基于液晶光学相控阵的光束扫描研究进展

本文实质转载自《激光与光电子学先进》年第6期，版权归《激光与光电子学先进》编纂部一共。

胡婕，杜宁靖，郭阐扬

华夏科学院光束掌握要点试验室，华夏科学院光电技巧探索所，华夏科学院大学

纲要：在空间激光通讯范围中，APT（拿获、对准、跟踪）技巧是中枢技巧之一，是建树牢靠通讯链路的急迫保证。保守APT技巧个别采取板滞式动弹来完结转向掌握，存在体积大、动弹惯量大、功耗高档缺陷，没法满意空间激光通讯轻小化、低功耗等现实请求，因而对非板滞式光束扫描技巧的探索具备急迫意义。与保守APT技巧比拟，光学相控阵技巧具备高扫描精度、随机偏转、平静性好等益处，是当今特别有潜力的非板滞式光束扫描技巧之一，个中基于液晶材料的光学相控阵技巧先进快捷。扼要引见了光学相控阵用于光束扫描的基根源理，综述了基于液晶材料的光学相控阵探索近况，解析了液晶光学相控阵用于光束扫描流程中的反应速率、偏转效率和偏转精度这3大关键功用目标以及影响要素，对抬高关键功用的道路做了扼要归纳。

关键词：光通讯；光学相控阵；光束扫描；液晶；拿获、对准、跟踪

1引言

光学相控阵技巧在诸多非板滞式光束偏转技巧中先进快捷，渐渐成为关连技巧范围中的探索热门，其完结方法是对波前相位停止调制，使光束在特定方位上偏转，以此抵达光束扫描的方针。在空间激光通讯技巧中，拿获、对准、跟踪（APT）技巧是中枢技巧之一，对讯息停止拿获、对准、跟踪，在激光通讯、红外对立、航天器等范围有着辽阔的运用前程。保守板滞APT技巧由于体积大、平静性差、功耗高、反应速率慢以及不易和启动电压相联合等缺陷，极地面束缚了空间光学、讯息光学的先进，因而探索新式非板滞式光束偏转技巧尤其急迫。在现实运用中，光学相控阵技巧与保守APT技巧比拟，其以轻小化、多路同时掌握、电控可编程等益处在稠密光束偏转技巧中侵夺奇特上风。

年Meyer研发出一种基于铌酸锂（LiNbO3）材料的一维光学相控阵。华夏科学院上海光学周详板滞探索所计较了一种基于LiNbO3材料的相控阵，完结了高速二维激光扫描。Wight即是年研发出了一种基于砷化铝钾（AlGaAs）材料的一维光波导相控阵列，通过试验发掘该器件也许以较小尺寸的阵元来得到较大偏转角度。石顺祥团队在我国初度将AlGaAs材料做为移相器，研发出扫描局限达13.6°的光波导阵列。Thomas等哄骗锆钛酸铅镧陶瓷（PLZT）材料研发出一种16个可编程通道的固体阵列，可完结高效的光束扫描，但偏转局限仅为毫弧度数目级。由于哄骗LiNbO3、AlGaAs以及PLZT电光材料做为相控阵移相器械料存在阵元间距较大、启动电压高、集成性差等缺陷，没法得到有用大角度光束扫描，并且器件消耗较大，不能满意航天器、激光雷达等重办法域对尺寸、分量、功耗、反应等方面的现实需求，因而将液晶材料用于光学相控阵移相器已成为探索热门。液晶光学相控阵已胜利运用于激光相控阵雷达系统，并且将它做为激光雷达系统中的中枢移相器是列国武备的急迫趋向之一。仰仗轻小化、低启动、低功耗等益处，液晶光学相控阵也可用于全息投影、调理影象、车载雷达、微型扫描等民用方面，使微袖珍高科技产物成为也许，这更能解说液晶光学相控阵技巧探索的急迫性。本文扼要叙述了光学相控阵的旨趣，引见了国表里对液晶光学相控阵的探索近况，解析了影响关键功用的要素，并扼要阐明了抬高关键功用的道路。

2液晶光学相控阵技巧

2.1光束扫描完结方法

光学相控阵完结光束扫描的旨趣滥觞于微波相控阵，掌握相邻阵元出射光波之间的相位关连，也许摹拟出一个可控楔角的门路型闪烁光栅，使入射光束通过器件在远场特定方位上产生相长干预，进而在该方位上形成一束能量汇聚度较高的光束。一维光学相控阵扫描旨趣如图1所示，图1（a）为由N个阵元构成的一维相控阵列，各阵元间距d，相邻阵元间电极相位差为φ，图1（b）为摹拟出的门路型光栅。当波束以必定偏转角度θ出射，在远场某特定点的电场可抒发为

图1N个阵元相控阵示妄念。（a）相控阵模子；（b）摹拟闪烁光栅

式中：ｋ为波数。通过化简和推导可得电极相位差φ和偏转角度θ的关连为

（2）式为基于微波相控阵旨趣的光学相控阵技巧用于光束扫描等方面供给了理论底子。也许通过两片一维相控阵器件级联或许单片二维器件完结二维偏转。此外，为了满意光束扫描系统大角度的现实需求，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必定的式样停止组合。可用于光学相控阵的电光材料有LiNbO3、AlGaAs、PLZT材料以及液晶，鉴于光学相控阵的运用前程，基于液晶材料的光学相控阵不停优劣板滞式光束偏转技巧中的探索干流。

2.2液晶光学相控阵

液晶相控阵（LCOPA）根本组织如图２所示，液晶层（nematicLC）高低两部份都有通明电极和玻璃基片，当液晶层无电压时，液晶晶体平行罗列，跟着电压（AC）渐渐增大且抵达阈值电压，液晶晶体将形成必定角度的扭转，由于晶领会在电场影响下形成双折射，不同电场强度会使液晶晶体产生不同水平的扭转，进而令其折射率产生改观，抵达对光束停止相位调制的方针，最后完结光束扫描。因而通过掌握电场强度可时刻、准确地改观光波相位的特点，具备低启动电压、原料小、体积小等益处的液晶相控阵曾经渐渐成为各范围的探索热门。

图2LCOPA根本组织图。（a）不加电压；（b）施加电压

第1片可完结光束扫描的高功用液晶相控阵器件于年由美国雷声公司研发，如图3（a）所示，其旨趣是哄骗周期性闪烁光栅模子，通过改观每周期内的台阶数，即改观电压相位差来掌握光束的偏转。该公司后续研发出不同规格的液晶光学相控阵，离别在偏转角为0.81°和2°时效率达97％和85％。美国空军探索室与BNS等公司合营，对液晶相控阵在摹拟天外处境中停止测试，终归解说，基于液晶材料的器件在摹拟处境中并未遭到太大的影响，这一试验也为后续将液晶光学相控阵器件运用于航天器等范围供给了急迫根据。近几年，Meadowlark公司、麻省理工探索室、日本Santec公司等关连探索团队纷纭研发出二维液晶相控阵器件。

图3不同液晶相控模子。（a）雷声公司研发的液晶相控阵；（b）子孔径关连法（SAC）完结高精度扫描

在近十几年，国内各范围探索人员对液晶光学相控阵高度关心，电子科技大学、哈尔滨产业大学、华夏科学院长春色学周详板滞与物理探索所（简称长春色机所）、华夏科学院光电技巧探索所（简称成都光电所）等关连单元在器件组织计较、启动电路、波控法子等方面停止了探索。电子科技大学从年起开端研发液晶光学相控阵，年研发出可完结继续偏转（±3°）的一维透射式液晶相控阵，年提议一种基于非周期闪烁光栅模子的波控法子，将偏转效率提拔了10％-20％，年提议子孔径关连法将分辩率抬高到了6μrad，旨趣图如图3（b）所示，该法子对单个移相器停止分区掌握，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），最后扫描角度为θstep，两个分区占比可自行配置，其与周期性光栅模子［见图3（a）］相较量，补偿了光束偏转角度分离的缺陷。

哈尔滨产业大学最先将光束掌握和液晶相控阵的理论、技巧、运用做为大伙项目，张健团队在液晶相控阵理论和关键技巧方面停止反应的探索，自立研发出一维液晶光学相控阵，可完结最大偏转角度为2.°的继续偏转，并对“相位凹下”表象影响衍射效率停止了定性解析。此外表光束整形、波前校订等方面停止了诸多试验，为后续关连探索供给了宝贵的理论底子。长春色机所探索并建树电场与晶体折射率的关连，提议非准则光学相控阵的根本理论，随后对相位调制弧线非线性等题目停止了商议；年该探索所采取平行罗列液晶盒做为液晶相控阵模子停止探索，商议了基于优化盒厚的电压与响合时候的关连，并指出该关连广泛实用于其余具备稳固相位调制量的呈平行罗列的液晶光学器件。成都光电所探索液晶相控阵虽起步较晚，但在短短几年时候内取患了显著的终归，年该探索所计较一种也许运用于APT技巧的高精度、大角度光束偏转系统，初度通过液晶相控阵与沃拉斯顿棱镜级联完结角度强调，最后完结±13.25°的光束偏转；随后哄骗反射型液晶空间光调制器（Pluto）计较了光束偏转闭环系统，最大衍射效率可抵达90％，启动时延优化到微秒级，同时解说液晶反应速率、系统传输时延和算法繁杂度对掌握系统领宽都存在必定的限制。

对液晶相控阵，海外的探索要点为研发基于新式液晶材料的光学相控阵，从器件自身的优化来抬高液晶相控阵的大伙功用，而国内由于工艺技巧的束缚，探索方位紧要为谋求新式波控法子和先进的启动方法，渴望也许遵循不同波控法子探索出具备针对性的启动方法。液晶相控阵用于光束扫描，反应速率、偏转效率和偏转精度是3大关键功用目标，为了满意军用民用等各方面的需求，抬高这3大目标不停是液晶相控阵探索的要点和难点。

3关键功用及其抬高道路

3.1反应速率

液晶相控阵反应速率与液晶盒厚成正比，可提醒为

式中：ld为液晶盒厚；γ１和κ２2离别为液晶的黏滞系数和弹性系数。该式解说为了得到更好的反应功用，需求进一步减小液晶盒厚以及升高黏滞系数等。

罕用的液晶材料有铁电液晶、双频启动液晶等。Gauza等研发出一种抬高液晶光学相控阵反应功用的含氟的双苯环异硫氰酸酯（NCS）编制液晶材料，完结了亚毫秒量级的反应速率。Engstrom等采取基于铁电液晶材料的光学相控阵完结了μs的反应速率。华夏工程物理探索院制备出一种围拢物网络液晶材料，使反应功用从亚毫秒量级降至秒量级。液晶相控阵的反应功用跟着新式材料的研发与运用得到陆续提拔，通过解析可知，在运用流程中仍存在必定的不够和束缚。为了使液晶光学相控阵在反应速率上有更大幅度的提拔，需求谋求更先进的启动方法。

最罕用的启动法子是过启动法，通过抬高液晶电路的底子电压来对液晶器件停止过压启动。9年，Engstrom等在液晶显示器范围运用过启动技巧停止探索，终归解说，通过过启动技巧可有用地抬高液晶显示器件的反应速率。6年一种基于Spiking算法的过启动技巧被运用到液晶空间光调制器，如图4所示，将0到2π相位调制的回升时候在平常启动电压前提下的ms（空腹矩形弧线）收缩为67ms（实心矩形弧线），降落时候从ms（空腹三角弧线）收缩为98ms（实心三角弧线）。Hu等哄骗过启动和下冲电路相联合的启动法子，使反应功用抵达亚毫秒量级。近几年景都光电所对此也做了关连探索，在调制深度为2π的处境下应用过启动法子将回升和降落流程的响合时候离别收缩至16ms和18ms，有用收缩了响合时候，抬高系统功用，其反应弧线如图５所示。

图4在有无Spiking算法下的回升时候和降落时候（Δφ为改观相位）

针对反应速率提拔的探索方位，一种是研发新式围拢物液晶材料，但哄骗该材料存在电压价钱高以及耦合大等题目；另一种是基于新式材料谋求先进的启动方法。不管基于哪一种液晶材料，都市存在液晶晶体弹性形变带来的反应推迟等题目，需针对不同的液晶材料谋求最好实用的启动方法。

图50-2π相位段反应弧线。（a）回升流程；（b）降落流程

3.2偏转效率

遵循液晶光学相控阵模子和光波衍射旨趣，哄骗幻想相位式样下的液晶相控阵停止光束偏转时，衍射效率可提醒为

式中：φ提醒为液晶电极相位差。成都光电所的探索人员遵循相控阵模子针对波长为nm的光波停止了仿真，其电极相位差、偏转效率、偏转角度的关连如图6所示，当偏转角为0.rad时，衍射效率为81％。当不琢磨阵元相位量化的题目时，在视场内可扫描随意可分辩的角度，束缚了闪烁光栅模子偏转角分离的题目。

图6基于相控阵模子的光束扫描。（a）电极相位差与偏转角度的关连；（b）偏转角度与衍射效率的关连

液晶相控阵阵元分辩率较高、晶体具备黏性等特点，致使相邻像素之间存在较强的非线性有关效应，称之为边沿场效应，易致使现实的相位式样严峻偏离幻想式样。当今有用减小边沿场效应的方法有两种：一是基于优化掌握法子，二是获得波前相位的法子。3年，Harris采取4种法子对电压－相位关连停止多项式系数优化，从优化终归可知这４种法子都可在有用扫描局限内抵达较高的偏转效率，对照弧线如图7所示。国内也探索出多种波控算法，通过迭代反应来完结波前相位的掌握，理论计较解说在有用扫描局限内可将偏转效率提拔10％以上。这类直接计较液晶相控阵的现实相位散布，再停止迭代反应是当今很是有用的优化相位散布的算法，但由于该算法增添性较差，没法满意现实运用的需求。随后探索人员在自适应光学优化随机并行梯度降落（SPGD）算法的底子上，提议一种掌握并优化液晶相控阵偏转效率的法子，且实用于周期与非周期闪烁光栅模子，抬高了波控算法的增添性。蝙蝠算法在近期波控算法探索中遭到喜爱，与粒子群算法比拟，该算法也许有用收缩波束旁瓣，提拔主瓣能量，对统一偏转角度0.35rad而言，可将偏转效率由62％提拔至68％。蝙蝠算法也许使主瓣更窄更围拢，在液晶光学相控阵技巧中有着较好的先进趋向，电子科技大学Xiao等近两年提议的迅速探求优化算法（RSA）也也许使主瓣更窄更围拢。

图7哄骗４种优化法子抬高衍射效率

另一方面，在对液晶相控阵施加电压时，相位没法从2π迅速重置回0，而是形成如图8所示的降落回程区，Λ为光栅周期，ΛＦ为回程区巨细。回程区在很大水平上影响偏转效率，回程区巨细对效率的影响可提醒为

图９是成都光电地址年基于二维标量衍射理论对偏转功用停止仿真与试验的终归对照，上头的弧线提醒为理论值，底下坎坷的线提醒为现实值，通过解析并指出紧要区别是由相位重置形成的回程区形成的。

3.3偏转精度

偏转精度是液晶相控阵器件用于光束扫描范围一个特别急迫的功用目标，遵循液晶相控阵旨趣，偏转角度可提醒为

图8回程区

图9偏转衍射效率与偏转角度的关连

式中：a为阵元间距；φ为相邻阵元间电极相位差。（6）式解说阵元间距、电极相位差和波入射光波形成的差错都将引发偏转精度差错。在电子科技大学的探索中，将差错要素分为间隔和相位两大类，离别对各要素停止了仿真解析。年，该校自立研发了一种新式液晶光学相控阵，如图10所示，在偏转局限±μrad内偏转精度可达2μrad。汪相如探索团队于年采取2片一维液晶光学相控阵级联的方法，如图11所示，PBS为偏振分光棱镜，HEP为半波片，在偏转局限0.19°内，偏转精度优于25μrad，偏转效率可达84.7％。成都光电所哄骗二维标量衍射理论对偏转功用停止了试验仿真，终归解说偏转角度从86μrad到2.5mrad局限内精度可达3μrad。

图10电子科技大学自立研发LCOPA和关连试验终归。（a）LCOPA；（b）光束偏转试验终归

图11级联式样完结二维光束扫描

由于非线性有关效应、器件尺寸差错等影响，也也许通过计较闭环掌握系统来减小部份差错。但当今对抬高偏转精度的探索较少，仍有提拔起间，渴望谋求高精度的光束偏转法子。

4完结语

液晶光学相控阵技巧可时刻、准确地掌握光束停止扫描，具备启动电压低、扫描精度高、随机指向、时刻可编程、体积小、功耗低等益处，是当今最具上风的非板滞式光束偏转技巧之一，对空间光通讯技巧的先进有着踊跃的影响。自3年起美国国防部高等探索方案局（DARPA）、雷声公司、Rockwell公司、欧洲防务局、瑞典国防探索局等发财国度关连探索机构纷纭设立了激光束精明扫描的项目，并提议哄骗液晶光学相控阵做为中枢移相器来完结光束非板滞式扫描的方案。液晶光学相控阵还可用于自适应光学、波前探测、3D成像等民用方面。此外当今液晶光学相控阵紧要运用于低功率的系统，其因为是高功率激光所带来的影响会极大升高器件功用以至毁坏器件。因而在高功率激光束扫描这一方面，需求停止洪量的探索，才气使液晶光学相控阵技巧做为军用装备中的国家栋梁。由于工艺技巧的束缚，液晶光学相控阵仍有很多探索难点。为了有用抬高器件的光束扫描功用，当今紧要的束缚方案是探索新式高双折射率液晶材料，他日探索道路可联合卷积神经网络谋求出新式高效的波控法子，以补偿器件自身的缺陷。

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