Научете за технологията за отклоняване на лъча, базирана на космическа оптична комуникация за 3 минути

Технологията за отклоняване на лъча е ключов компонент на лазерните комуникации в свободното пространство и нейната производителност определя дали лазерните комуникации в свободното пространство могат да отговорят на нуждите от бърза и стабилна комуникация. Технологията за отклонение на лъча може да бъде разделена на две категории: технология за механично отклонение на лъча и технология за немеханично отклонение на лъча. Сред тях технологиите за механично отклонение на лъча включват сканиращи галванометри, огледала за бързо управление и деформируеми огледала с микроелектромеханична система; технологиите за немеханично отклонение на лъча включват акустооптична технология за отклонение, технология за отклонение, базирана на течнокристални материали и електрооптична технология за отклонение.

Нека да разгледаме характеристиките на различните технологии за отклоняване на лъча и перспективите за тяхното приложение в областта на космическите оптични комуникации.

1.Сканиращ галванометър

Най-усъвършенстваното устройство за механично отклонение на лъча е сканиращ галванометър, който по същество е светлинен рефлектор с стъпково време за реакция от милисекунди/субмилисекунди и точност на насочване от микрорадиани, както е показано на Фигура 1.

Фигура 1 Схематична диаграма на сканиращ галванометър

Системата за сканиране на галванометър има проста структура, малък размер, висока точност на сканиране, бърза скорост и относително ниска цена. Той обаче има проблеми като ограничен работен обхват, изкривяване на иглата и износване на галванометър. Това устройство е достигнало отлични стандарти за производителност по отношение на ъгъла на отклонение. Например сканиращият галванометър от серията XG210, пуснат на пазара от американската компания THORLABS, има ъгъл на отклонение до ±20 градуса. Понастоящем изследователи в страната и чужбина работят върху увеличаване на скоростта на сканиране и използване на методи като фемтосекундни лазерни импулси и многоизмерни галванометърни структури за подобряване на неговата производителност.

Въпреки това, за двумерните галванометри и технологиите за сканиране на галванометър с по-високо измерение, структурата на системата е по-сложна и ще възникнат грешки в ориентацията при практически приложения и са необходими добри методи за коригиране, за да се коригират грешките. В бъдеще можем да обмислим използването на технология за управление на променлива структура и технология за управление на дебели и тънки композитни оси на две нива, за да подпомогнем потискането на остатъчните грешки. Те могат да се прилагат в сателитни съзвездия с добра космическа среда и кратки работни цикли за постигане на високо прецизно проследяване и сканиране с максимална ефективност. Освен това мощността на лазерите в лазерните комуникации обикновено е много висока, така че изборът на материали за огледало на галванометър с по-висока отразяваща способност за намаляване на повърхностните щети също е проблем, който трябва да бъде решен в бъдеще.

2. Огледала за бързо управление

Има две структури за огледала за бързо управление, FSM (както е показано на фигура 2): едната е структурата на рамката на оста XY, наричана още структура на системата на вала; другата е структурата на гъвкавата ос, която е основната посока на развитие на FSM в момента.

Фигура 2 (a) Структурна диаграма на рамката по оста XY на огледалата за бързо управление; (b) Структурна диаграма на гъвкавата ос на огледалата за бързо управление

Огледалото за бързо управление има предимствата на висока точност на позициониране, висока ъглова разделителна способност, бърза скорост на реакция и компактен размер. Той се използва широко в различни оптико-механични системи, а гъвкавата опорна структура също намалява механичното триене, но в практическите приложения изисква В комбинация с голямата инерционна структура на рамката това ще доведе до определена грешка на оптичната ос.

Понастоящем, от една страна, вътрешните изследвания в тази област се фокусират главно върху структурната симулация и системния контрол на бързи рефлектори, а напредъкът в разработването на нови рефлектори е бавен. Това също е свързано с необходимостта от непрекъсната итеративна проверка и високите разходи за научноизследователска и развойна дейност. Следователно, разработването на съвместна система за симулация, така че физическата проверка да може да бъде симулирана чрез коригиране на определени параметри в системата, като по този начин значително се съкращава цикълът на разработка, намирането на високоефективни бързи огледални параметри по-бързо и подобряването на ефективността на оптимизацията е нещо, което трябва да се проучи в бъдещето.

От друга страна, топлинните смущения и основните вибрации, съществуващи в космическата среда, ще причинят изкривяване на оптичната ос и трептене при насочване на високопрецизни лъчи. Понастоящем съществуващият метод е да се използва лъч, съставен от интерферометър на Майкелсън и огледало за бързо управление. Система за насочване на центриране за компенсиране на проблема с грешката на оптичната ос. Въпреки това, този метод има ниска точност при обработката на динамични грешки при измерване. Повишаването на точността на динамичните грешки при измерване, за да се компенсират грешките в реално време, е проблем, който трябва да бъде разрешен в бъдеще.

3.MEMS деформируемо огледало

Микро-електро-механична система-деформируемо огледало (MEMS-DM) има различни видове като електротермично задвижване, пиезоелектрическо задвижване, електростатично задвижване и електромагнитно задвижване. С оглед на факта, че електростатичното задвижване има проста структура, то има предимствата на бързата скорост на реакция и способността да работи при високочестотни сигнали, така че се задвижва предимно от електростатична сила и се изпълнява най-вече под формата на плоски кондензатори . Структурата му е показана на фигура 3.

Фигура 3 Структурна схема на MEMS деформируемо огледало

Деформируемите огледала на микроелектромеханичната система имат предимствата на висока плътност на единица, кратко време за реакция, ниска консумация на енергия, ниска цена и добра съвместимост с интегрални схеми и се използват по-широко в областта на изображенията; обаче, те също имат ниска скорост на сканиране и ниско използване на светлинна енергия. , проблеми като повече разсеяна светлина. През последните години изследователите започнаха да разработват повече единични задвижващи механизми за деформируеми огледала, за да увеличат хода на вълновия фронт и да получат по-висока кадрова честота; в същото време деформируемите огледала с повече задвижващи механизми ще доведат до по-голямо механично напрежение, така че изборът на по-леки основни материали с по-ниска твърдост е пътят напред.

4. Акустична и светлинна технология за отклоняване

Технологията за акустооптично отклонение преобразува високочестотни електрически сигнали в ултразвукови вълни и ги предава към работната среда през преобразувател, за да образува решетка, която използва дифракция на светлинни вълни, за да отклони лъча, както е показано на Фигура 4. Акустооптична дифракция ефектът се разделя на дифракция на Ramanes и дифракция на Bragg според дължината на акустооптичната област. Тъй като дифракцията на Ramanes има ниска ефективност на използване на светлината, а дифракцията на Bragg има висока ефективност на дифракция, обикновено се използва дифракция на Bragg.

Фигура 4 Принципна диаграма на акустично и светлинно отклонение

Устройствата за акустично оптично отклонение имат предимствата на малък размер, леко тегло, ниска задвижваща мощност и висока ефективност на дифракция. В същото време технологията за акусто-оптично отклонение също има възможности за паралелна обработка в реално време, голяма времева честотна лента, лесна съвместимост с компютри и автоматично управление. Съществуват обаче и следните недостатъци: по-голямата част от дифрактираната светлина е дифрактирана светлина от първи ред, което води до това, че акустооптичното устройство за отклонение има очевидни недостатъци в диапазона на отклонение с голям ъгъл, ниска точност на отклонение, трудност при постигане на фин контрол на лъча и ниска разделителна способност. , ще се появи "ефект на чуруликане" при високоскоростно сканиране.

Чрез използване на методи като ултразвуково проследяване и монокристална мулти-честота, ефективната честотна лента може да бъде увеличена, за да се реши проблемът с ниската резолюция. За "чирп ефекта" може да се добави цилиндрична леща след дефлектора, за да се елиминира влиянието му. Понастоящем има много изследвания върху честотата на падащите акустични вълни и са проведени различни методи за експериментално подобрение за подобряване на ефективността на дифракцията и честотната характеристика на акустооптичния дефлектор при падане на ултразвукови вълни, но производителността на увеличаване на ъгъла на отклонение рядко е анализирано.

В бъдеще може да се обмисли контролируема векторна технология на акустичната вълна за промяна на посоката на падане на акустичната вълна, за да се разшири нейният ъгъл на сканиране на отклонение. Други показатели за характеристиките на отклонение на акусто-оптични дефлектори, включително производителност на честотната лента, антистатична способност и термична стабилност, също са настоящи горещи точки за изследване.

5.LCD технология за отклоняване

Технологиите за отклоняване на лъча, базирани на течнокристални материали, включват главно: течнокристални фазирани решетки, течнокристални масиви от микролещи и течнокристални поляризационни решетки.

Технологията за течнокристална оптична фазирана решетка (LCOPA) се отнася до прилагане на напрежение към молекулите на течни кристали чрез електроди. Тъй като течнокристалните молекули имат електронно контролиран ефект на двойно пречупване, приложеното напрежение контролира степента на отклонение на течнокристалните молекули в различни състояния, като по този начин влияе върху вълната на лъча. Той играе ролята на фазова модулация отпред, за да реализира сканиране на лъча, както е показано на фигура 5.

Фигура 5 Принципна диаграма на отклонението на фазираната решетка от течен кристал

LCOPA има предимствата на задвижване с висока мощност и ниско напрежение и може да постигне високо прецизно отклонение на лъча със сръчност и без механична инерция. Той обаче има недостатъци като дълго време за реакция и кратък работен спектър. В допълнение, малкият ъгъл на отклонение също ограничава обхвата на приложение на LCOPA, което изисква устройство за усилване на ъгъла, за да се постигне по-голям ъгъл на отклонение. Въпреки това, поради фактори като ефективната бленда и ъгъла на отдалечаване на устройството за ъглово усилване, в момента е трудно за устройството за ъглово усилване да постигне по-голямо ъглово увеличение. В същото време течнокристалната фазирана решетка ще има множество порядъци на дифракция по време на работа и заедно с влиянието на нелинейните корелационни ефекти, ефективността на отклонение на LCOPA ще бъде намалена.

Масивът от течнокристални микролещи (LCMLA) се състои от 3 масива от лещи, както е показано на фигура 6. В сравнение с LCOPA, LCMLA има по-голям ъгъл на отклонение и не се влияе от оптичната зона на връщане, така че ефективността на отклонение е по-висока; повлиян от времето за промяна на молекулярното подреждане на LC в течнокристалния материал, оптичната разлика в пътя, изисквана от LCMLA, е по-дълга от тази на LCOPA. Малък, дебелината може да бъде направена по-малка, така че LCMLA има по-малко време за реакция от LCOPA. Въпреки това, за да се постигне непрекъснато сканиране на отклонението на лъча, LCMLA трябва да се използва в комбинация с някои устройства за отклонение с фини ъгли, което увеличава сложността на прилагането на приложението. Освен това LCMLA се състои от многослойна матрица от лещи и стабилността на системата е по-лоша от LCOPA. LCMLA постига отклонение на лъча чрез промяна на големия ред на дифракция на излъчената светлина. Пространствената кохерентност на масива от микролещи влияе върху разделителната способност, което изисква много малка грешка в размера на микролещите, което е основен проблем, който трябва да бъде разрешен.

Фигура 6 Схематична диаграма на решетка от течнокристални микролещи

Принципът на течнокристалната поляризационна решетка (LCPG) е, че падащата светлина преминава през поляризатора, за да образува лява светлина и дясна светлина, и след това преминава през LCPG, за да отклони светлинния лъч в две различни посоки. Пътят на отклоняващата светлина е показан на Фигура 7. LCPG не се влияе от ефекта на ръба на електрическото поле и има висока разделителна способност, програмируем контрол, лекота и гъвкавост. LCPG трябва само да генерира разликата в оптичния път на еквивалентната полувълнова плоча и необходимата дебелина на течнокристалния слой е по-тънка, което прави времето за реакция по-кратко. Той е бърз и няма въздействието на оптичното връщане, причинено от нулиране на фазата. В допълнение, той може да постигне и широкоспектърна работа. Въпреки това е трудно за единичен LCPG да постигне изискванията за индекс на множество ъгли и голямо зрително поле едновременно, а многослойният LCPG има високи изисквания към процеса на подготовка и стабилността на системата.

Фигура 7 Схематична диаграма на течнокристална поляризационна решетка

Традиционният LCOPA е лек и гъвкав и може да постигне фино отклонение в малък ъглов диапазон. Сложността на системата е сравнително проста и процесът на подготовка е сравнително зрял. Въпреки това, той се влияе от оптичната зона на връщане, причинена от нулиране на фазата, и има очевидни недостатъци в ефективността на отклонение, времето за реакция и други показатели. , все още се нуждае от непрекъснато подобряване и развитие. LCMLA и LCPG не се влияят от оптичната зона на връщане и са подобрили значително ефективността на отклонение. Въпреки това, и двете трябва да бъдат оборудвани с устройства за отклонение с фин ъгъл, за да се постигне квази-непрекъснато сканиране на отклонението на лъча, и двете използват няколко етапа за постигане на максимален ъгъл на отклонение. Серийната структура ще доведе до система, която е твърде дълга и има относително ниска стабилност. В сравнение с LCOPA и LCMLA, LCPG не само има характеристиките на голям ъгъл на отклонение и висока ефективност на отклонение, но също така има уникалното предимство на широкоспектърна работа, но може да постигне сканиране на отклонение на лъча само с голям ъглов интервал. Понастоящем технологията за отклоняване на течни кристали е най-широко изследваната при немеханично отклоняване, но има значителни ограничения при постигането на големи ъгли и висока ефективност при условия на неполяризирана светлина. За да се реши този проблем, може да се вземе предвид архитектурата на устройството и вида на материала; когато се използват поляризиращи решетъчни устройства с течни кристали, е трудно да се постигне непрекъснато отклонение на ъгъла при големи отклонения на ъгъл. Това са проблеми, които трябва да бъдат решени в бъдеще.

6. Електро-оптична технология за отклонение

Технологията за електрооптично отклонение се реализира чрез използване на отклонението, генерирано от градиента на индекса на пречупване, перпендикулярно на посоката на разпространение на лъча, както е показано на фигура 8. В сравнение с други технологии, дефлекторите на лъча, базирани на електрооптични кристали, имат предимствата на произволно отклонение ъгъл, малък размер, бърза скорост на реакция и висока чувствителност, но имат проблем с ниската разделителна способност.

Фигура 8 Принципна диаграма на електрооптичното отклонение

През последните години се съобщава за електрооптични материали с вторични електрооптични ефекти у нас и в чужбина, като литиев ниобат, бариев титанат и др. В сравнение с кристалите с линейни електрооптични ефекти, те са по-добри по отношение на производителност като реакция скорост и напрежение на отклонение. Сред тях кристалите KTN са най-представителни.

Кристалът KTN е известният в момента кристал с най-голям вторичен електрооптичен ефект. Той има изключителни характеристики като голяма диелектрична константа, ниски диелектрични загуби, очевидна фероелектричност и отлични нелинейни оптични свойства. Има много широк спектър от приложения в областта на отклонението на лъча. перспектива. Понастоящем чуждестранни компании като японската компания NTT и Университета на Пенсилвания в Съединените щати, както и вътрешния Технологичен институт в Харбин, Университета Нанкай и Академията на науките Шандонг, са направили много изследвания върху характеристиките на отклонение на KTN кристали.

Компанията NTT и Университетът на Пенсилвания изучаваха основно технологията за отклоняване на кристален лъч KTN, базирана на инжектиране на пространствен заряд; Шандонгската академия на науките изучава основно технологията за отклоняване на лъча, предизвикана от градиента на състава на KTN кристала; Харбинският технологичен институт и други основно са изучавали електродите на KTN кристални дефлектори на лъча. Бяха проучени инженерни въпроси като структура и работна температура.

В момента съществуват следните проблеми: трудно е да се постигне висока оптична еднородност в растежа на кристалите и да се отговори на нуждите на практическите приложения; приложения, близки до температурата на Кюри, изискват прецизни методи за контрол на температурата; има въпроси относно механизма за инжектиране на пространствен заряд и полярността при температурата на Кюри. Научни въпроси като нанорегиона и контролния механизъм на отклонението на лъча изискват допълнителни изследвания.

За да се покажат по-интуитивно предимствата и недостатъците на всяка технология за отклонение, беше извършен сравнителен анализ, както е показано в таблица 1.

Таблица 1 Сравнение на технологиите за отклоняване на лъча

Резюме

Често използваните механични микро-електромеханични деформируеми огледала, огледала за бързо отражение и сканиращи галванометри променят посоката на излъчваната оптична ос чрез механични средства. Тяхната точност може да достигне микрорадиани, а ъгълът на отклонение може да достигне десетки радиани. Те имат широки перспективи за приложение в медицината и други области. . Има обаче проблеми като сложна структура, обемисти размери и висока консумация на енергия. Поради големия размер на адаптивните оптични системи, MEMS деформируемите огледала у нас и в чужбина се използват главно в областта на изображенията. В областта на отклонението на лъча е трудно да се посрещнат нуждите на малки космически среди. за да отговарят на високите изисквания за химизиране и леко тегло.

Акустооптичното отклоняващо оборудване има голяма работна честотна лента, но е трудно да се отговори на точността на отклоняване на микрорадиани и има високи изисквания към дължината на вълната, ъгъла и енергията на падащата светлина и консумира големи загуби на енергия.

Методи като течнокристални фазирани решетки и масиви от микролещи имат ниска консумация на енергия и ниско напрежение на задвижване, но имат бавна скорост на реакция, прекъснато ъглово отклонение, големи ъгли на отклонение, но ниска ефективност на отклонение при големи ъгли, което затруднява изпълнението на изискванията на задачата предаване с голяма честотна лента.

В сравнение с други технологии, дефлекторите на лъчи, базирани на електрооптични кристали, имат предимствата на произволен ъгъл на отклонение, малък размер, бърза скорост на реакция и висока чувствителност. Считат се за най-подходящи за реализиране на едно от водещите направления на технологията за високоскоростно отклоняване на светлината. Сред различните видове електрооптични материали, електрооптичните дефлектори, базирани на KTN кристали, имат предимствата на голям ъгъл на отклонение, бърза скорост на реакция, висока ефективност на отклонение, висока точност на отклонение, работа с широка честотна лента и т.н., и имат по-голям потенциал в приложения в области като космически оптични комуникации, превръщайки се в изследователски горещи точки по целия свят. От една страна, последващата работа трябва да анализира и изследва характеристиките на растеж и условията на KTN кристалите, за да се отглеждат висококачествени кристали с еднакъв състав и правилна форма; от друга страна, ние трябва постепенно да изучаваме микроскопичния механизъм на отклонение на KTN кристалите, което е много важно. практическо значение.