)
为向列相液晶双折射原理图,液晶旋转时,o 光的折射方向不变,e 光的折射方向随着旋转
方向而发生改变,在出射面重新合成的偏振态取决于 o 光和 e 光的相位差,相位差可以通
过像素电压实现调控。图 1(b)为到达 LCSLM 的入射光偏振方向与液晶分子光轴平行,
此时无 o 光分量,加电压可以改变 e 光光程,从而实现对入射光相位的调控。
图 1 (a) 向列相液晶双折射原理图;(b) 相位型空间光调制器原理图
Fig. 1 (a) Schematic diagram of nematic liquid crystal birefringence; (b) Schematic diagram of
phase spatial light modulator
下载: 全尺寸图片 幻灯片
空间光调制器是一种体积小、质量轻、数字化可编程的衍射光学元件,主要由上下平
行的两个电极板和夹在电极板之间的液晶层组成,利用液晶的电控双折射效应,通过改变
非寻常光折射率来调制光波前相位
[10]
。文中使用 LCSLM 的像素数为 1920×1080。下文利
用菲涅耳透镜和闪耀光栅对光束的作用,通过改变 LCSLM 上所加载的对应模型相位图,
进行了理论分析与实验验证,实现了光束分别在焦深和二维平面的移动。
2. 光束偏转控制模型
2.1 焦深方向光斑偏移
菲涅耳透镜与传统的球面透镜相比,具有更大的孔径、焦距短、材料用量更少、质量
和体积更小的特点。平面波经过菲涅耳透镜后会形成会聚或发散的球面波,在中心轴上产
生不同位置的焦点
[11]
。叠加菲涅耳透镜相位之后,衍射的图像会沿着光轴方向前后移动,
对系统的焦距影响如图 2 所示。
图 2 叠加菲涅耳透镜系统焦距图
Fig. 2 Superimposed Fresnel lens system focal length map
下载: 全尺寸图片 幻灯片
叠加菲涅耳透镜的相位对系统焦距的影响用以下公式描述。d 为 LCSLM 到透镜的距
离;f
1
为 LCSLM 上叠加的菲涅耳透镜的焦距;
f
2
为普通球面透镜的焦距,即原本平行入射
光通过透镜的焦距,则这两者的组合焦距为:
1f=1f1+1f2−df1f21f=1f1+1f2−df1f2
(1)
则第二透镜到组合系统后焦点的距离后焦距 S,即叠加菲涅耳透镜之后的会聚光束的
焦深位置可表示为:
S=f2⋅(d−f1)d−(f1+f2)S=f2⋅(d−f1)d−(f1+f2)
(2)
叠加一个菲涅耳透镜相位,原本平行入射的光变为会聚或发散的光,经过透镜聚焦到
正常焦点的前方或后方。图 3(a)为菲涅耳透镜相位图,在 LCSLM 上加载不同焦距的菲涅
耳透镜相位图进行实验,利用 CCD 观察到光斑的中心位置如图 3(b)~(e)所示。
图 3 (a) 焦距 400 mm 菲涅耳透镜相位图; (b) 初始光斑;(c) 焦距 200 mm 光斑;(d) 焦
距 300 mm 光斑;(e) 焦距 400 mm 光斑
Fig. 3 (a) Phase diagram of a Fresnel lens with a focal length of 400 mm; (b) Initial spot; (c) A
spot with a focal length of 200 mm; (d) A spot with a focal length of 300 mm; (e) A spot with a
focal length of 400 mm
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