Získejte informace o technologii vychylování paprsku založené na vesmírné optické komunikaci za 3 minuty

Technologie vychylování paprsku je klíčovou součástí laserové komunikace ve volném prostoru a její výkon určuje, zda laserová komunikace ve volném prostoru může splnit požadavky na rychlou a stabilní komunikaci. Technologii vychylování paprsku lze rozdělit do dvou kategorií: technologii mechanického vychylování paprsku a technologii nemechanického vychylování paprsku. Mezi nimi technologie mechanického vychylování paprsku zahrnují skenovací galvanometry, rychlá řídicí zrcadla a deformovatelná zrcadla s mikroelektromechanickým systémem; nemechanické technologie vychylování paprsku zahrnují technologii akusticko-optického vychylování, technologii vychylování založenou na materiálech s tekutými krystaly a technologii elektrooptického vychylování.

Podívejme se na charakteristiky různých technologií vychylování paprsku a jejich aplikační vyhlídky v oblasti kosmických optických komunikací.

1.Skenovací galvanometr

Nejvyspělejším mechanickým zařízením pro vychylování paprsku je skenovací galvanometr, což je v podstatě světelný reflektor se skokovou dobou odezvy milisekundy/submilisekundy a přesností zaměření mikroradiánů, jak je znázorněno na obrázku 1.

Obrázek 1 Schematické schéma skenovacího galvanometru

Skenovací systém galvanometru má jednoduchou strukturu, malou velikost, vysokou přesnost skenování, vysokou rychlost a relativně nízkou cenu. Má však problémy, jako je omezený pracovní rozsah, poduškovité zkreslení a opotřebení galvanometru. Toto zařízení dosáhlo vynikajících výkonnostních standardů, pokud jde o úhel vychýlení. Například skenovací galvanometr řady XG210 uvedený na trh americkou společností THORLABS má úhel vychýlení až ±20 stupňů. V současné době výzkumníci doma i v zahraničí pracují na zvýšení rychlosti skenování a využívají metody, jako jsou pulsy femtosekundového laseru a vícerozměrné struktury galvanometru ke zlepšení jeho výkonu.

U dvourozměrných galvanometrů a technologií skenování galvanometrů s vyššími rozměry je však struktura systému složitější a v praktických aplikacích se budou vyskytovat chyby orientace a k opravě chyb jsou zapotřebí dobré korekční metody. V budoucnu můžeme zvážit použití technologie řízení s proměnnou strukturou a technologie řízení tlustých a tenkých dvouúrovňových kompozitních os, které pomohou při potlačení zbytkových chyb. Mohou být použity v satelitních konstelacích s dobrými vesmírnými prostředími a krátkými pracovními cykly pro dosažení vysoce přesného sledování a skenování s maximální účinností. Kromě toho je výkon laserů v laserové komunikaci obecně velmi vysoký, takže výběr materiálů zrcadel galvanometrů s vyšší odrazivostí pro snížení poškození povrchu je také problém, který je třeba v budoucnu vyřešit.

2. Rychle řízená zrcátka

Existují dvě struktury pro rychle řízená zrcátka, FSM (jak je znázorněno na obrázku 2): jednou je rámová struktura osy XY, nazývaná také struktura hřídelového systému; druhou je flexibilní osová struktura, která je v současnosti hlavním vývojovým směrem FSM.

Obrázek 2 (a) Schéma struktury rámu osy XY rychle řízených zrcátek; (b) Schéma flexibilní osové struktury rychle řízených zrcadel

Rychlé ovládací zrcadlo má výhody vysoké přesnosti polohování, vysokého úhlového rozlišení, vysoké rychlosti odezvy a kompaktní velikosti. Je široce používán v různých optomechanických systémech a pružná nosná struktura také snižuje mechanické tření, ale v praktických aplikacích to vyžaduje V kombinaci se strukturou rámu s velkou setrvačností to povede k určité chybě optické osy.

V současné době se tuzemský výzkum v této oblasti na jedné straně zaměřuje především na strukturální simulaci a systémové řízení rychlých reflektorů a pokrok ve vývoji nových reflektorů je pomalý. S tím souvisí i nutnost průběžného iterativního ověřování a vysoké náklady na výzkum a vývoj. Proto je třeba prozkoumat vývoj společného simulačního systému tak, aby bylo možné fyzické ověření simulovat úpravou určitých parametrů v systému, čímž se výrazně zkrátí vývojový cyklus, rychleji naleznou parametry rychlého zrcadlení s vysokým výkonem a zlepší účinnost optimalizace. budoucnost.

Na druhé straně tepelné poruchy a základní vibrace existující ve vesmírném prostředí způsobí zkreslení optické osy a jitter při nasměrování vysoce přesných paprsků. V současné době je stávající metodou využití paprsku složeného z Michelsonova interferometru a rychlého kontrolního zrcadla. Polohovací zarovnávací systém pro kompenzaci problému chyby optické osy. Tato metoda má však nízkou přesnost při řešení dynamických chyb měření. Zvýšení přesnosti dynamických chyb měření pro kompenzaci chyb v reálném čase je problém, který by měl být v budoucnu vyřešen.

3.MEMS deformovatelné zrcadlo

Micro-Electro-Mechanical System-Deformable Mirror (MEMS-DM) má různé typy, jako je elektrotermický pohon, piezoelektrický pohon, elektrostatický pohon a elektromagnetický pohon. Vzhledem k tomu, že elektrostatický pohon má jednoduchou konstrukci, má výhody rychlé odezvy a schopnosti pracovat pod vysokofrekvenčními signály, takže je většinou poháněn elektrostatickou silou a je většinou implementován ve formě plochých kondenzátorů . Jeho struktura je znázorněna na obrázku 3.

Obrázek 3 Schéma struktury pohonu deformovatelného zrcadla MEMS

Deformovatelná zrcadla mikroelektromechanického systému mají výhody vysoké hustoty jednotek, krátké doby odezvy, nízké spotřeby energie, nízké ceny a dobré kompatibility s integrovanými obvody a jsou široce používány v oblasti zobrazování; mají však také pomalou rychlost skenování a nízké využití světelné energie. , problémy, jako je více rozptýleného světla. V posledních letech výzkumníci začali vyvíjet více jednotkových ovladačů pro deformovatelná zrcadla, aby zvýšili zdvih čela vlny a získali vyšší snímkovou frekvenci; zároveň deformovatelná zrcadla s více ovladači povedou k většímu mechanickému namáhání, takže volbou lehčích základních materiálů s nižší tvrdostí je cesta vpřed.

4.Akustika a technologie vychylování světla

Akustooptická technologie vychylování převádí vysokofrekvenční elektrické signály na ultrazvukové vlny a přenáší je do pracovního média přes převodník za vzniku mřížky, která využívá difrakci světelných vln k vychýlení paprsku, jak je znázorněno na obrázku 4. Akustooptická difrakce Podle délky akusticko-optické oblasti se efekt dělí na Ramanesovu difrakci a Braggovu difrakci. Protože Ramanesova difrakce má nízkou účinnost využití světla a Braggova difrakce má vysokou difrakční účinnost, obecně se používá Braggova difrakce.

Obrázek 4 Principiální schéma akustické a světelné výchylky

Akustooptická vychylovací zařízení mají výhody malých rozměrů, nízké hmotnosti, nízkého hnacího výkonu a vysoké difrakční účinnosti. Současně má akusticko-optická technologie vychylování také možnosti paralelního zpracování v reálném čase, velkou časovou šířku pásma, snadnou kompatibilitu s počítači a automatické řízení. Existují však také tyto nedostatky: většina ohybového světla je ohybové světlo prvního řádu, což má za následek, že akusticko-optické vychylovací zařízení má zjevné nedostatky ve velkoúhlovém rozsahu vychylování, nízkou přesnost vychylování, obtížné dosažení jemného ovládání paprsku a nízké rozlišení. , při vysokorychlostním skenování se objeví „efekt cvrlikání“.

Použitím metod, jako je ultrazvukové sledování a multifrekvenční monokrystal, lze zvýšit efektivní šířku pásma, aby se vyřešil problém s nízkým rozlišením. Pro „cvrlikání efekt“ lze za deflektor přidat cylindrickou čočku pro eliminaci jeho vlivu. V současné době existuje mnoho studií o frekvenci dopadajících akustických vln a byly provedeny různé metody experimentálního zlepšení, aby se zlepšila difrakční účinnost a výkon frekvenční odezvy akusticko-optického deflektoru při dopadu ultrazvukových vln, ale výkon zvýšení úhlu vychýlení bylo analyzováno jen zřídka.

V budoucnu lze uvažovat o technologii řízeného vektoru akustických vln, která by změnila směr dopadu akustické vlny a rozšířila její úhel skenování vychýlení. Další ukazatele vychylovacího výkonu akusticko-optických deflektorů, včetně výkonu šířky pásma, antistatické schopnosti a tepelné stability, jsou rovněž aktuálními aktivními body výzkumu.

5. Technologie vychylování LCD

Technologie vychylování paprsku založené na materiálech z tekutých krystalů zahrnují zejména: fázovaná pole tekutých krystalů, pole mikročoček z tekutých krystalů a polarizační mřížky z tekutých krystalů.

Technologie LCOPA (Liquid Crystal Optical Phased Array) se týká přivádění napětí na molekuly tekutých krystalů prostřednictvím elektrod. Protože molekuly tekutých krystalů mají elektronicky řízený dvojlomný efekt, aplikované napětí řídí stupeň vychýlení molekul tekutých krystalů v různých stavech, čímž ovlivňuje vlnu paprsku. Hraje roli fázové modulace vpředu pro realizaci skenování paprsku, jak je znázorněno na obrázku 5.

Obrázek 5 Principiální diagram výchylky fázovaného pole tekutých krystalů

LCOPA má výhody vysokého výkonu a nízkonapěťového řízení a může dosáhnout vysoce přesného vychylování paprsku s obratností a bez mechanické setrvačnosti. Má však nedostatky, jako je dlouhá doba odezvy a krátká šířka provozního spektra. Kromě toho malý úhel vychýlení také omezuje rozsah použití LCOPA, který vyžaduje zařízení pro zesílení úhlu k dosažení většího úhlu vychýlení. Avšak kvůli faktorům, jako je efektivní apertura a rozchodový úhel zařízení pro zesílení úhlu, je v současné době pro zařízení pro zesílení úhlu obtížné dosáhnout vyššího zvětšení úhlu. Současně bude mít fázované pole tekutých krystalů během provozu více řádů difrakce a ve spojení s vlivem nelineárních korelačních efektů bude účinnost vychylování LCOPA snížena.

Liquid Crystal Micro-lens Array (LCMLA) se skládá ze 3 polí čoček, jak je znázorněno na obrázku 6. Ve srovnání s LCOPA má LCMLA větší úhel vychýlení a není ovlivněna zónou optického návratu, takže účinnost vychýlení je vyšší; ovlivněný dobou změny uspořádání molekul LC v materiálu tekutých krystalů, rozdíl v optické dráze požadovaný LCMLA je delší než u LCOPA. Malý, tloušťka může být menší, takže LCMLA má kratší dobu odezvy než LCOPA. Pro dosažení kontinuálního skenování vychylování paprsku je však nutné použít LCMLA v kombinaci s některými zařízeními pro vychylování jemného úhlu, což zvyšuje složitost implementace aplikace. LCMLA se navíc skládá z vícevrstvého pole čoček a stabilita systému je horší než u LCOPA. LCMLA dosahuje vychýlení paprsku změnou hlavního velkého difrakčního řádu emitovaného světla. Prostorová koherence pole mikročoček ovlivňuje jeho rozlišení, což vyžaduje velmi malou chybu ve velikosti mikročočky, což je zásadní problém, který je třeba vyřešit.

Obrázek 6 Schematický diagram pole mikročoček z tekutých krystalů

Princip polarizační mřížky z tekutých krystalů (LCPG) spočívá v tom, že dopadající světlo prochází polarizátorem za vzniku levotočivého a pravotočivého světla a poté prochází LCPG, aby odklonilo světelný paprsek do dvou různých směrů. Dráha vychylovaného světla je znázorněna na obrázku 7. LCPG není ovlivněn efektem hrany elektrického pole a má vysoké rozlišení, programovatelné ovládání, lehkost a flexibilitu. LCPG potřebuje pouze generovat rozdíl optické dráhy ekvivalentní půlvlnné desky a požadovaná tloušťka vrstvy tekutých krystalů je tenčí, takže doba odezvy je kratší. Je rychlý a nemá vliv na optický návrat způsobený fázovým resetem. Kromě toho může také dosáhnout širokého spektra provozu. Pro jeden LCPG je však obtížné dosáhnout požadavků na index z více úhlů a velkého zorného pole současně a vícevrstvý LCPG má vysoké požadavky na proces přípravy a stabilitu systému.

Obrázek 7 Schématické schéma polarizační mřížky z tekutých krystalů

Tradiční LCOPA je lehký a flexibilní a může dosáhnout jemného vychýlení v malém rozsahu úhlu. Složitost systému je poměrně jednoduchá a proces přípravy poměrně vyzrálý. Je však ovlivněna zónou optického návratu způsobenou fázovým resetem a existují zjevné nedostatky v účinnosti vychýlení, době odezvy a dalších indikátorech. , stále potřebuje neustálé zlepšování a vývoj. LCMLA a LCPG nejsou ovlivněny zónou optického návratu a výrazně zlepšily účinnost vychýlení. Oba však musí být vybaveny jemnoúhlovými vychylovacími zařízeními pro dosažení kvazikontinuálního vychylovacího skenování paprsku a oba používají vícestupňové k dosažení maximálního úhlu vychýlení. Struktura série povede k systému, který je příliš dlouhý a má relativně špatnou stabilitu. Ve srovnání s LCOPA a LCMLA má LCPG nejen vlastnosti velkého úhlu vychýlení a vysoké účinnosti vychýlení, ale má také jedinečnou výhodu širokého spektra provozu, ale může dosáhnout skenování vychýlení paprsku pouze s velkým úhlovým intervalem. V současné době je technologie vychylování tekutých krystalů nejvíce studována v oblasti nemechanického vychylování, ale existují významná omezení při dosahování velkých úhlů a vysoké účinnosti za nepolarizovaných světelných podmínek. K vyřešení tohoto problému lze vzít v úvahu architekturu zařízení a typ materiálu; při použití zařízení s polarizační mřížkou z tekutých krystalů je obtížné dosáhnout kontinuální úhlové odchylky při velkých úhlových odchylkách. To jsou problémy, které je třeba v budoucnu vyřešit.

6.Elektrooptická technologie vychylování

Technologie elektrooptického vychylování je realizována využitím vychylování generovaného gradientem indexu lomu kolmo ke směru šíření paprsku, jak je znázorněno na obrázku 8. Ve srovnání s jinými technologiemi mají deflektory paprsku založené na elektrooptických krystalech výhody libovolného vychylování úhel, malá velikost, vysoká rychlost odezvy a vysoká citlivost, ale mají problém s nízkým rozlišením.

Obrázek 8 Principiální schéma elektrooptické výchylky

V posledních letech byly doma i v zahraničí hlášeny elektrooptické materiály se sekundárními elektrooptickými efekty, jako je niobát lithný, titaničitan barnatý atd. Ve srovnání s krystaly s lineárními elektrooptickými efekty mají lepší výkon, jako je odezva rychlost a výchylkové napětí. Mezi nimi krystaly KTN Nejreprezentativnější.

Krystal KTN je v současnosti známý krystal s největším sekundárním elektrooptickým efektem. Má vynikající vlastnosti, jako je velká dielektrická konstanta, nízké dielektrické ztráty, zjevná feroelektřina a vynikající nelineární optické vlastnosti. Má velmi široké uplatnění v oblasti vychylování paprsku. vyhlídka. V současné době zahraniční společnosti, jako je japonská NTT Company a University of Pennsylvania ve Spojených státech, stejně jako domácí Harbin Institute of Technology, Nankai University a Shandong Academy of Sciences, provedly mnoho výzkumů o charakteristikách průhybu KTN. krystaly.

NTT Company a University of Pennsylvania studovaly hlavně technologii vychylování paprsku krystalu KTN založenou na vstřikování vesmírného náboje; Shandong Academy of Sciences studovala hlavně technologii vychylování paprsku vyvolanou gradientem složení krystalu KTN; Harbin Institute of Technology a další studovali především elektrody krystalových deflektorů paprsku KTN. Byly studovány technické problémy, jako je struktura a provozní teplota.

V současné době existují následující problémy: je obtížné dosáhnout vysoké optické jednotnosti růstu krystalů a vyhovět potřebám praktických aplikací; aplikace blízko Curieovy teploty vyžadují přesné metody regulace teploty; existují otázky týkající se mechanismu vstřikování vesmírného náboje a polarity při Curieově teplotě. Vědecké problémy, jako je nanoregion a kontrolní mechanismus vychylování paprsku, vyžadují další výzkum.

Aby bylo možné intuitivněji zobrazit výhody a nevýhody každé technologie vychylování, byla provedena srovnávací analýza, jak je uvedeno v tabulce 1.

Tabulka 1 Porovnání technologií vychylování paprsku

souhrn

Běžně používaná mechanická mikro-elektromechanická deformovatelná zrcadla, zrcadla s rychlým odrazem a skenovací galvanometry mění směr vyzařované optické osy mechanickými prostředky. Jejich přesnost může dosahovat mikroradiánů a úhel vychýlení může dosahovat desítek radiánů. Mají široké uplatnění v medicíně a dalších oborech. . Existují však problémy, jako je složitá struktura, objemné rozměry a vysoká spotřeba energie. Vzhledem k velkým rozměrům adaptivních optických systémů se MEMS deformovatelná zrcadla doma i v zahraničí používají především v oblasti zobrazování. V oblasti vychylování paprsku je obtížné uspokojit potřeby malých vesmírných prostředí. splňují vysoké požadavky na chemizaci a nízkou hmotnost.

Akustooptické vychylovací zařízení má velkou pracovní šířku pásma, ale je obtížné splnit přesnost vychylování mikroradiánů a má vysoké požadavky na vlnovou délku, úhel a energii dopadajícího světla a spotřebovává velké energetické ztráty.

Metody, jako jsou fázovaná pole s tekutými krystaly a pole mikročoček, mají nízkou spotřebu energie a nízké napájecí napětí, ale mají pomalou rychlost odezvy, nespojitou úhlovou výchylku, velké úhly vychýlení, ale nízkou účinnost vychylování při velkých úhlech, což ztěžuje splnění požadavků úkolu širokopásmový přenos.

Ve srovnání s jinými technologiemi mají deflektory paprsku založené na elektrooptických krystalech výhody libovolného úhlu vychýlení, malé velikosti, vysoké rychlosti odezvy a vysoké citlivosti. Jsou považovány za nejvhodnější pro realizaci jednoho z předních směrů technologie vysokorychlostního vychylování světla. Mezi různými typy elektrooptických materiálů mají elektrooptické deflektory založené na krystalech KTN výhody velkoúhlové výchylky, rychlé odezvy, vysoké účinnosti výchylky, vysoké přesnosti výchylky, širokopásmového provozu atd., a mají větší potenciál. v aplikacích v oblastech, jako je vesmírná optická komunikace, a stává se výzkumnými hotspoty po celém světě. Na jedné straně musí následná práce analyzovat a studovat růstové charakteristiky a podmínky krystalů KTN, aby vyrostly vysoce kvalitní krystaly jednotného složení a pravidelného tvaru; na druhou stranu musíme postupně studovat mikroskopický vychylovací mechanismus krystalů KTN, což je velmi důležité. praktický význam.