液晶相控阵技术的研究进展_罗娜.pdf
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1、文章编号:1005-5630(2023)02-0075-08DOI:10.3969/j.issn.1005-5630.2023.002.010 液晶相控阵技术的研究进展液晶相控阵技术的研究进展罗 娜,杨文皓,王 琦(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海 200093)摘要:液晶相控阵是一种基于液晶的电控可编程光学相控器件,具有体积小、质量轻、功耗低和易于控制等优点。通过对入射光束相位的调制来精确控制波束转向,不仅实现了器件的空间快速灵活扫描,能够对运动中的目标进行自动跟踪、捕获和瞄准,而且使系统集成度更高,降低了制造成本,可广泛应用于激光雷达和空间光通信等领域。总结了国内外对液晶相控阵
2、技术的研究进展,主要包括波束控制、系统分析建模和系统性能优化。同时也介绍了液晶相控阵在高能激光、空间光通信和激光雷达中的应用研究进展。关键词:液晶相控阵;光束精确偏转;高能激光;空间光通信;激光雷达中图分类号:O 753.2 文献标志码:A Research progress in liquid crystal phased array technologyLUO Na,YANG Wenhao,WANG Qi(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and
3、Technology,Shanghai 200093,China)Abstract:Liquid crystal phased array is a kind of electronically controlled programmable opticalphased array device based on liquid crystal,which has the advantages of small size,light weight,low power consumption and easy control.The device can precisely control the
4、 beam steering bymodulating the phase of the incident beam,which not only realizes the performance of fast andflexible the spatial scanning for automatically acquisition,tracking and aiming at the movingtargets,but also improves the system integration,and reduces the manufacturing cost.Liquid crysta
5、lphased array can be widely used in the fields of radar and space optical communication and otherfields.This paper summarizes the research progress and key technologies of liquid crystal phasedarray at home and abroad,mainly including beam control,system analysis and modeling,andsystem performance o
6、ptimization.The application and research progress of liquid crystal phasedarray in high-energy laser,space optical communication and Lidar are also introduced.Keywords:liquid crystal phased array;precise beam deflection;high power laser;spaceoptical communication;lidar收稿日期:2022-05-02基金项目:国家自然科学基金(61
7、775140)第一作者:罗娜(1996),女,硕士研究生,研究方向为液晶相控器件。E-mail:通信作者:王琦(1984),女,副教授,研究方向为微纳光学。E-mail:第 45 卷 第 2 期光 学 仪 器Vol.45,No.22023 年 4 月OPTICAL INSTRUMENTSApril,2023引言光束偏转技术是指控制光束在一定空间内进行精准的指向,因其具有灵巧、精准和保密性强等优势,在激光雷达、空间光通信、生物医学和军事等诸多领域有着广泛的应用背景1-5。光束偏转是实现目标搜索、瞄准、跟踪、捕获和成像的重要技术环节,传统的光束偏转技术6-8主要依靠机械转动装置实现光束指向控制。但
8、是传统机械式光束偏转具有体积大、能耗高、系统复杂和不易控制等缺点。随着新型激光雷达和空间光通信技术的出现,对光束偏转技术的要求也越来越高,传统的机械式光束偏转技术已经不能满足现代技术的需求,因此许多新型光束偏转技术应运而生,主要包括微机械式光束偏转技术、声光光束偏转技术和电光光束偏转技术。微机械式光束偏转技术通过微机电系统控制微小位移实现光束偏转,该技术虽然对机械式光束偏转技术问题进行了优化,但是存在结构复杂,能耗高的缺点;声光光束偏转技术是利用声光效应来构建成不同的光栅,使光束衍射到相应的角度来实现光束偏转的技术9,与微机式光束偏转技术相比具有结构简单、驱动功率小和易操作等优点,但是偏转角度
9、小,衍射效率低;电光光束偏转技术不同于微机式和声光光束偏转技术,它是利用电光效应使介质折射率发生变化,从而对光束方向进行控制。液晶作为电光光束偏转技术的主要材料,其具有驱动电压低、相位调制深度大和损伤阈值高等优点10,更能满足新型激光雷达和空间光通信技术的需求。本文从国内外的研究现状对液晶相控阵进展进行介绍,并对液晶相控阵关键技术的研究进行了总结,介绍了液晶相控阵在高能激光、空间光通信和激光雷达中的应用。1液晶相控阵技术液晶相控阵是以液晶为相位调制材料,结合电控可编程电极阵列的相控调制器件,每个电极和它所控制区域的液晶组成一个可控单元,当对每个可控单元施加不同驱动电压时,会使液晶分子的指向矢发
10、生不同程度上的偏转,进而影响到液晶分子的有效折射率,达到对该器件的光束进行相位调制,改变光束的出射方向,在指定的方向上产生远场干涉,实现光束偏转。其具备结构紧凑、体积小、重量轻和驱动电压低等优点,不仅可以提高激光光束指向的分辨率,精准空间扫描角度11,而且能够提供精确稳定的、快速捷变的光束偏转和波束赋形12。在激光雷达、空间光通信和红外追踪等领域具有重要的研究应用价值。1.1国外研究现状国外对于液晶相控阵的研究开始得比较早。1984 年,美国的 Raytheon 公司就着手进行了研究,5 年后,世界上第一个液晶相控阵器件问世,所使用的波长为 1.06 m。1991 年,Raytheon 公司又
11、研制出了一个有效口径为 4.3 cm4.1 cm,单元间距为 1 m 的液晶相控阵,如图 1(a)所示。1996 年,Raytheon 公司研制出了一种一维反射式液晶相控阵,该器件具有更高的衍射效率,有效口径为 2 cm2 cm,有 5 000 根电极,电极间距为 2 m,其使用波长为 1.06 m,可实现5范围内的角度偏转。2000 年,RockwellScientific 公司研制出有效口径为 5 mm5 mm,相控单元宽 10 m,长 5 mm,在有效空间内含有 512 根电极,工作波长为 1.5 m,可在1.5范围内实现连续偏转的液晶相控器件,如图 1(b)所示13。结合大角度偏转装置
12、,能够实现20范围内的连续角度偏转,制成的样机如图 1(c)所示13。2001 年,美国的 BNS 公司推出首个基于LCoS(Liquid Crystal on Silicon)的一维反射式液晶相控阵14,如图 1(e)所示,此器件有效口径为 0.74 cm0.74 cm,电极宽度 1 m,电极间距0.8 m,具有 4 086 个可控单元,驱动电压 5 V,工作波长在 514 1 550 nm 之间,偏转角度为315。2004 年,BNS 又发布一款电极数为12 288 根,电极宽度 1 m,电极间距缩小为0.6 m,驱动电压从 5 V 增加到 13.2 V 的液晶相控 阵16,如 图 1(f
13、)所 示。2005 年 RockwellScientific 公司推出了双频液晶透射式液晶相控阵,不同于反射式,它具有更低的系统 Swap17(体积、重量和功率),如图 1(d)所示。2006年,BNS 公司推出了一维液晶空间光调制器,76 光 学 仪 器第 45 卷该器件的独立可控阵元数为 12 288 根,有效孔径为 19.66 mm19.66 mm,零级衍射光效率为80%90%,光束偏转角度为(47),响应时间为 530 ms,工作波长范围为 635 nm1.55 m。2007 年,BNS 公司又推出了二维液晶空间光调制器,该器件独立可控阵元数为 512512,工作波长范围为 532 n
14、m1.55 m。两款产品的实物图如图 1(h)(j)所示。(a)Raytheon(b)Rockwell13(c)Rockwell13(d)Rockwell17(e)BNS14(f)BNS15,16(g)BNS(h)BNS(i)BNSOpticalheadDAO boardSOSIPower50 pinribbonPCI driver board 图1国外研究进展Fig.1Researchprogressabroad 为了获得更大角度的偏转,BNS 公司提出通过级联的方法,将两个相控阵器件进行级联。Rockwell Scientific 公司通过此法,最终获得了有效口径为 4 cm4 cm,电极
15、宽度为 8 m,工作波长为 1.55 m,偏转角为1.25的液晶相控器件,系统样机如图 2(a)所示。2007 年Raytheon 公司根据 APPLE 项目,对器件进行优化,电极数增至 10 000 根,电极间距 1 m,有效口径 4 cm,并进行了 113 W/cm 2耐受激光功率测试,如图 2(a)所示。如图 2(b)所示,采用粗精两级系统,提高了角度偏转范围,该系统能够实现20角度偏转。2009 年,David等公布了一种利用铁电液晶制成的光学相控阵,可实现0 至 2 弧度的角度偏转,偏转效率可达 91%18。2017 年,SLM 公司制作并发表了一款二维液晶相控阵,独立可控电极数为
16、20 736 根,单元天线的尺寸为 8 m8 m,有效孔径为 15.36 mm8.64 mm,响应速度很快,仅有5.6 ms19。2019年,新加坡材料研究与工程研究所 Yin 等20提出一种基于一维纳米天线透射式液晶空间光调制器,可以在 011的偏转角度内实现光束扫描,衍射效率大于 35%。1.2国内研究相比较国外的研究,国内对液晶相控阵的研究开始的相对较晚。2002 年,长春光机所,以第 2 期罗 娜,等:液晶相控阵技术的研究进展 77 液晶为调制材料设计出了用于实验的光学相控阵扫描系统21。2006 年,电子科技大学在对液晶光栅的原理和理论进行了分析计算后设计出了电控液晶光栅22。200
17、8 年,哈尔滨工业大学对液晶相控阵进行了数学建模和仿真,研制出的一维透射式液晶相控阵,最大偏转角度为 2.001 423。2010 年,电子科技大学研制出了电极周期为5 m,电极间距为 1 m,液晶盒 6 m,电极宽度为 4 m 的液晶相控阵,总的驱动电极数为1920 根,通光口径为 11 cm11 cm,有效区域10 mm10 mm,可对 1.62 m 波长的波束进行光束偏转,实现了3范围内的角度扫描,如图 3(a)所示。2016 年,电子科技大学在原有的液晶相控器件的基础上进行了优化,设计出了第二代液晶相控器件,电极宽度为 4 m,电极间隔 1 m,液晶盒厚为 7 m,阵列大小为 10 m
18、m10 mm,可控阵元电极为 1 920 根,在入射激光波长为1 064 nm 的条件下,实现了5范围内的连续光束扫描。如图 3(b)所示。2018 年,电子科技大学设计出一种 PA-in-PA 结构的大口径液晶空间光调制器,其可以在 03范围内实现光束偏转,光束衍射效率超过 80%。2019 年,李松振等人设计了一种二维液晶光栅,在外加电场的作用下,二级光的衍射效率可达 80%,它可以实现低散射、高效率的光束偏转。2020 年,合肥工业大学提出了一种基于向列相液晶的 F 波段移相器,该器件面积为 4 mm4 mm,厚度为490 m,当外加电压从 04 V 时,相移变化从0350.7。2021
19、 年,电子科技大学设计并制作出了可堆叠光学相控阵,可适用于任何液晶材料,转向精度可达 10 rad,最快响应时间为1.52 ms,且这种结构具有实现亚毫秒响应的潜力。(a)第一代液晶相控阵(b)第二代液晶相控阵 图3电子科技大学研制的液晶光学相控阵Fig.3LiquidcrystalopticalphasedarraydevelopedbyUESTC 2液晶相控阵关键技术研究2.1波束控制单个的液晶相控阵器件可实现的角度偏转有限,为增大角度偏转范围、提高分辨率,人们开始研究多个元件的组合。2004 年,佛罗里达大学级联多个电控双折射棱镜,将作为精扫描的液晶相控阵器件与一组二进制的棱镜组合,光束
20、通过每一层双折射棱镜都能获得一定的角度放大,经过一系列的双折射棱镜后系统能够达到48的偏转范围,如图 4(a)所示。2009 年,Raytheon公司将液晶空间光调制器与体全息光栅级联,实现了45范围内的二维光束扫描,衍射效率为15%20%。2011 年,电子科技大学将布拉格光栅与液晶空间光调制器级联,在 011.82范围内实现了连续扫描,光束偏转效率为2%。2017年,Steven24 等人将他们新研制的多个液晶光栅级联在一起,实现了二维光栅扫描,扫描范围为 6464,角度分辨率为 3.2,衍射效率可达80%。2017 年,电子科技大学的汪相如团队25将两组一维液晶相控阵器件分别放在两条光路
21、上得到二维光束小角度范围内的扫描,当偏转角度在 0.19范围内时,偏转精度大于 25 rad,偏转(a)Rockwell 公司透射式相控阵(b)Raytheon 公司高能激光系统 图2液晶光学相控阵系统Fig.2Liquidcrystalphasedarraysystem 78 光 学 仪 器第 45 卷效率为 84.7%,光路图如图 4(b)所示。2018年,电子科技大学提出将液晶相控阵与倒置望远镜系统结合,也实现了光束在大角度范围的扫描。2019 年,长春理工大学将液晶偏振光栅与液晶半波片级联,并将两组这样的组合分别放在 X、Y 方向上,实现了二维光束的扫描,扫描视场为 40 40,如图
22、4(c)所示。2.2系统分析建模扫描模型26,1996 年,美国空军高级研究实验室建立了分析光学相控阵的通用模型闪耀光栅模型。闪耀光栅模型又在 S.Serati 分析和应用中进一步发展。在 2010 年,孔令讲提出非周期闪耀模型27,丰富了扫描模型种类。周期闪耀光栅模型能够实现的偏转角度有限且呈离散状态,而非周期闪耀光栅模型能实现任意连续的角度偏转,但是会受到调制精度和电压量化的影响。2016 年,汪相如为实现超高精度扫描,提出子孔径相干法28,进一步优化了扫描模型。器件模型26,主要用于分析边缘效应、回程区和相位凹陷对液晶相控阵的影响。为了分析影响衍射效率的因素,James 等29分析了边缘
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