基于液晶相控阵的大角度光束偏转技术研究

论文摘要

光束偏转技术广泛应用于激光通信、光存储、目标追踪等领域。传统的光束偏转技术依靠机械装置通过改变光轴的方向来实现光束传输方向的控制,存在结构复杂、体积庞大、造价昂贵、能耗高等缺点。近年来,随着微光学器件基础研究的不断深入和制造工艺的日渐成熟,以液晶相控阵为代表的非机械式光束偏转技术成为光束控制领域的研究热点。本文开展了基于液晶相控阵和体全息光栅的大角度光束偏转技术研究,主要研究内容和结论如下:一、介绍了基于液晶材料光束偏转技术的国内外研究动态;详细阐述了其基本原理、性能指标、研究进展及发展瓶颈,重点回顾了各项技术近年来取得的一系列里程碑;综合比较评价了各种技术的发展前景并对新型液晶光束偏转技术发展方向作了展望。二、开展了基于液晶相控阵(LCOPA)的光束偏转技术研究。基于波动光学理论,建立了液晶相控阵的物理模型,从光束偏转效率、光束控制方式、光束偏转精度等几个方面对LCOPA性能进行了理论分析和数值研究。结果表明,增大填充比可以有效提高光束偏转效率;增加相位量化数可以提高光束偏转精度;LCOPA要求入射光束具有特定偏振方向和特定波长。基于多孔干涉理论提出了一种新的波前调制方式,解决了传统偏转技术可实现角度有限且分布不均匀的问题。进行了基于单片液晶相控阵的一维、二维光束偏转实验,实现了最大偏转角为2.03°的准连续光束偏转。三、开展了多路复用体全息光栅作为角度放大器的特性研究。基于耦合波理论,建立了多路复用角度放大器(MAM)物理模型,从角度均匀性与效率均衡性两个方面分析了MAM的设计规则,总结了MAM的物理规律,研究了制作误差以及发散光束对MAM性能的影响;对MAM进行了实验研究,测量了多路复用角放大器各路的角度选择特性曲线。结果表明,通过设计合适的参数,单路角度放大器可以实现103量级的角度放大;MAM大大扩展了角度扫描的范围,通过控制光栅倾斜角与光栅周期可以实现特定的出入射角分布,通过控制折射率调制深度与光栅厚度可以实现最佳衍射效率;远场发散光束会使得MAM角度选择性变差,当远场发散角大于角度半宽度时,最佳衍射效率下降到50%以下,角度选择曲线失去局部最小值,MAM出现严重串扰。四、开展了基于液晶相控阵和MAM的大角度光束偏转系统研究,相比于单纯基于LCOPA的光束偏转技术,该系统将光束最大偏转角提高了一个量级。测量了入射光束远场发散角,研究了斜入射对LCOPA性能的影响,利用搭建的大角度光束偏转系统进行了光束偏转实验,实现了最大角为11.82°的光束准连续、可控偏转,角度分辨率小于0.02°,接近衍射极限角。由于两个分光棱镜带来了93.75%的能量损耗,系统能量传递效率最大约为2%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 液晶相控阵
• 1.2.2 液晶微透镜阵列
• 1.2.3 液晶偏振光栅
• 1.2.4 液晶与大角度步进偏转器件组合
• 1.2.5 小结
• 1.3 本文的主要工作
• 第二章 基于液晶相控阵光束偏转研究
• 2.1 液晶相控阵基本原理
• 2.1.1 液晶分类及分子的排列结构
• 2.1.2 液晶的双折射与电致双折射效应
• 2.1.3 液晶相控阵的基本原理
• 2.2 液晶相控阵物理建模
• 2.3 液晶相控阵光束偏转特性研究
• 2.3.1 液晶相控阵光束偏转效率研究
• 2.3.2 液晶相控阵光束偏转驱动研究
• 2.3.3 液晶相控阵光束偏转精度研究
• 2.3.4 液晶相控阵入射光特性研究
• 2.3.5 小结
• 2.4 基于液晶相控阵的光束偏转实验研究
• 2.4.1 实验平台
• 2.4.2 一维光束偏转实验研究
• 2.4.3 二维光束偏转实验研究
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于体全息光栅的角度放大器研究
• 3.1 基于体全息光栅的角度放大器原理
• 3.1.1 体全息光栅基本理论
• 3.1.2 影响体全息光栅衍射效率的因素
• 3.1.3 体全息光栅角度选择性与波长选择性
• 3.1.4 单路角度放大器建模
• 3.2 基于多路复用体全息光栅的角度放大器设计理论研究
• 3.2.1 多路复用角放大器物理建模
• 3.2.2 多路复用角放大器设计
• 3.3 影响多路复用角放大器性能的因素
• 3.3.1 制作误差带来的影响
• 3.3.2 发散光束带来的影响
• 3.4 多路复用角放大器设计小结
• 3.5 基于多路复用体全息光栅的角度放大实验研究
• 3.5.1 实验系统介绍
• 3.5.2 实验结果及分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 基于液晶相控阵与多路复用体全息光栅的光束偏转实验研究
• 4.1 实验原理与系统
• 4.1.1 入射光束远场特性测量
• 4.1.2 多路复用角度放大器性能测试
• 4.1.3 液晶相控阵性能测试
• 4.2 实验结果与分析
• 4.2.1 入射光束远场发散角
• 4.2.2 多路复用体全息光栅性能
• 4.2.3 液晶相控阵性能
• 4.3 大角度光束偏转系统设计
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结
• 5.1 主要研究结论
• 5.2 主要创新点
• 5.3 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果