Spoznajte tehnologijo odklona snopa, ki temelji na vesoljski optični komunikaciji, v 3 minutah

Tehnologija odklona žarka je ključna komponenta laserskih komunikacij v prostem prostoru in njena učinkovitost določa, ali lahko laserske komunikacije v prostem prostoru izpolnijo potrebe po hitri in stabilni komunikaciji. Tehnologijo odklona žarka lahko razdelimo v dve kategoriji: tehnologijo mehanskega odklona žarka in tehnologijo nemehanskega odklona žarka. Med njimi tehnologije mehanskega odklona žarka vključujejo skenirajoče galvanometre, zrcala za hitro krmiljenje in deformabilna zrcala z mikroelektromehanskim sistemom; nemehanske tehnologije odklona žarka vključujejo tehnologijo akustično-optičnega odklona, ​​tehnologijo odklona na osnovi tekočih kristalnih materialov in elektro-optično tehnologijo odklona.

Oglejmo si značilnosti različnih tehnologij odklona snopa in njihove možnosti uporabe na področju vesoljskih optičnih komunikacij.

1.Skenirni galvanometer

Najbolj zrela naprava za mehansko odklon žarka je skenirni galvanometer, ki je v bistvu svetlobni reflektor s stopenjskim odzivnim časom milisekund/podmilisekund in kazalno natančnostjo mikroradianov, kot je prikazano na sliki 1.

Slika 1 Shematski diagram vrstičnega galvanometra

Sistem za skeniranje galvanometra ima preprosto strukturo, majhno velikost, visoko natančnost skeniranja, hitro hitrost in relativno nizke stroške. Vendar ima težave, kot so omejeno delovno območje, popačenje blazinice in obraba galvanometra. Ta naprava je dosegla odlične standarde delovanja v smislu odklonskega kota. Na primer, vrstični galvanometer serije XG210, ki ga je lansiralo ameriško podjetje THORLABS, ima odklonski kot do ±20 stopinj. Trenutno si raziskovalci doma in v tujini prizadevajo za povečanje hitrosti skeniranja in uporabo metod, kot so femtosekundni laserski impulzi in večdimenzionalne strukture galvanometra, da bi izboljšali njegovo učinkovitost.

Vendar pa je pri dvodimenzionalnih galvanometrih in tehnologijah skeniranja galvanometrov višje dimenzije sistemska struktura bolj zapletena in v praktičnih aplikacijah se bodo pojavile orientacijske napake, za odpravo napak pa so potrebne dobre metode popravka. V prihodnosti lahko razmislimo o uporabi tehnologije nadzora spremenljive strukture ter tehnologije debelega in tankega dvonivojskega kompozitnega nadzora osi za pomoč pri zatiranju preostalih napak. Uporabljajo se lahko v satelitskih konstelacijah z dobrim vesoljskim okoljem in kratkimi delovnimi cikli, da dosežejo visoko natančno sledenje in skeniranje z največjo učinkovitostjo. Poleg tega je moč laserjev v laserskih komunikacijah na splošno zelo velika, zato je tudi izbira materialov galvanometrskega zrcala z večjo odbojnostjo za zmanjšanje površinskih poškodb problem, ki ga bo treba rešiti v prihodnosti.

2. Hitro krmiljenje ogledal

Obstajata dve strukturi za Fast Steering Mirrors, FSM (kot je prikazano na sliki 2): ena je struktura okvirja osi XY, imenovana tudi struktura sistema gredi; druga pa je fleksibilna struktura osi, ki je trenutno glavna razvojna smer FSM.

Slika 2 (a) Diagram strukture okvirja osi XY ogledal za hitro krmiljenje; (b) Strukturni diagram prilagodljive osi ogledal za hitro krmiljenje

Ogledalo za hitro krmiljenje ima prednosti visoke natančnosti pozicioniranja, visoke kotne ločljivosti, hitre odzivne hitrosti in kompaktne velikosti. Široko se uporablja v različnih optomehanskih sistemih, fleksibilna podporna struktura pa tudi zmanjšuje mehansko trenje, vendar v praktičnih aplikacijah zahteva, da v kombinaciji z veliko strukturo vztrajnostnega okvirja povzroči določeno napako optične osi.

Trenutno se na eni strani domače raziskave na tem področju osredotočajo predvsem na strukturno simulacijo in sistemsko vodenje hitrih reflektorjev, napredek pri razvoju novih reflektorjev pa je počasen. To je povezano tudi s potrebo po nenehnem iterativnem preverjanju ter visokimi stroški raziskav in razvoja. Zato je treba raziskati razvoj skupnega simulacijskega sistema, tako da je mogoče fizično preverjanje simulirati s prilagoditvijo določenih parametrov v sistemu, s čimer se močno skrajša razvojni cikel, hitreje najdejo visoko zmogljive parametre hitrega ogledala in izboljša učinkovitost optimizacije. prihodnost.

Po drugi strani bodo toplotne motnje in temeljne vibracije, ki obstajajo v vesoljskem okolju, povzročile popačenje optične osi in tresenje pri usmerjanju visoko natančnih žarkov. Trenutno obstoječa metoda je uporaba žarka, sestavljenega iz Michelsonovega interferometra in hitrega nadzornega zrcala. Sistem za poravnavo kazalcev za kompenzacijo težave z napako optične osi. Vendar ima ta metoda nizko natančnost pri obravnavanju dinamičnih merilnih napak. Izboljšanje natančnosti dinamičnih merilnih napak za kompenzacijo napak v realnem času je problem, ki bi ga morali rešiti v prihodnosti.

3.MEMS deformabilno ogledalo

Mikro-elektromehanski sistem-deformabilno ogledalo (MEMS-DM) ima različne vrste, kot so elektrotermični pogon, piezoelektrični pogon, elektrostatični pogon in elektromagnetni pogon. Glede na dejstvo, da ima elektrostatični pogon preprosto strukturo, ima prednosti hitre odzivne hitrosti in zmožnosti delovanja pod visokofrekvenčnimi signali, zato ga večinoma poganja elektrostatična sila in je večinoma izveden v obliki ploščatih kondenzatorjev . Njegova struktura je prikazana na sliki 3.

Slika 3 Diagram strukture pogona deformabilnega ogledala MEMS

Deformabilna zrcala mikroelektromehanskega sistema imajo prednosti visoke gostote enot, kratkega odzivnega časa, nizke porabe energije, nizke cene in dobre združljivosti z integriranimi vezji ter se pogosteje uporabljajo na področju slikanja; vendar imajo tudi nizko hitrost skeniranja in nizko porabo svetlobne energije. , težave, kot je več razpršene svetlobe. V zadnjih letih so raziskovalci začeli razvijati več aktuatorjev enot za deformabilna zrcala, da bi povečali hod valovne fronte in dosegli višjo hitrost sličic; hkrati bodo deformabilna ogledala z več aktuatorji povzročila večjo mehansko obremenitev, zato je izbira lažjih osnovnih materialov z manjšo trdoto pot naprej.

4.Akustična in svetlobna odklonska tehnologija

Tehnologija akustično-optičnega odklona pretvori visokofrekvenčne električne signale v ultrazvočne valove in jih prenese na delovni medij skozi pretvornik, da se oblikuje rešetka, ki uporablja uklon svetlobnih valov za odklon žarka, kot je prikazano na sliki 4. Akustično-optični uklon učinek je razdeljen na Ramanesov uklon in Braggov uklon glede na dolžino akustooptičnega območja. Ker ima Ramanesov uklon nizek izkoristek svetlobe, Braggov uklon pa visoko uklonsko učinkovitost, se na splošno uporablja Braggov uklon.

Slika 4 Načelni diagram akustičnega in svetlobnega odklona

Akustično-optične odklonske naprave imajo prednosti majhne velikosti, majhne teže, majhne pogonske moči in visoke učinkovitosti uklona. Hkrati ima akustično-optična odklonska tehnologija tudi zmožnosti vzporedne obdelave v realnem času, veliko časovno pasovno širino, enostavno združljivost z računalniki in samodejni nadzor. Vendar pa obstajajo tudi naslednje pomanjkljivosti: večina uklonjene svetlobe je uklonjena svetloba prvega reda, zaradi česar ima akustično-optična odklonska naprava očitne pomanjkljivosti v območju odklona velikega kota, nizka natančnost odklona, ​​težave pri doseganju natančnega nadzora žarka in nizko ločljivostjo. , se bo med hitrim skeniranjem pojavil "učinek žvrgolenja".

Z uporabo metod, kot sta ultrazvočno sledenje in enokristalna večfrekvenčnost, je mogoče povečati učinkovito pasovno širino in tako rešiti problem nizke ločljivosti. Za "učinek čivkanja" lahko za deflektorjem dodamo cilindrično lečo, da odpravimo njegov vpliv. Trenutno obstaja veliko študij o frekvenci vpadnih zvočnih valov in različne metode eksperimentalnega izboljšanja so bile izvedene za izboljšanje učinkovitosti uklona in frekvenčnega odziva akustično-optičnega deflektorja pod vpadom ultrazvočnih valov, vendar zmogljivost povečanje odklonskega kota je bilo redko analizirano.

V prihodnosti je mogoče razmisliti o nadzorovani vektorski tehnologiji zvočnih valov, ki bo spremenila vpadno smer zvočnega vala in tako razširila kot skeniranja njegovega odklona. Drugi indikatorji odklonske zmogljivosti akustično-optičnih deflektorjev, vključno z zmogljivostjo pasovne širine, antistatično sposobnostjo in toplotno stabilnostjo, so prav tako trenutne žariščne točke raziskav.

5. Tehnologija odklona LCD

Tehnologije za odklon snopa, ki temeljijo na materialih s tekočimi kristali, vključujejo predvsem: fazne nize tekočih kristalov, nize mikroleč tekočih kristalov in polarizacijske rešetke tekočih kristalov.

Tehnologija Liquid Crystal Optical Phased Array (LCOPA) se nanaša na dovajanje napetosti na molekule tekočih kristalov prek elektrod. Ker imajo molekule tekočih kristalov elektronsko nadzorovan dvolomni učinek, uporabljena napetost nadzoruje stopnjo odklona molekul tekočih kristalov v različnih stanjih, s čimer vpliva na žarkovni val. Igra vlogo fazne modulacije spredaj za realizacijo skeniranja žarka, kot je prikazano na sliki 5.

Slika 5 Načelni diagram odklona faznega niza tekočih kristalov

LCOPA ima prednosti pogona z visoko močjo in nizko napetostjo ter lahko doseže visoko natančno odklon žarka z spretnostjo in brez mehanske vztrajnosti. Ima pa pomanjkljivosti, kot sta dolg odzivni čas in kratka širina spektra delovanja. Poleg tega majhen odklonski kot tudi omejuje obseg uporabe LCOPA, ki zahteva napravo za ojačanje kota za doseganje večjega odklonskega kota. Vendar je zaradi dejavnikov, kot sta efektivna zaslonka in kot odmika naprave za ojačanje kota, naprava za ojačanje kota trenutno težko doseči večjo povečavo kota. Hkrati bo fazni niz s tekočimi kristali med delovanjem imel več uklonskih vrst, skupaj z vplivom nelinearnih korelacijskih učinkov pa se bo učinkovitost odklona LCOPA zmanjšala.

Liquid Crystal Micro-lens Array (LCMLA) je sestavljen iz 3 nizov leč, kot je prikazano na sliki 6. V primerjavi z LCOPA ima LCMLA večji odklonski kot in nanj ne vpliva optično povratno območje, zato je učinkovitost odklona višja; na katerega vpliva čas spremembe molekularne razporeditve LC v tekočem kristalnem materialu, je razlika v optični poti, ki jo zahteva LCMLA, daljša od razlike v optični poti LCOPA. Majhen, debelino je mogoče zmanjšati, zato ima LCMLA krajši odzivni čas kot LCOPA. Da bi dosegli neprekinjeno skeniranje odklona žarka, je treba LCMLA uporabiti v kombinaciji z nekaterimi napravami za odklon s finim kotom, kar poveča kompleksnost implementacije aplikacije. Poleg tega je LCMLA sestavljen iz večplastnega niza leč, stabilnost sistema pa je slabša kot LCOPA. LCMLA doseže odklon žarka s spremembo glavnega velikega uklonskega reda oddane svetlobe. Prostorska koherenca niza mikroleč vpliva na njegovo ločljivost, kar zahteva zelo majhno napako v velikosti mikroleč, kar je velik problem, ki ga je treba rešiti.

Slika 6 Shematski diagram niza mikroleč iz tekočih kristalov

Načelo polarizacijske mreže s tekočimi kristali (LCPG) je, da gre vpadna svetloba skozi polarizator, da tvori levo in desno svetlobo, nato pa gre skozi LCPG, da svetlobni žarek odbije v dve različni smeri. Pot odklonske svetlobe je prikazana na sliki 7. Učinek roba električnega polja ne vpliva na LCPG in ima visoko ločljivost, programabilno krmiljenje, lahkotnost in prilagodljivost. LCPG mora ustvariti le optično razliko v poti enakovredne polvalovne plošče, zahtevana debelina plasti tekočih kristalov pa je tanjša, zato je njen odzivni čas krajši. Je hiter in nima vpliva optičnega povratka, ki ga povzroči ponastavitev faze. Poleg tega lahko doseže tudi širok spekter delovanja. Vendar pa je za en sam LCPG težko doseči zahteve glede indeksa več kotov in velikega vidnega polja hkrati, večplastni LCPG pa ima visoke zahteve glede postopka priprave in stabilnosti sistema.

Slika 7 Shematski diagram polarizacijske mreže tekočih kristalov

Tradicionalni LCOPA je lahek in prilagodljiv ter lahko doseže fino deformacijo v majhnem razponu kota. Kompleksnost sistema je razmeroma preprosta, postopek priprave pa relativno zrel. Vendar pa nanj vpliva območje optičnega povratka, ki ga povzroči ponastavitev faze, in očitne so pomanjkljivosti pri učinkovitosti odklona, ​​odzivnem času in drugih kazalnikih. , še vedno potrebuje nenehne izboljšave in razvoj. Na LCMLA in LCPG optično povratno območje ne vpliva in sta močno izboljšala učinkovitost odklona. Vendar pa morata biti oba opremljena z odklonskimi napravami s finim kotom, da dosežeta kvazikontinuirano odklonsko skeniranje žarka, in oba uporabljata večstopenjsko uporabo za doseganje največjega kota odklona. Serijska struktura bo vodila do sistema, ki je predolg in ima relativno slabo stabilnost. V primerjavi z LCOPA in LCMLA ima LCPG ne samo značilnosti velikega kota odklona in visoke učinkovitosti odklona, ​​ampak ima tudi edinstveno prednost širokega spektra delovanja, vendar lahko doseže samo skeniranje odklona žarka z velikim kotnim intervalom. Trenutno je tehnologija odklona s tekočimi kristali najbolj raziskana pri nemehanskem odklonu, vendar obstajajo pomembne omejitve pri doseganju velikih kotov in visoke učinkovitosti v pogojih nepolarizirane svetlobe. Za rešitev te težave je mogoče upoštevati arhitekturo naprave in vrsto materiala; pri uporabi naprav s polarizacijsko rešetko s tekočimi kristali je težko doseči neprekinjen kotni odklon pri velikih kotnih odklonih. To so problemi, ki jih je treba v prihodnosti rešiti.

6. Elektro-optična odklonska tehnologija

Tehnologija elektrooptičnega odklona je realizirana z uporabo odklona, ​​ki ga ustvari gradient lomnega količnika pravokotno na smer širjenja žarka, kot je prikazano na sliki 8. V primerjavi z drugimi tehnologijami imajo deflektorji žarka na osnovi elektrooptičnih kristalov prednosti poljubnega odklona kotom, majhnostjo, hitro odzivnostjo in visoko občutljivostjo, vendar imajo problem nizke ločljivosti.

Slika 8 Načelni diagram elektrooptičnega odklona

V zadnjih letih so doma in v tujini poročali o elektrooptičnih materialih s sekundarnimi elektrooptičnimi učinki, kot so litijev niobat, barijev titanat itd. V primerjavi s kristali z linearnimi elektrooptičnimi učinki so boljši v zmogljivosti, kot je odziv hitrost in odklonska napetost. Med njimi so najbolj reprezentativni kristali KTN.

Kristal KTN je trenutno znani kristal z največjim sekundarnim elektrooptičnim učinkom. Ima izjemne lastnosti, kot so velika dielektrična konstanta, nizke dielektrične izgube, očitna feroelektričnost in odlične nelinearne optične lastnosti. Ima zelo širok spekter uporabe na področju odklona žarka. možnost. Trenutno so tuja podjetja, kot sta japonsko podjetje NTT in Univerza v Pennsylvaniji v Združenih državah Amerike, pa tudi domači tehnološki inštitut Harbin, univerza Nankai in akademija znanosti Shandong, opravila veliko raziskav o deformacijskih značilnostih KTN. kristali.

Podjetje NTT in Univerza v Pensilvaniji sta preučevala predvsem tehnologijo odklona kristalnega žarka KTN, ki temelji na vbrizgavanju prostorskega naboja; Akademija znanosti Shandong je preučevala predvsem tehnologijo odklona žarka, ki jo povzroča gradient sestave kristala KTN; Tehnološki inštitut Harbin in drugi so preučevali predvsem elektrode deflektorjev kristalnega žarka KTN. Preučena so bila inženirska vprašanja, kot sta struktura in delovna temperatura.

Trenutno obstajajo naslednje težave: težko je doseči visoko optično enakomernost pri rasti kristalov in zadovoljiti potrebe praktičnih aplikacij; aplikacije blizu Curiejeve temperature zahtevajo natančne metode nadzora temperature; obstajajo vprašanja o mehanizmu vbrizgavanja prostorskega naboja in polarnosti pri Curiejevi temperaturi. Znanstvena vprašanja, kot sta nanoregija in nadzorni mehanizem odklona žarka, zahtevajo nadaljnje raziskave.

Da bi bolj intuitivno prikazali prednosti in slabosti vsake odklonske tehnologije, je bila izvedena primerjalna analiza, kot je prikazano v tabeli 1.

Tabela 1 Primerjava tehnologij odklona snopa

Povzetek

Običajno uporabljena mehanska mikroelektromehanska deformabilna zrcala, zrcala s hitrim odbojem in vrstični galvanometri spreminjajo smer optične osi sevanja z mehanskimi sredstvi. Njihova natančnost lahko doseže mikroradiane, odklonski kot pa lahko doseže desetine radianov. Imajo široke možnosti uporabe v medicini in na drugih področjih. . Vendar pa obstajajo težave, kot so zapletena struktura, velika velikost in velika poraba energije. Zaradi velike velikosti prilagodljivih optičnih sistemov se deformabilna zrcala MEMS doma in v tujini uporabljajo predvsem na področju slikanja. Na področju odklona žarka je težko zadostiti potrebam majhnih vesoljskih okolij. za izpolnjevanje visokih zahtev kemijske in lahke.

Akustično-optična odklonska oprema ima veliko delovno pasovno širino, vendar je težko doseči natančnost odklona mikroradianov in ima visoke zahteve glede valovne dolžine, kota in energije vpadne svetlobe ter porabi velike izgube energije.

Metode, kot so fazni nizi s tekočimi kristali in nizi mikroleč, imajo nizko porabo energije in nizko pogonsko napetost, vendar imajo počasno odzivno hitrost, diskontinuiran kotni odklon, velike kote odklona, ​​vendar nizko učinkovitost odklona pri velikih kotih, zaradi česar je težko izpolniti zahteve naloge prenos z veliko pasovno širino.

V primerjavi z drugimi tehnologijami imajo deflektorji snopa na osnovi elektrooptičnih kristalov prednosti poljubnega odklonskega kota, majhnosti, hitre odzivne hitrosti in visoke občutljivosti. Veljajo za najprimernejše za uresničevanje ene od vodilnih smeri tehnologije hitrega odklona svetlobe. Med različnimi vrstami elektrooptičnih materialov imajo elektrooptični deflektorji na osnovi kristalov KTN prednosti velikega kota odklona, ​​hitre odzivne hitrosti, visoke učinkovitosti odklona, ​​visoke natančnosti odklona, ​​delovanja s široko pasovno širino itd., in imajo večji potencial v aplikacijah na področjih, kot so vesoljske optične komunikacije, postajajo raziskovalne žariščne točke po vsem svetu. Po eni strani mora nadaljnje delo analizirati in proučiti značilnosti rasti in pogojev kristalov KTN, da bi zrasli visokokakovostni kristali z enotno sestavo in pravilno obliko; po drugi strani pa moramo postopoma proučevati mikroskopski odklonski mehanizem kristalov KTN, kar je zelo pomembno. praktični pomen.