Узнайте о технологии отклонения луча на основе космической оптической связи за 3 минуты

Технология отклонения луча является ключевым компонентом лазерной связи в свободном пространстве, и ее производительность определяет, сможет ли лазерная связь в свободном пространстве удовлетворить потребности в быстрой и стабильной связи. Технологию отклонения луча можно разделить на две категории: технология механического отклонения луча и технология немеханического отклонения луча. Среди них технологии механического отклонения луча включают сканирующие гальванометры, зеркала быстрого управления и деформируемые зеркала микроэлектромеханических систем; технологии немеханического отклонения луча включают технологию акустооптического отклонения, технологию отклонения на основе жидкокристаллических материалов и технологию электрооптического отклонения.

Давайте рассмотрим характеристики различных технологий отклонения луча и перспективы их применения в области космической оптической связи.

1.Сканирующий гальванометр

Наиболее совершенным устройством механического отклонения луча является сканирующий гальванометр, который по сути представляет собой отражатель света с временем отклика на скачок миллисекунд/субмиллисекунд и точностью наведения в микрорадианах, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1 Принципиальная схема сканирующего гальванометра.

Система сканирования гальванометра имеет простую конструкцию, небольшой размер, высокую точность сканирования, высокую скорость и относительно низкую стоимость. Однако у него есть такие проблемы, как ограниченный рабочий диапазон, подушкообразная деформация и износ гальванометра. Это устройство достигло отличных стандартов производительности с точки зрения угла отклонения. Например, сканирующий гальванометр серии XG210, выпускаемый американской компанией THORLABS, имеет угол отклонения до ±20 градусов. В настоящее время исследователи в стране и за рубежом работают над увеличением скорости сканирования и использованием таких методов, как фемтосекундные лазерные импульсы и многомерные гальванометрические структуры, для улучшения его производительности.

Однако для двумерных гальванометров и технологий многомерного сканирования гальванометров структура системы более сложна, и в практических приложениях будут возникать ошибки ориентации, и для исправления ошибок требуются хорошие методы коррекции. В будущем мы можем рассмотреть возможность использования технологии управления переменной структурой и технологии управления толстой и тонкой двухуровневой составной осью, чтобы помочь в подавлении остаточных ошибок. Их можно применять в группировках спутников с хорошими космическими условиями и короткими рабочими циклами для достижения высокоточного отслеживания и сканирования с максимальной эффективностью. Кроме того, мощность лазеров в лазерной связи, как правило, очень высока, поэтому выбор материалов зеркал гальванометра с более высокой отражательной способностью для уменьшения повреждения поверхности также является проблемой, которую необходимо решить в будущем.

2. Зеркала с быстрым рулевым управлением

Существует две конструкции зеркал быстрого управления, FSM (как показано на рисунке 2): одна представляет собой рамную конструкцию по оси XY, также называемую структурой системы валов; другой - гибкая структура оси, которая в настоящее время является основным направлением развития FSM.

Рисунок 2 (a) Схема структуры рамы по оси XY зеркал с быстрым рулевым управлением; (b) Схема структуры гибких осей зеркал с быстрым рулевым управлением.

Зеркало с быстрым управлением обладает преимуществами высокой точности позиционирования, высокого углового разрешения, быстрой скорости отклика и компактных размеров. Он широко используется в различных оптомеханических системах, а гибкая опорная конструкция также уменьшает механическое трение, но в практических приложениях это требует. В сочетании с конструкцией рамы с большой инерцией это приведет к определенной ошибке оптической оси.

В настоящее время, с одной стороны, отечественные исследования в этой области в основном сосредоточены на структурном моделировании и системном управлении быстрыми отражателями, а прогресс в разработке новых отражателей идет медленно. Это также связано с необходимостью постоянной итеративной проверки и высокими затратами на исследования и разработки. Поэтому разработка совместной системы моделирования, позволяющей моделировать физическую проверку путем настройки определенных параметров в системе, тем самым значительно сокращая цикл разработки, быстрее находя параметры высокопроизводительного быстрого зеркала и повышая эффективность оптимизации, - это то, что необходимо изучить в будущее.

С другой стороны, тепловые возмущения и фундаментальные вибрации, существующие в космической среде, будут вызывать искажение оптической оси и дрожание при наведении высокоточных лучей. В настоящее время существующий метод заключается в использовании луча, состоящего из интерферометра Майкельсона и зеркала быстрого управления. Система выравнивания наведения для компенсации проблемы ошибки оптической оси. Однако этот метод имеет низкую точность обработки динамических ошибок измерения. Повышение точности динамических ошибок измерения для компенсации ошибок в реальном времени — задача, которая должна быть решена в будущем.

3.МЭМС деформируемое зеркало

Микроэлектромеханическая система-деформируемое зеркало (МЭМС-ДМ) имеет различные типы, такие как электротермический привод, пьезоэлектрический привод, электростатический привод и электромагнитный привод. Ввиду того, что электростатический привод имеет простую структуру, его преимущества заключаются в высокой скорости отклика и способности работать с высокочастотными сигналами, поэтому он в основном приводится в действие электростатической силой и в основном реализован в виде плоских конденсаторов. . Его структура показана на рисунке 3.

Рисунок 3. Структурная схема привода деформируемого зеркала MEMS.

Деформируемые зеркала микроэлектромеханической системы обладают преимуществами высокой удельной плотности, короткого времени отклика, низкого энергопотребления, низкой стоимости и хорошей совместимости с интегральными схемами и более широко используются в области визуализации; однако они также имеют низкую скорость сканирования и низкое потребление энергии света. , такие проблемы, как увеличение рассеянного света. В последние годы исследователи начали разрабатывать больше приводов для деформируемых зеркал, чтобы увеличить ход волнового фронта и получить более высокую частоту кадров; в то же время деформируемые зеркала с большим количеством приводов приведут к большему механическому напряжению, поэтому выбор более легких базовых материалов с меньшей твердостью является шагом вперед.

4. Технология акустического и светоотражающего действия

Технология акустооптического отклонения преобразует высокочастотные электрические сигналы в ультразвуковые волны и передает их в рабочую среду через преобразователь, образуя решетку, которая использует дифракцию световых волн для отклонения луча, как показано на рисунке 4. Акустооптическая дифракция В зависимости от длины акустооптической области эффект разделяется на дифракцию Раманеса и дифракцию Брэгга. Поскольку дифракция Раманеса имеет низкую эффективность использования света, а дифракция Брэгга имеет высокую эффективность дифракции, обычно используется дифракция Брэгга.

Рисунок 4. Принципиальная схема акустического и светового отклонения.

Акустооптические отклоняющие устройства обладают преимуществами небольшого размера, легкого веса, низкой мощности возбуждения и высокой дифракционной эффективности. В то же время технология акустооптического отклонения также обладает возможностями параллельной обработки в реальном времени, большой временной полосой пропускания, простой совместимостью с компьютерами и автоматическим управлением. Однако имеются и следующие недостатки: большая часть дифрагированного света представляет собой дифрагированный свет первого порядка, в результате чего акустооптическое отклоняющее устройство имеет очевидные недостатки в диапазоне больших углов отклонения, низкую точность отклонения, сложность достижения точного управления. луча и низкое разрешение. , при высокоскоростном сканировании появится «эффект чирпа».

Используя такие методы, как ультразвуковое слежение и многочастотный монокристалл, можно увеличить эффективную полосу пропускания и решить проблему низкого разрешения. Для создания «чип-эффекта» после дефлектора можно добавить цилиндрическую линзу, чтобы устранить ее влияние. В настоящее время проведено множество исследований частоты падающих акустических волн и реализованы различные методы экспериментального усовершенствования для улучшения дифракционной эффективности и частотных характеристик акустооптического дефлектора при падении ультразвуковых волн, но производительность Увеличение угла отклонения анализировалось редко.

В будущем можно рассмотреть возможность использования технологии управляемого акустического волнового вектора, позволяющей изменить направление падения акустической волны для расширения угла сканирования ее отклонения. Другие показатели отклоняющих характеристик акустооптических дефлекторов, в том числе характеристики полосы пропускания, антистатические свойства и термическая стабильность, также являются предметом текущих исследований.

5. Технология отклонения ЖК-дисплея

Технологии отклонения луча на основе жидкокристаллических материалов в основном включают: жидкокристаллические фазированные решетки, жидкокристаллические микролинзовые матрицы и жидкокристаллические поляризационные решетки.

Технология жидкокристаллической оптической фазированной решетки (LCOPA) подразумевает подачу напряжения к молекулам жидких кристаллов через электроды. Поскольку молекулы жидких кристаллов обладают эффектом двойного лучепреломления, управляемым электроникой, приложенное напряжение контролирует степень отклонения молекул жидких кристаллов в различных состояниях, тем самым влияя на волну луча. Он играет роль фазовой модуляции спереди для реализации сканирования луча, как показано на рисунке 5.

Рисунок 5. Принципиальная схема отклонения жидкокристаллической фазированной решетки.

LCOPA обладает преимуществами управления высокой мощностью и низким напряжением и может обеспечить высокоточное отклонение луча с легкостью и без механической инерции. Однако у него есть такие недостатки, как длительное время отклика и короткая ширина рабочего спектра. Кроме того, небольшой угол отклонения также ограничивает диапазон применения LCOPA, что требует устройства усиления угла для достижения большего угла отклонения. Однако из-за таких факторов, как эффективная апертура и угол отклонения устройства усиления угла, в настоящее время устройству усиления угла трудно достичь более высокого угла увеличения. В то же время жидкокристаллическая фазированная решетка в процессе работы будет иметь несколько порядков дифракции, а в сочетании с влиянием эффектов нелинейной корреляции эффективность отклонения LCOPA будет снижаться.

Жидкокристаллическая микролинзовая матрица (LCMLA) состоит из трех матриц линз, как показано на рисунке 6. По сравнению с LCOPA, LCMLA имеет больший угол отклонения и не подвержен влиянию оптической зоны возврата, поэтому эффективность отклонения выше; Из-за времени изменения молекулярного расположения ЖК в жидкокристаллическом материале разность оптических путей, необходимая для LCMLA, больше, чем для LCOPA. Маленький, толщину можно сделать меньше, поэтому LCMLA имеет меньшее время отклика, чем LCOPA. Однако для достижения непрерывного сканирования отклонения луча LCMLA необходимо использовать в сочетании с некоторыми устройствами отклонения под малым углом, что увеличивает сложность реализации приложения. Более того, LCMLA состоит из многослойного массива линз, а стабильность системы хуже, чем у LCOPA. LCMLA обеспечивает отклонение луча за счет изменения основного большого порядка дифракции излучаемого света. Пространственная когерентность массива микролинз влияет на его разрешение, что требует очень небольшой ошибки в размере микролинзы, что является серьезной проблемой, которую необходимо решить.

Рисунок 6. Принципиальная схема жидкокристаллической матрицы микролинз.

Принцип жидкокристаллической поляризационной решетки (LCPG) заключается в том, что падающий свет проходит через поляризатор, образуя левый и правый свет, а затем проходит через LCPG, чтобы отклонить световой луч в двух разных направлениях. Путь отклонения света показан на рисунке 7. LCPG не подвержен влиянию краевого эффекта электрического поля и имеет высокое разрешение, программируемое управление, легкость и гибкость. LCPG необходимо только генерировать разность оптических путей эквивалентной полуволновой пластины, а требуемая толщина жидкокристаллического слоя тоньше, что сокращает время его отклика. Он быстрый и не имеет эффекта оптического возврата, вызванного сбросом фазы. Кроме того, он также может обеспечить работу в широком спектре. Однако для одного LCPG трудно одновременно достичь требований к индексу нескольких углов и большого поля зрения, а многослойный LCPG предъявляет высокие требования к процессу подготовки и стабильности системы.

Рис. 7. Принципиальная схема поляризационной решетки жидкого кристалла.

Традиционный LCOPA легкий и гибкий и может обеспечить точное отклонение в небольшом диапазоне углов. Сложность системы относительно проста, а процесс подготовки относительно зрелый. Однако на него влияет зона оптического возврата, вызванная сбросом фазы, а также имеются очевидные недостатки в эффективности отклонения, времени отклика и других показателях. , по-прежнему нуждается в постоянном совершенствовании и развитии. LCMLA и LCPG не подвержены влиянию оптической зоны возврата и значительно повышают эффективность отклонения. Однако оба они должны быть оснащены устройствами отклонения с малым углом для достижения квазинепрерывного сканирования луча, и оба используют многоступенчатую систему для достижения максимального угла отклонения. Последовательная структура приведет к тому, что система станет слишком длинной и будет иметь относительно плохую стабильность. По сравнению с LCOPA и LCMLA, LCPG не только обладает характеристиками большого угла отклонения и высокой эффективностью отклонения, но также обладает уникальным преимуществом работы в широком спектре, но может обеспечить сканирование отклонения луча только с большим угловым интервалом. В настоящее время технология отклонения жидких кристаллов является наиболее широко изученной в области немеханического отклонения, но существуют существенные ограничения в достижении больших углов и высокой эффективности в условиях неполяризованного света. Чтобы решить эту проблему, можно учитывать архитектуру устройства и тип материала; при использовании устройств с поляризационной решеткой на жидких кристаллах трудно добиться непрерывного угла отклонения при больших углах отклонения. Это проблемы, которые необходимо решить в будущем.

6. Технология электрооптического отклонения.

Технология электрооптического отклонения реализуется за счет использования отклонения, создаваемого градиентом показателя преломления, перпендикулярным направлению распространения луча, как показано на рисунке 8. По сравнению с другими технологиями дефлекторы луча на основе электрооптических кристаллов имеют преимущества произвольного отклонения. угол, небольшой размер, быстрая скорость отклика и высокая чувствительность, но у них есть проблема с низким разрешением.

Рисунок 8. Принципиальная схема электрооптического отклонения.

В последние годы в стране и за рубежом сообщалось об электрооптических материалах с вторичными электрооптическими эффектами, таких как ниобат лития, титанат бария и т. д. По сравнению с кристаллами с линейными электрооптическими эффектами они превосходят такие характеристики, как отклик скорость и напряжение отклонения. Среди них кристаллы КТН наиболее представительны.

Кристалл КТН — известный в настоящее время кристалл с наибольшим вторичным электрооптическим эффектом. Он обладает выдающимися характеристиками, такими как большая диэлектрическая проницаемость, низкие диэлектрические потери, очевидное сегнетоэлектричество и отличные нелинейные оптические свойства. Он имеет очень широкий спектр применения в области отклонения луча. перспектива. В настоящее время иностранные компании, такие как японская компания NTT и Пенсильванский университет в США, а также отечественный Харбинский технологический институт, Нанкайский университет и Шаньдунская академия наук, провели множество исследований характеристик отклонения KTN. кристаллы.

Компания NTT и Пенсильванский университет в основном изучали технологию отклонения кристаллического пучка КТН, основанную на инжекции пространственного заряда; Академия наук Шаньдуна в основном изучала технологию отклонения луча, вызванную градиентом состава кристалла КТН; Харбинский технологический институт и другие в основном изучали электроды кристаллических дефлекторов пучка КТН. Были изучены инженерные вопросы, такие как конструкция и рабочая температура.

В настоящее время существуют следующие проблемы: трудно достичь высокой оптической однородности при выращивании кристаллов и удовлетворить потребности практического применения; приложения, близкие к температуре Кюри, требуют точных методов контроля температуры; есть вопросы о механизме инжекции объемного заряда и полярности при температуре Кюри. Научные вопросы, такие как нанообласть и механизм управления отклонением луча, требуют дальнейших исследований.

Чтобы более наглядно отобразить преимущества и недостатки каждой технологии прогиба, был проведен сравнительный анализ, представленный в таблице 1.

Таблица 1. Сравнение технологий отклонения балок

Краткое содержание

Обычно используемые механические микроэлектромеханические деформируемые зеркала, быстроотражающие зеркала и сканирующие гальванометры изменяют направление излучаемой оптической оси механическими средствами. Их точность может достигать микрорадиан, а угол отклонения – десятков радиан. Они имеют широкие перспективы применения в медицине и других областях. . Однако существуют такие проблемы, как сложная структура, громоздкие размеры и высокое энергопотребление. Из-за большого размера адаптивных оптических систем деформируемые зеркала MEMS в стране и за рубежом в основном используются в области визуализации. В области отклонения луча трудно удовлетворить потребности небольших космических аппаратов. для удовлетворения высоких требований химизации и легкости.

Акустооптическое отклоняющее оборудование имеет большую рабочую полосу пропускания, но трудно обеспечить точность отклонения в микрорадианах, предъявляет высокие требования к длине волны, углу и энергии падающего света и потребляет большие потери энергии.

Такие методы, как жидкокристаллические фазированные решетки и матрицы микролинз, имеют низкое энергопотребление и низкое напряжение возбуждения, но имеют низкую скорость отклика, прерывистое угловое отклонение, большие углы отклонения, но низкую эффективность отклонения при больших углах, что затрудняет выполнение требований задачи передача с большой пропускной способностью.

По сравнению с другими технологиями дефлекторы пучка на основе электрооптических кристаллов обладают преимуществами произвольного угла отклонения, небольшого размера, быстрой скорости срабатывания и высокой чувствительности. Они считаются наиболее подходящими для реализации одного из ведущих направлений технологии высокоскоростного отклонения света. Среди различных типов электрооптических материалов электрооптические дефлекторы на основе кристаллов КТН обладают преимуществами большого угла отклонения, быстрой скорости срабатывания, высокой эффективности отклонения, высокой точности отклонения, работы в широкой полосе пропускания и т. д. и имеют больший потенциал. в приложениях в таких областях, как космическая оптическая связь, становясь центром исследований по всему миру. С одной стороны, последующие работы должны проанализировать и изучить особенности и условия роста кристаллов КТН для выращивания высококачественных кристаллов однородного состава и правильной формы; с другой стороны, необходимо постепенно изучать механизм микроскопического отклонения кристаллов КТН, что очень важно. практическое значение.