Obteniu informació sobre la tecnologia de desviació del feix basada en la comunicació òptica espacial en 3 minuts

La tecnologia de deflexió del feix és un component clau de les comunicacions làser a l'espai lliure i el seu rendiment determina si les comunicacions làser a l'espai lliure poden satisfer les necessitats de comunicació ràpida i estable. La tecnologia de deflexió del feix es pot dividir en dues categories: tecnologia de deflexió del feix mecànica i tecnologia de deflexió del feix no mecànica. Entre elles, les tecnologies de deflexió mecànica del feix inclouen galvanòmetres d'escaneig, miralls de control ràpid i miralls deformables de sistema microelectromecànic; Les tecnologies de deflexió no mecànica del feix inclouen la tecnologia de deflexió acústica-òptica, la tecnologia de deflexió basada en materials de cristall líquid i la tecnologia de deflexió electro-òptica.

Fem una ullada a les característiques de diverses tecnologies de deflexió del feix i les seves perspectives d'aplicació en el camp de les comunicacions òptiques espacials.

1. Galvanometre d'escaneig

El dispositiu de desviació del feix mecànic més madur és un galvanòmetre d'escaneig, que és essencialment un reflector de llum amb un temps de resposta de pas de mil·lisegons/submilisegons i una precisió d'apunt de microradians, tal com es mostra a la figura 1.

Figura 1 Diagrama esquemàtic del galvanòmetre d'exploració

El sistema d'escaneig galvanòmetre té una estructura senzilla, mida petita, alta precisió d'escaneig, velocitat ràpida i un cost relativament baix. Tanmateix, té problemes com el rang de treball limitat, la distorsió del coixí i el desgast del galvanòmetre. Aquest dispositiu ha assolit excel·lents estàndards de rendiment pel que fa a l'angle de deflexió. Per exemple, el galvanòmetre d'escaneig de la sèrie XG210 llançat per l'empresa nord-americana THRLABS té un angle de deflexió de fins a ±20 graus. Actualment, els investigadors del país i de l'estranger estan treballant per augmentar la velocitat d'escaneig i utilitzant mètodes com ara polsos làser de femtosegons i estructures de galvanòmetre multidimensionals per millorar-ne el rendiment.

Tanmateix, per als galvanòmetres bidimensionals i les tecnologies d'escaneig de galvanòmetres de dimensions superiors, l'estructura del sistema és més complexa i es produiran errors d'orientació en aplicacions pràctiques i es requereixen bons mètodes de correcció per corregir els errors. En el futur, podem considerar l'ús de tecnologia de control d'estructura variable i tecnologia de control d'eix compost de dos nivells gruixuts i prims per ajudar a suprimir errors residuals. Es poden aplicar en constel·lacions de satèl·lits amb bons entorns espacials i cicles de treball curts per aconseguir un seguiment i una exploració d'alta precisió amb la màxima eficiència. A més, la potència dels làsers en les comunicacions làser és generalment molt alta, de manera que triar materials de miralls galvanòmetres amb una reflectivitat més alta per reduir els danys a la superfície també és un problema que s'ha de resoldre en el futur.

2. Miralls de direcció ràpida

Hi ha dues estructures per als miralls de direcció ràpida, FSM (com es mostra a la figura 2): una és l'estructura del marc de l'eix XY, també anomenada estructura del sistema d'eix; l'altra és l'estructura d'eix flexible, que és la principal direcció de desenvolupament de FSM actualment.

Figura 2 (a) Diagrama d'estructura del marc de l'eix XY dels miralls de direcció ràpida; (b) Diagrama d'estructura d'eix flexible dels miralls de direcció ràpida

El mirall de control ràpid té els avantatges d'una alta precisió de posicionament, una alta resolució angular, una velocitat de resposta ràpida i una mida compacta. S'utilitza àmpliament en una varietat de sistemes optomecànics, i l'estructura de suport flexible també redueix la fricció mecànica, però en aplicacions pràctiques requereix combinat amb la gran estructura de marc d'inèrcia, provocarà un cert error de l'eix òptic.

Actualment, d'una banda, la recerca domèstica en aquest camp se centra principalment en la simulació estructural i el control del sistema de reflectors ràpids, i el progrés en el desenvolupament de nous reflectors és lent. Això també està relacionat amb la necessitat d'una verificació iterativa contínua i uns costos elevats de recerca i desenvolupament. Per tant, desenvolupar un sistema de simulació conjunt perquè la verificació física es pugui simular ajustant certs paràmetres del sistema, escurçant així molt el cicle de desenvolupament, trobant paràmetres de mirall ràpids d'alt rendiment més ràpidament i millorant l'eficiència de l'optimització és una cosa que cal explorar en el futur.

D'altra banda, les pertorbacions tèrmiques i les vibracions fonamentals existents a l'entorn espacial provocaran distorsió i fluctuació de l'eix òptic quan apunten feixos d'alta precisió. Actualment, el mètode existent és utilitzar un feix compost per un interferòmetre de Michelson i un mirall de control ràpid. Sistema d'alineació d'apunt per compensar el problema d'error de l'eix òptic. No obstant això, aquest mètode té poca precisió en el maneig d'errors de mesura dinàmica. Millorar la precisió dels errors de mesura dinàmica per compensar els errors en temps real és un problema que s'hauria de resoldre en el futur.

Mirall deformable 3.MEMS

El mirall deformable del sistema micro-electro-mecànic (MEMS-DM) té diversos tipus, com ara accionament electrotèrmic, accionament piezoelèctric, accionament electrostàtic i accionament electromagnètic. Tenint en compte que la unitat electrostàtica té una estructura senzilla, té els avantatges de la velocitat de resposta ràpida i la capacitat de treballar sota senyals d'alta freqüència, de manera que és impulsada principalment per força electrostàtica i s'implementa principalment en forma de condensadors plans. . La seva estructura es mostra a la figura 3.

Figura 3 Diagrama de l'estructura de la unitat de mirall deformable MEMS

Els miralls deformables del sistema microelectromecànic tenen els avantatges d'una alta densitat d'unitats, un temps de resposta curt, un baix consum d'energia, un baix cost i una bona compatibilitat amb circuits integrats, i s'utilitzen més àmpliament en el camp de la imatge; no obstant això, també tenen una velocitat d'escaneig lenta i una utilització baixa d'energia de la llum. , problemes com ara més llum dispersa. En els darrers anys, els investigadors han començat a desenvolupar més actuadors d'unitats per a miralls deformables per tal d'augmentar la carrera del front d'ona i obtenir una velocitat de fotogrames més alta; al mateix temps, els miralls deformables amb més actuadors comportaran una major tensió mecànica, de manera que escollir materials de base més lleugers i de menor duresa és el camí a seguir.

4.Tecnologia de deflexió acústica i lleugera

La tecnologia de deflexió acústica-òptica converteix els senyals elèctrics d'alta freqüència en ones ultrasòniques i els transmet al medi de treball mitjançant un transductor per formar una reixa, que utilitza la difracció d'ones de llum per desviar el feix, tal com es mostra a la figura 4. La difracció acústica-òptica. L'efecte es divideix en difracció de Ramanes i difracció de Bragg segons la longitud de l'àrea acústo-òptica. Com que la difracció de Ramanes té una baixa eficiència d'utilització de la llum i la difracció de Bragg té una alta eficiència de difracció, generalment s'utilitza la difracció de Bragg.

Figura 4 Esquema bàsic de la deflexió acústica i de la llum

Els dispositius de deflexió acústico-òptica tenen els avantatges de mida petita, pes lleuger, baixa potència de conducció i alta eficiència de difracció. Al mateix temps, la tecnologia de deflexió acústica-òptica també té capacitats de processament paral·lel en temps real, ample de banda de temps gran, fàcil compatibilitat amb ordinadors i control automàtic. Tanmateix, també hi ha els següents inconvenients: la major part de la llum difractada és llum difractada de primer ordre, la qual cosa fa que el dispositiu de deflexió acústico-òptic tingui deficiències òbvies en el rang de deflexió d'angle gran, poca precisió de deflexió, dificultat per aconseguir un control fi. del feix, i baixa resolució. , apareixerà un "efecte xiulet" a l'escaneig d'alta velocitat.

Mitjançant l'ús de mètodes com el seguiment d'ultrasons i la multifreqüència d'un cristall únic, es pot augmentar l'amplada de banda efectiva per resoldre el problema de la baixa resolució. Per a l'"efecte xirp", es pot afegir una lent cilíndrica després del deflector per eliminar-ne la influència. Actualment, hi ha molts estudis sobre la freqüència de les ones acústiques incidents i s'han dut a terme diferents mètodes de millora experimental per millorar l'eficiència de la difracció i el rendiment de la resposta en freqüència del deflector acústico-òptic sota la incidència d'ones ultrasòniques, però el rendiment d'augmentar l'angle de deflexió rarament s'ha analitzat.

En el futur, es pot considerar que la tecnologia vectorial d'ona acústica controlable canvia la direcció d'incidència de l'ona acústica per ampliar el seu angle d'exploració de deflexió. Altres indicadors del rendiment de deflexió dels deflectors acústico-òptics, com ara el rendiment de l'ample de banda, la capacitat antiestàtica i l'estabilitat tèrmica, també són punts d'investigació actuals.

5.Tecnologia de deflexió LCD

Les tecnologies de deflexió del feix basades en materials de cristall líquid inclouen principalment: matrius en fase de cristall líquid, matrius de microlents de cristall líquid i reixes de polarització de cristall líquid.

La tecnologia Liquid Crystal Optical Phased Array (LCOPA) fa referència a l'aplicació de tensió a les molècules de cristall líquid mitjançant elèctrodes. Com que les molècules de cristall líquid tenen un efecte de birrefringència controlat electrònicament, la tensió aplicada controla el grau de desviació de les molècules de cristall líquid en diferents estats, afectant així l'ona del feix. Té el paper de la modulació de fase al davant per realitzar l'exploració del feix, tal com es mostra a la figura 5.

Figura 5 Diagrama bàsic de la deflexió de la matriu en fase de cristall líquid

LCOPA té els avantatges de la conducció d'alta potència i baixa tensió, i pot aconseguir una deflexió del feix d'alta precisió amb destresa i sense inèrcia mecànica. Tanmateix, té deficiències com ara un temps de resposta llarg i una amplada d'espectre operativa curta. A més, el petit angle de deflexió també limita el rang d'aplicació de LCOPA, que requereix un dispositiu d'amplificació d'angle per aconseguir un angle de deflexió més gran. Tanmateix, a causa de factors com l'obertura efectiva i l'angle d'allunyament del dispositiu d'amplificació d'angle, actualment és difícil que el dispositiu d'amplificació d'angle aconsegueixi un augment d'angle més elevat. Al mateix temps, la matriu en fase de cristall líquid tindrà múltiples ordres de difracció durant el funcionament i, juntament amb la influència dels efectes de correlació no lineal, es reduirà l'eficiència de deflexió de LCOPA.

La matriu de micro-lents de cristall líquid (LCMLA) consta de 3 matrius de lents, tal com es mostra a la figura 6. En comparació amb LCOPA, LCMLA té un angle de deflexió més gran i no es veu afectada per la zona de retorn òptica, de manera que l'eficiència de la deflexió és més alta; afectada pel temps de canvi de la disposició molecular LC en el material de cristall líquid, la diferència de camí òptic requerit per LCMLA és més llarga que la de LCOPA. Petit, el gruix es pot reduir, de manera que LCMLA té un temps de resposta més petit que LCOPA. Tanmateix, per aconseguir l'exploració contínua de deflexió del feix, s'ha d'utilitzar LCMLA en combinació amb alguns dispositius de deflexió d'angle fi, la qual cosa augmenta la complexitat de la implementació de l'aplicació. A més, LCMLA es compon d'una matriu de lents multicapa i l'estabilitat del sistema és pitjor que la LCOPA. LCMLA aconsegueix la deflexió del feix canviant l'ordre principal de difracció gran de la llum emesa. La coherència espacial de la matriu de microlents afecta la seva resolució, la qual cosa requereix un error molt petit en la mida de la microlent, que és un problema important que cal resoldre.

Figura 6 Diagrama esquemàtic de la matriu de microlents de cristall líquid

El principi de la reixa de polarització de cristall líquid (LCPG) és que la llum incident passa pel polaritzador per formar llum per a l'esquerra i la llum per a la dreta, i després passa a través del LCPG per desviar el feix de llum en dues direccions diferents. La trajectòria de la llum de deflexió es mostra a la figura 7. El LCPG no es veu afectat per l'efecte de vora del camp elèctric i té una alta resolució, control programable, lleugeresa i flexibilitat. LCPG només necessita generar la diferència de camí òptic de la placa de mitja ona equivalent i el gruix necessari de la capa de cristall líquid és més prim, fent que el seu temps de resposta sigui més curt. És ràpid i no té l'impacte del retorn òptic causat pel restabliment de fase. A més, també pot aconseguir un funcionament d'ampli espectre. Tanmateix, és difícil que un LCPG únic assoleixi els requisits d'índex de múltiples angles i un gran camp de visió al mateix temps, i el LCPG multicapa té requisits elevats en el procés de preparació i l'estabilitat del sistema.

Figura 7 Diagrama esquemàtic de la xarxa de polarització de cristall líquid

El LCOPA tradicional és lleuger i flexible i pot aconseguir una deflexió fina dins d'un petit rang d'angle. La complexitat del sistema és relativament senzilla i el procés de preparació és relativament madur. Tanmateix, es veu afectada per la zona de retorn òptica causada pel restabliment de fase, i hi ha deficiències òbvies en l'eficiència de la deflexió, el temps de resposta i altres indicadors. , encara necessita una millora i desenvolupament continus. LCMLA i LCPG no es veuen afectats per la zona de retorn òptica i han millorat molt l'eficiència de la deflexió. Tanmateix, tots dos han d'estar equipats amb dispositius de deflexió d'angle fi per aconseguir un escaneig de deflexió quasi continu del feix, i tots dos utilitzen diverses etapes per aconseguir l'angle de deflexió màxim. L'estructura en sèrie donarà lloc a un sistema massa llarg i amb una estabilitat relativament pobre. En comparació amb LCOPA i LCMLA, LCPG no només té les característiques d'un gran angle de deflexió i una alta eficiència de deflexió, sinó que també té l'avantatge únic del funcionament d'ampli espectre, sinó que només pot aconseguir l'exploració de la deflexió del feix amb un interval angular gran. Actualment, la tecnologia de deflexió de cristall líquid és la més àmpliament estudiada en la deflexió no mecànica, però hi ha limitacions importants per aconseguir grans angles i una alta eficiència en condicions de llum no polaritzada. Per resoldre aquest problema, es pot considerar l'arquitectura del dispositiu i el tipus de material; quan s'utilitzen dispositius de reixeta de polarització de cristall líquid, és difícil aconseguir una deflexió d'angle contínua a grans desviacions d'angle. Són problemes que s'han de resoldre en el futur.

6.Tecnologia de deflexió electro-òptica

La tecnologia de deflexió electro-òptica es realitza utilitzant la deflexió generada pel gradient d'índex de refracció perpendicular a la direcció de propagació del feix, tal com es mostra a la figura 8. En comparació amb altres tecnologies, els deflectors de feix basats en cristalls electro-òptics tenen els avantatges de la deflexió arbitrària. angle, mida petita, velocitat de resposta ràpida i alta sensibilitat, però tenen el problema de la baixa resolució.

Figura 8 Esquema bàsic de la deflexió electro-òptica

En els darrers anys, s'han informat materials electro-òptics amb efectes electro-òptics secundaris a casa i a l'estranger, com ara niobat de liti, titanat de bari, etc. En comparació amb els cristalls amb efectes electro-òptics lineals, tenen un rendiment superior com la resposta. velocitat i tensió de deflexió. Entre ells, els cristalls KTN els més representatius.

El cristall KTN és el cristall conegut actualment amb l'efecte electro-òptic secundari més gran. Té característiques destacades com una gran constant dielèctrica, baixa pèrdua dielèctrica, ferroelectricitat evident i excel·lents propietats òptiques no lineals. Té un ventall molt ampli d'aplicacions en el camp de la deflexió del feix. perspectiva. En l'actualitat, empreses estrangeres com la companyia japonesa NTT i la Universitat de Pennsilvània als Estats Units, així com l'Institut Tecnològic de Harbin, la Universitat de Nankai i l'Acadèmia de Ciències de Shandong, han fet moltes investigacions sobre les característiques de desviació de KTN. cristalls.

NTT Company i la Universitat de Pennsilvània van estudiar principalment la tecnologia de deflexió del feix de cristall KTN basada en la injecció de càrrega espacial; L'Acadèmia de Ciències de Shandong va estudiar principalment la tecnologia de deflexió del feix induïda pel gradient de composició del cristall KTN; Harbin Institute of Technology i altres van estudiar principalment els elèctrodes dels deflectors de feix de cristall KTN. Es van estudiar qüestions d'enginyeria com l'estructura i la temperatura de funcionament.

Actualment existeixen els següents problemes: és difícil aconseguir una gran uniformitat òptica en el creixement del cristall i satisfer les necessitats d'aplicacions pràctiques; les aplicacions properes a la temperatura de Curie requereixen mètodes de control de temperatura precisos; hi ha preguntes sobre el mecanisme d'injecció de càrrega espacial i la polaritat a la temperatura de Curie. Les qüestions científiques com la nano-regió i el mecanisme de control de la deflexió del feix requereixen més investigacions.

Per tal de mostrar de manera més intuïtiva els avantatges i els inconvenients de cada tecnologia de deflexió, es va realitzar una anàlisi comparativa, tal com es mostra a la Taula 1.

Taula 1 Comparació de tecnologies de deflexió del feix

Resum

Els miralls deformables micro-electromecànics mecànics d'ús habitual, els miralls de reflexió ràpida i els galvanòmetres d'escaneig canvien la direcció de l'eix òptic emès per mitjans mecànics. La seva precisió pot arribar als microradians i l'angle de deflexió pot arribar a desenes de radians. Tenen àmplies perspectives d'aplicació en medicina i altres camps. . Tanmateix, hi ha problemes com l'estructura complexa, la mida voluminosa i l'elevat consum d'energia. A causa de la gran mida dels sistemes òptics adaptatius, els miralls deformables MEMS a casa i a l'estranger s'utilitzen principalment en el camp de la imatge. En el camp de la deflexió del feix, és difícil satisfer les necessitats dels entorns espacials a petita escala. per satisfer els alts requisits de química i lleugeresa.

Els equips de deflexió acústico-òptica tenen un gran ample de banda de treball, però és difícil assolir la precisió de la deflexió dels microradians i té uns requisits elevats sobre la longitud d'ona, l'angle i l'energia de la llum incident i consumeix grans pèrdues d'energia.

Mètodes com ara les matrius en fase de cristall líquid i les matrius de microlents tenen un baix consum d'energia i una baixa tensió de conducció, però tenen una velocitat de resposta lenta, una deflexió angular discontínua, grans angles de deflexió però una baixa eficiència de deflexió a grans angles, cosa que dificulta complir els requisits de la tasca de transmissió de gran ample de banda.

En comparació amb altres tecnologies, els deflectors de feix basats en cristalls electro-òptics tenen els avantatges d'un angle de deflexió arbitrari, mida petita, velocitat de resposta ràpida i alta sensibilitat. Es consideren els més adequats per realitzar una de les direccions principals de la tecnologia de desviació de la llum d'alta velocitat. Entre diversos tipus de materials electro-òptics, els deflectors electro-òptics basats en cristalls KTN tenen els avantatges de la deflexió d'angle gran, velocitat de resposta ràpida, alta eficiència de deflexió, alta precisió de deflexió, funcionament d'ample de banda ample, etc., i tenen un major potencial. en aplicacions en camps com les comunicacions òptiques espacials, convertint-se en un punt d'investigació a tot el món. D'una banda, el treball posterior ha d'analitzar i estudiar les característiques i condicions de creixement dels cristalls KTN per fer créixer cristalls d'alta qualitat amb composició uniforme i forma regular; d'altra banda, hem d'estudiar gradualment el mecanisme de deflexió microscòpica dels cristalls KTN, que és molt important. importància pràctica.