Lær om stråleavbøyningsteknologi basert på romoptisk kommunikasjon på 3 minutter

Stråleavbøyningsteknologi er en nøkkelkomponent i laserkommunikasjon med ledig plass, og ytelsen avgjør om laserkommunikasjon med fri plass kan møte raske og stabile kommunikasjonsbehov. Stråleavbøyningsteknologi kan deles inn i to kategorier: mekanisk stråleavbøyningsteknologi og ikke-mekanisk stråleavbøyningsteknologi. Blant dem inkluderer mekaniske stråleavbøyningsteknologier skannegalvanometre, raske kontrollspeil og mikro-elektromekaniske systemdeformerbare speil; Ikke-mekaniske stråleavbøyningsteknologier inkluderer akusto-optisk avbøyningsteknologi, avbøyningsteknologi basert på flytende krystallmaterialer og elektro-optisk avbøyningsteknologi.

La oss ta en titt på egenskapene til forskjellige stråleavbøyningsteknologier og deres anvendelsesutsikter innen romoptisk kommunikasjon.

1.Skannende galvanometer

Den mest modne mekaniske stråleavbøyningsanordningen er et skanningsgalvanometer, som i hovedsak er en lysreflektor med en trinnresponstid på millisekunder/submillisekunder og en pekenøyaktighet på mikroradianer, som vist i figur 1.

Figur 1 Skjematisk diagram av skanningsgalvanometer

Galvanometerskanningssystemet har en enkel struktur, liten størrelse, høy skanningsnøyaktighet, høy hastighet og relativt lave kostnader. Imidlertid har den problemer som begrenset arbeidsrekkevidde, nåleputeforvrengning og galvanometerslitasje. Denne enheten har nådd utmerkede ytelsesstandarder når det gjelder avbøyningsvinkel. For eksempel har XG210-seriens skanningsgalvanometer lansert av det amerikanske THORLABS-selskapet en avbøyningsvinkel på opptil ±20 grader. For tiden jobber forskere i inn- og utland med å øke skannehastigheten og bruke metoder som femtosekundlaserpulser og flerdimensjonale galvanometerstrukturer for å forbedre ytelsen.

For todimensjonale galvanometre og høyere dimensjonale galvanometerskanningsteknologier er imidlertid systemstrukturen mer kompleks, og orienteringsfeil vil oppstå i praktiske applikasjoner, og det kreves gode korrigeringsmetoder for å rette opp feilene. I fremtiden kan vi vurdere å bruke kontrollteknologi med variabel struktur og tykk og tynn to-nivå komposittaksekontrollteknologi for å hjelpe til med å undertrykke gjenværende feil. De kan brukes i satellittkonstellasjoner med gode rommiljøer og korte arbeidssykluser for å oppnå høypresisjonssporing og skanning med maksimal effektivitet. I tillegg er kraften til lasere i laserkommunikasjon generelt svært høy, så å velge galvanometerspeilmaterialer med høyere reflektivitet for å redusere overflateskader er også et problem som må løses i fremtiden.

2. Rask styrespeil

Det er to strukturer for Fast Steering Mirrors, FSM (som vist i figur 2): den ene er XY-aksens rammestruktur, også kalt akselsystemstrukturen; den andre er den fleksible aksestrukturen, som er hovedutviklingsretningen til FSM for tiden.

Figur 2 (a) XY-aksens rammestrukturdiagram av Fast Steering Mirrors; (b) Fleksibel aksestrukturdiagram for hurtigstyringsspeilene

Det raske kontrollspeilet har fordelene med høy posisjoneringsnøyaktighet, høy vinkeloppløsning, rask responshastighet og kompakt størrelse. Den er mye brukt i en rekke optomekaniske systemer, og den fleksible støttestrukturen reduserer også mekanisk friksjon, men i praktiske applikasjoner krever den Kombinert med den store treghetsrammestrukturen vil det føre til en viss optisk aksefeil.

For tiden fokuserer på den ene siden innenlandsk forskning på dette feltet hovedsakelig på strukturell simulering og systemkontroll av raske reflektorer, og utviklingen av nye reflektorer går sakte. Dette henger også sammen med behovet for kontinuerlig iterativ verifisering og høye forsknings- og utviklingskostnader. Derfor er det å utvikle et felles simuleringssystem slik at fysisk verifisering kan simuleres ved å justere visse parametere i systemet, og dermed forkorte utviklingssyklusen kraftig, finne raske speilparametere med høy ytelse og forbedre optimaliseringseffektiviteten noe som må utforskes i fremtiden.

På den annen side vil termiske forstyrrelser og fundamentale vibrasjoner som eksisterer i rommiljøet forårsake optisk akseforvrengning og jitter når de peker høypresisjonsstråler. Foreløpig er den eksisterende metoden å bruke en stråle som består av et Michelson-interferometer og et hurtigkontrollspeil. Pekejusteringssystem for å kompensere for problemet med optisk aksefeil. Denne metoden har imidlertid lav nøyaktighet i håndtering av dynamiske målefeil. Å forbedre nøyaktigheten til dynamiske målefeil for å kompensere for feil i sanntid er et problem som bør løses i fremtiden.

3.MEMS deformerbart speil

Micro-Electro-Mechanical System-Deformerable Mirror (MEMS-DM) har ulike typer som elektrotermisk drift, piezoelektrisk drift, elektrostatisk drift og elektromagnetisk drift. I lys av det faktum at elektrostatisk stasjon har enkel struktur, har den fordelene med rask responshastighet og evnen til å jobbe under høyfrekvente signaler, så den drives for det meste av elektrostatisk kraft, og er for det meste implementert i form av flate kondensatorer . Strukturen er vist i figur 3.

Figur 3 MEMS deformerbare speildriftsstrukturdiagram

Mikroelektromekaniske systemdeformerbare speil har fordelene med høy enhetstetthet, kort responstid, lavt strømforbruk, lav pris og god integrert kretskompatibilitet, og er mer utbredt i bildebehandlingsfeltet; men de har også lav skannehastighet og lav lysenergiutnyttelse. , problemer som mer strølys. De siste årene har forskere begynt å utvikle flere enhetsaktuatorer for deformerbare speil for å øke bølgefrontslaget og oppnå en høyere bildefrekvens; samtidig vil deformerbare speil med flere aktuatorer føre til større mekanisk belastning, så valg av lettere grunnmaterialer med lavere hardhet er veien videre.

4.Akustisk og lett avbøyningsteknologi

Akusto-optisk avbøyningsteknologi konverterer høyfrekvente elektriske signaler til ultralydbølger og overfører dem til arbeidsmediet gjennom en transduser for å danne et gitter, som bruker lysbølgediffraksjon for å avlede strålen, som vist i figur 4. Den akusto-optiske diffraksjonen effekten er delt inn i Ramanes diffraksjon og Bragg diffraksjon i henhold til lengden på det akusto-optiske området. Siden Ramanes-diffraksjon har lav lysutnyttelseseffektivitet og Bragg-diffraksjon har høy diffraksjonseffektivitet, brukes Bragg-diffraksjon generelt.

Figur 4 Prinsippskjema for akustisk og lysavbøyning

Akusto-optiske avbøyningsenheter har fordelene med liten størrelse, lav vekt, lav drivkraft og høy diffraksjonseffektivitet. Samtidig har akusto-optisk avbøyningsteknologi også parallelle prosesseringsmuligheter i sanntid, stor tidsbåndbredde, enkel kompatibilitet med datamaskiner og automatisk kontroll. Det er imidlertid også følgende mangler: det meste av det diffrakterte lyset er førsteordens diffraktert lys, noe som resulterer i at den akusto-optiske avbøyningsanordningen har åpenbare mangler i avbøyningsområdet med stor vinkel, lav avbøyningsnøyaktighet, vanskeligheter med å oppnå finkontroll av strålen, og lav oppløsning. , vil en "kvitreeffekt" vises under høyhastighetsskanning.

Ved å bruke metoder som ultralydsporing og enkeltkrystall multi-frekvens, kan den effektive båndbredden økes for å løse problemet med lav oppløsning. For "kvitreeffekten" kan en sylindrisk linse legges til etter deflektoren for å eliminere dens påvirkning. For tiden er det mange studier på frekvensen av innfallende akustiske bølger, og forskjellige metoder for eksperimentell forbedring har blitt utført for å forbedre diffraksjonseffektiviteten og frekvensresponsytelsen til den akusto-optiske deflektoren under forekomsten av ultralydbølger, men ytelsen å øke avbøyningsvinkelen har sjelden blitt analysert.

I fremtiden kan kontrollerbar akustisk bølgevektorteknologi vurderes å endre innfallsretningen til den akustiske bølgen for å utvide dens avbøyningsskannevinkel. Andre indikatorer på avbøyningsytelsen til akusto-optiske deflektorer, inkludert båndbreddeytelse, antistatisk evne og termisk stabilitet, er også aktuelle forskningshotspots.

5.LCD avbøyningsteknologi

Stråleavbøyningsteknologier basert på flytende krystallmaterialer inkluderer hovedsakelig: flytende krystallfasede arrays, flytende krystall mikrolinse arrays og flytende krystall polariserende gitter.

Liquid Crystal Optical Phased Array (LCOPA)-teknologi refererer til påføring av spenning til flytende krystallmolekyler gjennom elektroder. Siden flytende krystallmolekyler har en elektronisk kontrollert dobbeltbrytningseffekt, styrer den påførte spenningen graden av avbøyning av flytende krystallmolekyler i forskjellige tilstander, og påvirker derved strålebølgen. Den spiller rollen som fasemodulasjon foran for å realisere stråleskanning, som vist i figur 5.

Figur 5 Prinsippdiagram av flytende krystall-fasede array-avbøyning

LCOPA har fordelene med høy effekt og lavspenningsdrift, og kan oppnå høypresisjonsstråleavbøyning med fingerferdighet og ingen mekanisk treghet. Den har imidlertid mangler som lang responstid og kort driftsspektrumsbredde. I tillegg begrenser den lille avbøyningsvinkelen også bruksområdet til LCOPA, som krever en vinkelforsterkerenhet for å oppnå en større avbøyningsvinkel. På grunn av faktorer som den effektive blenderåpningen og bortgangsvinkelen til vinkelforsterkningsanordningen, er det imidlertid vanskelig for vinkelforsterkeranordningen å oppnå høyere vinkelforstørrelse. Samtidig vil den flytende krystallfasede matrisen ha flere diffraksjonsordrer under drift, og kombinert med påvirkningen av ikke-lineære korrelasjonseffekter, vil avbøyningseffektiviteten til LCOPA reduseres.

Liquid Crystal Micro-lens Array (LCMLA) består av 3 linsearrayer, som vist i figur 6. Sammenlignet med LCOPA har LCMLA en større defleksjonsvinkel og påvirkes ikke av den optiske retursonen, så avbøyningseffektiviteten er høyere; påvirket av endringstiden til det molekylære LC-arrangementet i det flytende krystallmaterialet, er den optiske veiforskjellen som kreves av LCMLA lengre enn for LCOPA. Liten, tykkelsen kan gjøres mindre, så LCMLA har en mindre responstid enn LCOPA. Men for å oppnå kontinuerlig stråleavbøyningsskanning, må LCMLA brukes i kombinasjon med noen finvinklede avbøyningsenheter, noe som øker kompleksiteten i applikasjonsimplementeringen. Dessuten er LCMLA sammensatt av en flerlags linsearray, og systemstabiliteten er dårligere enn LCOPA. LCMLA oppnår stråleavbøyning ved å endre hoveddiffraksjonsrekkefølgen til det utsendte lyset. Den romlige koherensen til mikrolinsearrayen påvirker oppløsningen, noe som krever en veldig liten feil i størrelsen på mikrolinsen, som er et stort problem som må løses.

Figur 6 Skjematisk diagram av flytende krystall mikrolinse array

Prinsippet for Liquid Crystal Polarization Grating (LCPG) er at det innfallende lyset passerer gjennom polarisatoren for å danne venstrehendt lys og høyrehendt lys, og deretter passerer gjennom LCPG for å avlede lysstrålen i to forskjellige retninger. Avbøyningslysbanen er vist i figur 7. LCPG påvirkes ikke av den elektriske feltkanteffekten og har høy oppløsning, programmerbar kontroll, letthet og fleksibilitet. LCPG trenger bare å generere den optiske veiforskjellen til den ekvivalente halvbølgeplaten, og den nødvendige tykkelsen på det flytende krystalllaget er tynnere, noe som gjør responstiden kortere. Den er rask og har ikke innvirkningen av optisk retur forårsaket av fasetilbakestilling. I tillegg kan den også oppnå bredspektret drift. Det er imidlertid vanskelig for en enkelt LCPG å oppnå indekskravene til flere vinkler og et stort synsfelt på samme tid, og flerlags LCPG har høye krav til forberedelsesprosessen og systemstabilitet.

Figur 7 Skjematisk diagram av flytende krystall polarisasjonsgitter

Den tradisjonelle LCOPA er lett og fleksibel og kan oppnå fin avbøyning innenfor et lite vinkelområde. Systemkompleksiteten er relativt enkel og forberedelsesprosessen er relativt moden. Imidlertid påvirkes den av den optiske retursonen forårsaket av fasetilbakestilling, og det er åpenbare mangler i avbøyningseffektivitet, responstid og andre indikatorer. , trenger fortsatt kontinuerlig forbedring og utvikling. LCMLA og LCPG påvirkes ikke av den optiske retursonen og har forbedret avbøyningseffektiviteten betydelig. Imidlertid må de begge være utstyrt med finvinklede avbøyningsenheter for å oppnå kvasi-kontinuerlig avbøyningsskanning av strålen, og begge bruker flertrinn for å oppnå maksimal avbøyningsvinkel. Seriestrukturen vil føre til et system som er for langt og har relativt dårlig stabilitet. Sammenlignet med LCOPA og LCMLA har LCPG ikke bare egenskapene til stor avbøyningsvinkel og høy avbøyningseffektivitet, men har også den unike fordelen med bredspektret drift, men den kan bare oppnå stråleavbøyningsskanning med et stort vinkelintervall. For tiden er flytende krystallavbøyningsteknologi den mest studerte innen ikke-mekanisk avbøyning, men det er betydelige begrensninger for å oppnå store vinkler og høy effektivitet under ikke-polariserte lysforhold. For å løse dette problemet kan enhetsarkitekturen og materialtypen vurderes; når du bruker flytende krystall polariserende gitteranordninger, er det vanskelig å oppnå kontinuerlig vinkelavbøyning ved store vinkelavbøyninger. Dette er problemer som må løses i fremtiden.

6. Elektro-optisk avbøyningsteknologi

Elektro-optisk avbøyningsteknologi realiseres ved å utnytte avbøyningen generert av brytningsindeksgradienten vinkelrett på stråleutbredelsesretningen, som vist i figur 8. Sammenlignet med andre teknologier har stråledeflektorer basert på elektro-optiske krystaller fordelene med vilkårlig avbøyning vinkel, liten størrelse, rask responshastighet og høy følsomhet, men de har problemet med lav oppløsning.

Figur 8 Prinsippdiagram for elektro-optisk avbøyning

De siste årene er det rapportert om elektrooptiske materialer med sekundære elektrooptiske effekter i inn- og utland, som litiumniobat, bariumtitanat osv. Sammenlignet med krystaller med lineære elektrooptiske effekter er de overlegne i ytelse som respons. hastighet og avbøyningsspenning. Blant dem, KTN krystaller Den mest representative.

KTN-krystall er den for tiden kjente krystallen med den største sekundære elektro-optiske effekten. Den har enestående egenskaper som stor dielektrisk konstant, lavt dielektrisk tap, åpenbar ferroelektrisitet og utmerkede ikke-lineære optiske egenskaper. Den har et veldig bredt spekter av bruksområder innen bjelkeavbøyning. prospekt. For tiden har utenlandske selskaper som Japans NTT Company og University of Pennsylvania i USA, samt innenlandske Harbin Institute of Technology, Nankai University og Shandong Academy of Sciences, forsket mye på avbøyningsegenskapene til KTN krystaller.

NTT Company og University of Pennsylvania studerte hovedsakelig KTN krystallstråledefleksjonsteknologi basert på romladningsinjeksjon; Shandong Academy of Sciences studerte hovedsakelig stråleavbøyningsteknologien indusert av komposisjonsgradienten til KTN-krystall; Harbin Institute of Technology og andre studerte hovedsakelig elektrodene til KTN-krystallstråledeflektorer. Tekniske spørsmål som struktur og driftstemperatur ble studert.

Følgende problemer eksisterer for tiden: det er vanskelig å oppnå høy optisk ensartethet i krystallvekst og møte behovene til praktiske anvendelser; applikasjoner nær Curie-temperaturen krever nøyaktige temperaturkontrollmetoder; det er spørsmål om romladningsinjeksjonsmekanismen og polariteten ved Curie-temperaturen. Vitenskapelige spørsmål som nanoregionen og kontrollmekanismen for stråleavbøyning krever videre forskning.

For mer intuitivt å vise fordelene og ulempene ved hver avbøyningsteknologi, ble det utført en sammenlignende analyse, som vist i tabell 1.

Tabell 1 Sammenligning av stråleavbøyningsteknologier

Sammendrag

Vanlig brukte mekaniske mikro-elektromekaniske deformerbare speil, hurtigrefleksjonsspeil og skanningsgalvanometre endrer retningen til den utsendte optiske aksen ved hjelp av mekaniske midler. Nøyaktigheten deres kan nå mikroradianer og avbøyningsvinkelen kan nå dusinvis av radianer. De har brede applikasjonsmuligheter innen medisin og andre felt. . Imidlertid er det problemer som kompleks struktur, klumpete størrelse og høyt energiforbruk. På grunn av den store størrelsen på adaptive optiske systemer, brukes MEMS deformerbare speil i inn- og utland hovedsakelig innen bildebehandling. Innen stråleavbøyning er det vanskelig å møte behovene til småskala rombårne miljøer. for å møte de høye kravene til kjemikalisering og lettvekt.

Akusto-optisk avbøyningsutstyr har stor arbeidsbåndbredde, men det er vanskelig å møte avbøyningsnøyaktigheten til mikroradianer, og det har høye krav til bølgelengden, vinkelen og energien til det innfallende lyset og bruker store energitap.

Metoder som flytende krystallfasede arrayer og mikrolinse-arrayer har lavt strømforbruk og lav drivspenning, men de har lav responshastighet, diskontinuerlig vinkelavbøyning, store avbøyningsvinkler men lav avbøyningseffektivitet ved store vinkler, noe som gjør det vanskelig å oppfylle oppgavekravene til overføring med stor båndbredde.

Sammenlignet med andre teknologier har stråledeflektorer basert på elektro-optiske krystaller fordelene med vilkårlig avbøyningsvinkel, liten størrelse, rask responshastighet og høy følsomhet. De anses å være best egnet for å realisere en av de ledende retningene innen høyhastighets lysavbøyningsteknologi. Blant ulike typer elektro-optiske materialer har elektro-optiske deflektorer basert på KTN-krystaller fordelene med storvinkelavbøyning, rask responshastighet, høy avbøyningseffektivitet, høy avbøyningsnøyaktighet, bredbåndsdrift, etc., og har større potensiale. i applikasjoner innen felt som optisk romkommunikasjon, og blitt et forskningshotspots rundt om i verden. På den ene siden må det påfølgende arbeidet analysere og studere vekstkarakteristikkene og betingelsene til KTN-krystaller for å dyrke høykvalitetskrystaller med jevn sammensetning og regelmessig form; på den annen side må vi gradvis studere den mikroskopiske avbøyningsmekanismen til KTN-krystaller, noe som er veldig viktig. praktisk betydning.