Leer in 3 minuten meer over straalafbuigingstechnologie op basis van optische ruimtecommunicatie

Bundelafbuigingstechnologie is een belangrijk onderdeel van lasercommunicatie in de vrije ruimte, en de prestaties ervan bepalen of lasercommunicatie in de vrije ruimte kan voldoen aan de snelle en stabiele communicatiebehoeften. De technologie voor bundelafbuiging kan worden onderverdeeld in twee categorieën: mechanische bundelafbuigingstechnologie en niet-mechanische bundelafbuigingstechnologie. Tot de technologieën voor mechanische bundelafbuiging behoren onder meer scannende galvanometers, snelle controlespiegels en vervormbare spiegels met een micro-elektromechanisch systeem; Niet-mechanische bundelafbuigtechnologieën omvatten akoesto-optische afbuigtechnologie, afbuigtechnologie gebaseerd op vloeibare kristalmaterialen en elektro-optische afbuigtechnologie.

Laten we eens kijken naar de kenmerken van verschillende bundelafbuigingstechnologieën en hun toepassingsmogelijkheden op het gebied van optische ruimtecommunicatie.

1. Galvanometer scannen

Het meest volwassen mechanische apparaat voor bundelafbuiging is een scannende galvanometer, die in wezen een lichtreflector is met een stapresponstijd van milliseconden/submilliseconden en een richtnauwkeurigheid van microradialen, zoals weergegeven in figuur 1.

Figuur 1 Schematisch diagram van een scangalvanometer

Het galvanometerscansysteem heeft een eenvoudige structuur, klein formaat, hoge scannauwkeurigheid, hoge snelheid en relatief lage kosten. Er zijn echter problemen zoals een beperkt werkbereik, kussenvormige vervorming en slijtage van de galvanometer. Dit apparaat heeft uitstekende prestatienormen bereikt wat betreft de afbuighoek. De scangalvanometer uit de XG210-serie, gelanceerd door het Amerikaanse bedrijf THORLABS, heeft bijvoorbeeld een afbuighoek tot ± 20 graden. Momenteel werken onderzoekers in binnen- en buitenland aan het verhogen van de scansnelheid en gebruiken ze methoden zoals femtoseconde-laserpulsen en multidimensionale galvanometerstructuren om de prestaties ervan te verbeteren.

Voor tweedimensionale galvanometers en hoger-dimensionale galvanometerscantechnologieën is de systeemstructuur echter complexer en zullen oriëntatiefouten optreden in praktische toepassingen, en zijn goede correctiemethoden vereist om de fouten te corrigeren. In de toekomst kunnen we overwegen om variabele structuurbesturingstechnologie en dikke en dunne samengestelde asbesturingstechnologie op twee niveaus te gebruiken om restfouten te helpen onderdrukken. Ze kunnen worden toegepast in satellietconstellaties met goede ruimteomstandigheden en korte werkcycli om uiterst nauwkeurig volgen en scannen met maximale efficiëntie te bereiken. Bovendien is het vermogen van lasers in lasercommunicatie over het algemeen erg hoog, dus het kiezen van galvanometerspiegelmaterialen met een hogere reflectiviteit om oppervlakteschade te verminderen is ook een probleem dat in de toekomst moet worden opgelost.

2.Snelle stuurspiegels

Er zijn twee structuren voor snelstuurspiegels, FSM (zoals weergegeven in figuur 2): de ene is de XY-asframestructuur, ook wel de assysteemstructuur genoemd; de andere is de flexibele asstructuur, die momenteel de belangrijkste ontwikkelingsrichting van FSM is.

Figuur 2 (a) XY-asframestructuurdiagram van de snelstuurspiegels; (b) Structuurdiagram van de flexibele as van de snelstuurspiegels

De snelle controlespiegel heeft de voordelen van een hoge positioneringsnauwkeurigheid, een hoge hoekresolutie, een hoge reactiesnelheid en een compact formaat. Het wordt veel gebruikt in een verscheidenheid aan optomechanische systemen, en de flexibele ondersteuningsstructuur vermindert ook de mechanische wrijving, maar in praktische toepassingen vereist dit in combinatie met de framestructuur met grote traagheid dat dit tot een bepaalde optische asfout zal leiden.

Momenteel richt het binnenlandse onderzoek op dit gebied zich enerzijds vooral op de structurele simulatie en systeemcontrole van snelle reflectoren, en verloopt de voortgang bij de ontwikkeling van nieuwe reflectoren traag. Dit houdt ook verband met de behoefte aan continue iteratieve verificatie en hoge onderzoeks- en ontwikkelingskosten. Daarom is het ontwikkelen van een gezamenlijk simulatiesysteem, zodat fysieke verificatie kan worden gesimuleerd door bepaalde parameters in het systeem aan te passen, waardoor de ontwikkelingscyclus aanzienlijk wordt verkort, snelle spiegelparameters met hoge prestaties sneller worden gevonden en de optimalisatie-efficiëntie wordt verbeterd, iets dat moet worden onderzocht. de toekomst.

Aan de andere kant zullen thermische verstoringen en fundamentele trillingen in de ruimteomgeving vervorming en jitter van de optische as veroorzaken bij het richten van uiterst nauwkeurige stralen. Momenteel bestaat de bestaande methode erin een straal te gebruiken die bestaat uit een Michelson-interferometer en een snelle controlespiegel. Wijzend uitlijningssysteem om het probleem van optische asfouten te compenseren. Deze methode heeft echter een lage nauwkeurigheid bij het omgaan met dynamische meetfouten. Het verbeteren van de nauwkeurigheid van dynamische meetfouten om fouten in realtime te compenseren is een probleem dat in de toekomst moet worden opgelost.

3.MEMS vervormbare spiegel

Micro-elektromechanisch systeem-vervormbare spiegel (MEMS-DM) heeft verschillende typen, zoals elektrothermische aandrijving, piëzo-elektrische aandrijving, elektrostatische aandrijving en elektromagnetische aandrijving. Gezien het feit dat elektrostatische aandrijving een eenvoudige structuur heeft, heeft het de voordelen van een hoge responssnelheid en het vermogen om te werken onder hoogfrequente signalen, dus wordt het meestal aangedreven door elektrostatische kracht en wordt het meestal geïmplementeerd in de vorm van platte condensatoren . De structuur ervan wordt getoond in Figuur 3.

Figuur 3 Structuurdiagram van vervormbare MEMS-spiegelaandrijving

Vervormbare spiegels van micro-elektromechanische systemen hebben de voordelen van een hoge eenheidsdichtheid, een korte responstijd, een laag energieverbruik, lage kosten en een goede compatibiliteit met geïntegreerde schakelingen, en worden op grotere schaal gebruikt op het gebied van beeldvorming; ze hebben echter ook een lage scansnelheid en een laag lichtenergiegebruik. problemen zoals meer strooilicht. In de afgelopen jaren zijn onderzoekers begonnen met het ontwikkelen van meer eenheidsactuatoren voor vervormbare spiegels om de golffrontslag te vergroten en een hogere framesnelheid te verkrijgen; Tegelijkertijd zullen vervormbare spiegels met meer actuatoren leiden tot grotere mechanische belasting, dus het kiezen van lichtere basismaterialen met een lagere hardheid is de beste keuze.

4. Akoestische en lichtafbuigingstechnologie

Akoestisch-optische afbuigingstechnologie zet hoogfrequente elektrische signalen om in ultrasone golven en zendt deze via een transducer naar het werkmedium om een ​​rooster te vormen, dat lichtgolfdiffractie gebruikt om de straal af te buigen, zoals weergegeven in figuur 4. De akoesto-optische diffractie Het effect wordt verdeeld in Ramanes-diffractie en Bragg-diffractie, afhankelijk van de lengte van het akoesto-optische gebied. Omdat Ramanes-diffractie een lage lichtgebruiksefficiëntie heeft en Bragg-diffractie een hoge diffractie-efficiëntie heeft, wordt over het algemeen Bragg-diffractie gebruikt.

Figuur 4 Principediagram van akoestische en lichtafbuiging

Akoestisch-optische afbuigapparaten hebben de voordelen van een klein formaat, een laag gewicht, een laag aandrijfvermogen en een hoge diffractie-efficiëntie. Tegelijkertijd beschikt de akoesto-optische afbuigtechnologie ook over real-time parallelle verwerkingsmogelijkheden, grote bandbreedte, gemakkelijke compatibiliteit met computers en automatische besturing. Er zijn echter ook de volgende tekortkomingen: het grootste deel van het afgebogen licht is afgebogen licht van de eerste orde, wat ertoe leidt dat het akoesto-optische afbuigapparaat duidelijke tekortkomingen heeft in het afbuigbereik met grote hoeken, lage afbuignauwkeurigheid, problemen bij het bereiken van fijne controle van de straal en een lage resolutie. , zal er bij scannen met hoge snelheid een "tjilpeffect" verschijnen.

Door gebruik te maken van methoden zoals ultrasone tracking en monokristallijne multifrequentie kan de effectieve bandbreedte worden vergroot om het probleem van de lage resolutie op te lossen. Voor het "tjilpeffect" kan na de deflector een cilindrische lens worden toegevoegd om de invloed ervan te elimineren. Momenteel zijn er veel onderzoeken naar de frequentie van invallende akoestische golven, en er zijn verschillende methoden voor experimentele verbetering uitgevoerd om de diffractie-efficiëntie en frequentieresponsprestaties van de akoesto-optische deflector onder de inval van ultrasone golven te verbeteren, maar de prestaties van het vergroten van de afbuighoek is zelden geanalyseerd.

In de toekomst kan worden overwogen dat bestuurbare akoestische golfvectortechnologie de invalsrichting van de akoestische golf verandert om de afbuigscanhoek te vergroten. Andere indicatoren van de afbuigprestaties van akoesto-optische deflectoren, waaronder bandbreedteprestaties, antistatisch vermogen en thermische stabiliteit, zijn ook huidige onderzoekshotspots.

5.LCD-afbuigingstechnologie

Bundelafbuigingstechnologieën op basis van vloeibare kristalmaterialen omvatten voornamelijk: gefaseerde arrays met vloeibare kristallen, microlensarrays met vloeibare kristallen en polariserende roosters met vloeibare kristallen.

Liquid Crystal Optical Phased Array (LCOPA)-technologie verwijst naar het aanleggen van spanning op vloeibare kristalmoleculen via elektroden. Omdat vloeibaar-kristalmoleculen een elektronisch geregeld dubbelbrekingseffect hebben, regelt de aangelegde spanning de mate van afbuiging van vloeibaar-kristalmoleculen in verschillende toestanden, waardoor de bundelgolf wordt beïnvloed. Het speelt de rol van fasemodulatie aan de voorkant om bundelscanning te realiseren, zoals weergegeven in figuur 5.

Figuur 5 Principediagram van de afbuiging van de liquid crystal phased array

LCOPA heeft de voordelen van aandrijving met hoog vermogen en lage spanning, en kan uiterst nauwkeurige straalafbuiging bereiken met behendigheid en zonder mechanische traagheid. Het heeft echter tekortkomingen zoals een lange responstijd en een korte spectrumbreedte. Bovendien beperkt de kleine afbuighoek ook het toepassingsbereik van LCOPA, waarvoor een hoekversterkingsapparaat nodig is om een ​​grotere afbuighoek te bereiken. Vanwege factoren zoals de effectieve opening en de wegloophoek van het hoekversterkingsapparaat is het momenteel echter moeilijk voor het hoekversterkingsapparaat om een ​​hogere hoekvergroting te bereiken. Tegelijkertijd zal de gefaseerde array met vloeibare kristallen tijdens bedrijf meerdere diffractie-orden hebben, en in combinatie met de invloed van niet-lineaire correlatie-effecten zal de afbuigefficiëntie van LCOPA worden verminderd.

Liquid Crystal Micro-lens Array (LCMLA) bestaat uit 3 lensarrays, zoals weergegeven in figuur 6. Vergeleken met LCOPA heeft LCMLA een grotere afbuighoek en wordt niet beïnvloed door de optische retourzone, waardoor de afbuigefficiëntie hoger is; beïnvloed door de veranderingstijd van de LC-moleculaire rangschikking in het vloeibaar-kristalmateriaal, is het optische padverschil vereist door LCMLA langer dan dat van LCOPA. Klein, de dikte kan kleiner worden gemaakt, dus LCMLA heeft een kleinere responstijd dan LCOPA. Om continue bundelafbuigingsscanning te bereiken, moet LCMLA echter worden gebruikt in combinatie met enkele apparaten met fijne hoekafbuiging, wat de complexiteit van de toepassingsimplementatie vergroot. Bovendien bestaat LCMLA uit een meerlaagse lensarray en is de systeemstabiliteit slechter dan die van LCOPA. LCMLA bereikt straalafbuiging door de grote diffractievolgorde van het uitgezonden licht te veranderen. De ruimtelijke samenhang van de microlensarray beïnvloedt de resolutie ervan, wat een zeer kleine fout in de grootte van de microlens vereist, wat een groot probleem is dat moet worden opgelost.

Figuur 6 Schematisch diagram van microlensmatrix met vloeibare kristallen

Het principe van Liquid Crystal Polarization Grating (LCPG) is dat het invallende licht door de polarisator gaat en linkshandig licht en rechtshandig licht vormt, en vervolgens door de LCPG gaat om de lichtbundel in twee verschillende richtingen af ​​te buigen. Het afbuiglichtpad wordt weergegeven in figuur 7. LCPG wordt niet beïnvloed door het randeffect van het elektrische veld en heeft een hoge resolutie, programmeerbare besturing, lichtheid en flexibiliteit. LCPG hoeft alleen het optische padverschil van de equivalente halvegolfplaat te genereren, en de vereiste dikte van de vloeibaar-kristallaag is dunner, waardoor de responstijd korter wordt. Het is snel en heeft niet de impact van optisch rendement veroorzaakt door fase-reset. Bovendien kan het ook een breedspectrumwerking bereiken. Het is echter moeilijk voor een enkele LCPG om tegelijkertijd aan de indexvereisten van meerdere hoeken en een groot gezichtsveld te voldoen, en meerlaagse LCPG stelt hoge eisen aan het voorbereidingsproces en de systeemstabiliteit.

Figuur 7 Schematisch diagram van polarisatierooster met vloeibare kristallen

De traditionele LCOPA is licht en flexibel en kan binnen een klein hoekbereik een fijne afbuiging bereiken. De systeemcomplexiteit is relatief eenvoudig en het voorbereidingsproces is relatief volwassen. Het wordt echter beïnvloed door de optische retourzone die wordt veroorzaakt door het opnieuw instellen van de fase, en er zijn duidelijke tekortkomingen in de afbuigingsefficiëntie, responstijd en andere indicatoren. , behoeft nog steeds voortdurende verbetering en ontwikkeling. LCMLA en LCPG worden niet beïnvloed door de optische retourzone en hebben de afbuigefficiëntie aanzienlijk verbeterd. Ze moeten echter allebei worden uitgerust met afbuiginrichtingen met een fijne hoek om een ​​quasi-continue afbuigingsscanning van de straal te bereiken, en beide gebruiken meertraps om de maximale afbuighoek te bereiken. De seriestructuur zal leiden tot een systeem dat te lang is en relatief weinig stabiel is. Vergeleken met LCOPA en LCMLA heeft LCPG niet alleen de kenmerken van een grote afbuighoek en een hoge afbuigefficiëntie, maar heeft het ook het unieke voordeel van breedspectrumwerking, maar kan het alleen bundelafbuigingsscannen bereiken met een groot hoekinterval. Momenteel wordt de afbuigingstechnologie van vloeibare kristallen het meest bestudeerd op het gebied van niet-mechanische afbuiging, maar er zijn aanzienlijke beperkingen bij het bereiken van grote hoeken en hoge efficiëntie onder niet-gepolariseerde lichtomstandigheden. Om dit probleem op te lossen, kan rekening worden gehouden met de architectuur en het materiaaltype van het apparaat; bij gebruik van polariserende roosterinrichtingen met vloeibare kristallen is het moeilijk om een ​​continue hoekafbuiging te bereiken bij grote hoekafbuigingen. Dit zijn problemen die in de toekomst moeten worden opgelost.

6.Elektro-optische afbuigingstechnologie

Elektro-optische afbuigingstechnologie wordt gerealiseerd door gebruik te maken van de afbuiging die wordt gegenereerd door de brekingsindexgradiënt loodrecht op de voortplantingsrichting van de bundel, zoals weergegeven in figuur 8. Vergeleken met andere technologieën hebben bundeldeflectors op basis van elektro-optische kristallen de voordelen van willekeurige afbuiging hoek, klein formaat, hoge reactiesnelheid en hoge gevoeligheid, maar ze hebben het probleem van een lage resolutie.

Figuur 8 Principediagram van elektro-optische afbuiging

De afgelopen jaren zijn in binnen- en buitenland elektro-optische materialen met secundaire elektro-optische effecten gerapporteerd, zoals lithiumniobaat, bariumtitanaat, enz. Vergeleken met kristallen met lineaire elektro-optische effecten zijn ze superieur wat betreft prestaties, zoals respons. snelheid en afbuigspanning. Onder hen zijn KTN-kristallen de meest representatieve.

KTN-kristal is het momenteel bekende kristal met het grootste secundaire elektro-optische effect. Het heeft uitstekende kenmerken zoals een grote diëlektrische constante, laag diëlektrisch verlies, duidelijke ferro-elektriciteit en uitstekende niet-lineaire optische eigenschappen. Het heeft een zeer breed toepassingsgebied op het gebied van straalafbuiging. verwachting. Op dit moment hebben buitenlandse bedrijven zoals het Japanse NTT Company en de Universiteit van Pennsylvania in de Verenigde Staten, evenals het binnenlandse Harbin Institute of Technology, Nankai University en Shandong Academy of Sciences, veel onderzoek gedaan naar de doorbuigingskarakteristieken van KTN Kristallen.

NTT Company en de Universiteit van Pennsylvania bestudeerden voornamelijk KTN-kristalbundelafbuigingstechnologie op basis van injectie van ruimtelading; Shandong Academy of Sciences bestudeerde voornamelijk de bundelafbuigingstechnologie die wordt veroorzaakt door de samenstellingsgradiënt van KTN-kristal; Harbin Institute of Technology en anderen bestudeerden voornamelijk de elektroden van KTN-kristalbundeldeflectoren. Technische kwesties zoals structuur en bedrijfstemperatuur werden bestudeerd.

Momenteel bestaan ​​de volgende problemen: het is moeilijk om een ​​hoge optische uniformiteit in de kristalgroei te bereiken en aan de behoeften van praktische toepassingen te voldoen; toepassingen in de buurt van de Curie-temperatuur vereisen nauwkeurige temperatuurcontrolemethoden; er zijn vragen over het injectiemechanisme voor ruimtelading en de polariteit bij de Curietemperatuur. Wetenschappelijke kwesties zoals de nanoregio en het controlemechanisme van bundelafbuiging vereisen verder onderzoek.

Om de voor- en nadelen van elke afbuigingstechnologie intuïtiever weer te geven, werd een vergelijkende analyse uitgevoerd, zoals weergegeven in Tabel 1.

Tabel 1 Vergelijking van straalafbuigingstechnologieën

Samenvatting

Veelgebruikte mechanische micro-elektromechanische vervormbare spiegels, snelle reflectiespiegels en scannende galvanometers veranderen de richting van de uitgezonden optische as door mechanische middelen. Hun nauwkeurigheid kan microradialen bereiken en de afbuighoek kan tientallen radialen bereiken. Ze hebben brede toepassingsmogelijkheden in de geneeskunde en op andere gebieden. . Er zijn echter problemen zoals de complexe structuur, de omvangrijke afmetingen en het hoge energieverbruik. Vanwege de grote omvang van adaptieve optische systemen worden MEMS-vervormbare spiegels in binnen- en buitenland voornamelijk gebruikt op het gebied van beeldvorming. Op het gebied van bundelafbuiging is het moeilijk om te voldoen aan de behoeften van kleinschalige ruimteomgevingen. om te voldoen aan de hoge eisen van chemicaliën en lichtgewicht.

Akoestisch-optische afbuigapparatuur heeft een grote werkbandbreedte, maar het is moeilijk om aan de afbuignauwkeurigheid van microradialen te voldoen, stelt hoge eisen aan de golflengte, hoek en energie van het invallende licht en verbruikt grote energieverliezen.

Methoden zoals gefaseerde arrays met vloeibare kristallen en microlensarrays hebben een laag stroomverbruik en een lage stuurspanning, maar ze hebben een lage responssnelheid, discontinue hoekafbuiging, grote afbuighoeken maar een lage afbuigefficiëntie bij grote hoeken, waardoor het moeilijk wordt om aan de taakvereisten van transmissie met grote bandbreedte.

Vergeleken met andere technologieën hebben straaldeflectors op basis van elektro-optische kristallen de voordelen van een willekeurige afbuighoek, kleine afmetingen, hoge responssnelheid en hoge gevoeligheid. Ze worden beschouwd als het meest geschikt voor het realiseren van een van de leidende richtingen van snelle lichtafbuigingstechnologie. Van de verschillende soorten elektro-optische materialen hebben elektro-optische deflectors op basis van KTN-kristallen de voordelen van afbuiging met een grote hoek, hoge responssnelheid, hoge afbuigefficiëntie, hoge afbuignauwkeurigheid, werking met grote bandbreedte, enz., en hebben ze een groter potentieel in toepassingen op gebieden zoals optische ruimtecommunicatie, en worden onderzoekshotspots over de hele wereld. Aan de ene kant moet het daaropvolgende werk de groeikarakteristieken en omstandigheden van KTN-kristallen analyseren en bestuderen om kristallen van hoge kwaliteit te laten groeien met een uniforme samenstelling en een regelmatige vorm; aan de andere kant moeten we geleidelijk het microscopische afbuigmechanisme van KTN-kristallen bestuderen, wat erg belangrijk is. praktische betekenis.