3 minūšu laikā uzziniet par staru kūļa novirzīšanas tehnoloģiju, kuras pamatā ir kosmosa optiskā komunikācija

Staru novirzīšanas tehnoloģija ir brīvas telpas lāzera sakaru galvenā sastāvdaļa, un tās veiktspēja nosaka, vai brīvas telpas lāzersakari var apmierināt ātras un stabilas komunikācijas vajadzības. Sijas novirzīšanas tehnoloģiju var iedalīt divās kategorijās: mehāniskā staru novirzes tehnoloģija un nemehāniskā staru novirzes tehnoloģija. Tostarp mehāniskās staru novirzīšanas tehnoloģijas ietver skenējošus galvanometrus, ātrās kontroles spoguļus un mikroelektromehānisko sistēmu deformējamos spoguļus; Nemehāniskās staru novirzīšanas tehnoloģijas ietver akustiski-optiskās novirzes tehnoloģiju, novirzes tehnoloģiju, kuras pamatā ir šķidro kristālu materiāli, un elektrooptiskās novirzes tehnoloģiju.

Apskatīsim dažādu staru novirzīšanas tehnoloģiju raksturlielumus un to pielietošanas perspektīvas kosmosa optisko sakaru jomā.

1.Skenējošais galvanometrs

Visnobriedušākā mehāniskā staru kūļa novirzīšanas ierīce ir skenējošais galvanometrs, kas būtībā ir gaismas atstarotājs ar soļa reakcijas laiku milisekundēs/submilisekundēs un mikroradiānu norādīšanas precizitāti, kā parādīts 1. attēlā.

1. attēls Skenējošā galvanometra shematiskā diagramma

Galvanometra skenēšanas sistēmai ir vienkārša struktūra, mazs izmērs, augsta skenēšanas precizitāte, ātrs ātrums un salīdzinoši zemas izmaksas. Tomēr tam ir tādas problēmas kā ierobežots darbības diapazons, adatu spilvena kropļojumi un galvanometra nodilums. Šī ierīce ir sasniegusi izcilus veiktspējas standartus novirzes leņķa ziņā. Piemēram, XG210 sērijas skenējošajam galvanometram, ko izlaida amerikāņu uzņēmums THORLABS, novirzes leņķis ir līdz ±20 grādiem. Pašlaik pētnieki gan mājās, gan ārvalstīs strādā pie skenēšanas ātruma palielināšanas un izmanto tādas metodes kā femtosekundes lāzera impulsi un daudzdimensiju galvanometra struktūras, lai uzlabotu tā veiktspēju.

Tomēr divdimensiju galvanometriem un augstākas dimensijas galvanometru skenēšanas tehnoloģijām sistēmas struktūra ir sarežģītāka, un praktiskajos lietojumos radīsies orientācijas kļūdas, un kļūdu labošanai ir nepieciešamas labas korekcijas metodes. Nākotnē mēs varam apsvērt iespēju izmantot mainīgas struktūras vadības tehnoloģiju un biezu un plānu divu līmeņu salikto asu vadības tehnoloģiju, lai palīdzētu novērst atlikušās kļūdas. Tos var izmantot satelītu konstelācijās ar labu kosmosa vidi un īsiem darba cikliem, lai panāktu augstas precizitātes izsekošanu un skenēšanu ar maksimālu efektivitāti. Turklāt lāzeru jauda lāzerkomunikācijās parasti ir ļoti liela, tāpēc galvanometra spoguļu materiālu izvēle ar lielāku atstarošanas spēju, lai samazinātu virsmas bojājumus, ir arī problēma, kas nākotnē jārisina.

2. Fast Steering Spoguļi

Fast Steering Mirrors (FSM) ir divas struktūras (kā parādīts 2. attēlā): viena ir XY ass rāmja struktūra, ko sauc arī par vārpstas sistēmas struktūru; otrs ir elastīgā asu struktūra, kas šobrīd ir galvenais MFV attīstības virziens.

2. attēls (a) Ātrās stūrēšanas spoguļu XY ass rāmja struktūras diagramma; b) Ātrās stūrēšanas spoguļu elastīgās asu struktūras diagramma

Ātrās vadības spoguļa priekšrocības ir augsta pozicionēšanas precizitāte, augsta leņķiskā izšķirtspēja, ātrs reakcijas ātrums un kompakts izmērs. To plaši izmanto dažādās optomehāniskās sistēmās, un elastīgā atbalsta struktūra samazina arī mehānisko berzi, bet praktiskos lietojumos tas prasa Apvienojumā ar lielu inerces rāmja struktūru, tas radīs noteiktu optiskās ass kļūdu.

Šobrīd, no vienas puses, iekšzemes pētījumi šajā jomā galvenokārt ir vērsti uz ātro atstarotāju strukturālo simulāciju un sistēmas kontroli, un progress jaunu atstarotāju izstrādē ir lēns. Tas ir saistīts arī ar nepieciešamību pēc nepārtrauktas iteratīvas pārbaudes un augstām pētniecības un izstrādes izmaksām. Tāpēc ir jāizpēta kopīgas simulācijas sistēmas izveide, lai fizisko verifikāciju varētu simulēt, pielāgojot noteiktus sistēmas parametrus, tādējādi ievērojami saīsinot izstrādes ciklu, ātrāk atrodot augstas veiktspējas ātro spoguļu parametrus un uzlabojot optimizācijas efektivitāti. nākotne.

No otras puses, termiskie traucējumi un fundamentālās vibrācijas, kas pastāv kosmosa vidē, izraisīs optiskās ass izkropļojumus un nervozitāti, vēršot augstas precizitātes starus. Pašlaik esošā metode ir izmantot staru, kas sastāv no Mihelsona interferometra un ātrās vadības spoguļa. Rādīšanas izlīdzināšanas sistēma, lai kompensētu optiskās ass kļūdas problēmu. Tomēr šai metodei ir zema precizitāte dinamisko mērījumu kļūdu apstrādē. Dinamisko mērījumu kļūdu precizitātes uzlabošana, lai kompensētu kļūdas reāllaikā, ir problēma, kas būtu jāatrisina nākotnē.

3.MEMS deformējams spogulis

Mikroelektromehāniskās sistēmas deformējamam spogulim (MEMS-DM) ir dažādi veidi, piemēram, elektrotermiskā piedziņa, pjezoelektriskā piedziņa, elektrostatiskā piedziņa un elektromagnētiskā piedziņa. Ņemot vērā faktu, ka elektrostatiskajai piedziņai ir vienkārša struktūra, tās priekšrocības ir ātras reakcijas ātrums un spēja strādāt zem augstfrekvences signāliem, tāpēc to galvenokārt darbina elektrostatiskais spēks, un tas galvenokārt tiek īstenots plakanu kondensatoru veidā. . Tās struktūra ir parādīta 3. attēlā.

3. attēls MEMS deformējamā spoguļa piedziņas struktūras diagramma

Mikroelektromehānisko sistēmu deformējamo spoguļu priekšrocības ir liels vienības blīvums, īss reakcijas laiks, zems enerģijas patēriņš, zemas izmaksas un laba integrālās shēmas savietojamība, un tos plašāk izmanto attēlveidošanas jomā; tomēr tiem ir arī lēns skenēšanas ātrums un zems gaismas enerģijas patēriņš. , problēmas, piemēram, vairāk izkliedētās gaismas. Pēdējos gados pētnieki ir sākuši izstrādāt vairāk vienību izpildmehānismu deformējamiem spoguļiem, lai palielinātu viļņu frontes gājienu un iegūtu lielāku kadru ātrumu; tajā pašā laikā deformējami spoguļi ar vairāk izpildmehānismiem radīs lielāku mehānisko spriegumu, tāpēc vieglāku, zemākas cietības pamatmateriālu izvēle ir ceļš uz priekšu.

4.Akustiskā un gaismas novirzes tehnoloģija

Akustiskās-optiskās novirzes tehnoloģija pārvērš augstfrekvences elektriskos signālus ultraskaņas viļņos un pārraida tos uz darba vidi caur devēju, veidojot režģi, kas izmanto gaismas viļņu difrakciju, lai novirzītu staru, kā parādīts 4. attēlā. Akustiski optiskā difrakcija efekts ir sadalīts Ramanes difrakcijā un Braga difrakcijā atbilstoši akustiski-optiskā laukuma garumam. Tā kā Ramanes difrakcijai ir zema gaismas izmantošanas efektivitāte un Braga difrakcijai ir augsta difrakcijas efektivitāte, parasti tiek izmantota Braga difrakcija.

4. attēls Akustiskās un gaismas novirzes principu diagramma

Akustiskās-optiskās novirzes ierīču priekšrocības ir mazs izmērs, viegls svars, zema braukšanas jauda un augsta difrakcijas efektivitāte. Tajā pašā laikā akustiskās-optiskās novirzes tehnoloģijai ir arī reāllaika paralēlās apstrādes iespējas, liels laika joslas platums, vienkārša saderība ar datoriem un automātiska vadība. Tomēr ir arī šādi trūkumi: lielākā daļa izkliedētās gaismas ir pirmās kārtas izkliedētā gaisma, kā rezultātā akustiski-optiskajai novirzes ierīcei ir acīmredzami trūkumi liela leņķa novirzes diapazonā, zema novirzes precizitāte, grūtības sasniegt precīzu vadību. staru kūlis un zema izšķirtspēja. , zem ātrgaitas skenēšanas parādīsies "čirkstēšanas efekts".

Izmantojot tādas metodes kā ultraskaņas izsekošana un viena kristāla daudzfrekvences, efektīvo joslas platumu var palielināt, lai atrisinātu zemas izšķirtspējas problēmu. "Čauņa efektam" aiz deflektora var pievienot cilindrisku lēcu, lai novērstu tā ietekmi. Pašlaik ir daudz pētījumu par krītošo akustisko viļņu biežumu, un ir veiktas dažādas eksperimentālas uzlabošanas metodes, lai uzlabotu akustiski-optiskā deflektora difrakcijas efektivitāti un frekvences reakcijas veiktspēju ultraskaņas viļņu biežuma apstākļos, bet veiktspēju. novirzes leņķa palielināšana ir reti analizēta.

Nākotnē var uzskatīt, ka vadāma akustiskā viļņa vektora tehnoloģija maina akustiskā viļņa krišanas virzienu, lai paplašinātu tā novirzes skenēšanas leņķi. Citi akustiski optisko deflektoru novirzes veiktspējas rādītāji, tostarp joslas platuma veiktspēja, antistatiskā spēja un termiskā stabilitāte, ir arī pašreizējie pētniecības karstie punkti.

5.LCD novirzes tehnoloģija

Staru novirzīšanas tehnoloģijas, kuru pamatā ir šķidro kristālu materiāli, galvenokārt ietver: šķidro kristālu fāzu blokus, šķidro kristālu mikrolēcu blokus un šķidro kristālu polarizējošos režģus.

Liquid Crystal Optical Phased Array (LCOPA) tehnoloģija attiecas uz sprieguma pievadīšanu šķidro kristālu molekulām caur elektrodiem. Tā kā šķidro kristālu molekulām ir elektroniski kontrolēts divreizējās laušanas efekts, pielietotais spriegums kontrolē šķidro kristālu molekulu novirzes pakāpi dažādos stāvokļos, tādējādi ietekmējot staru kūļa vilni. Tas spēlē fāzes modulācijas lomu priekšā, lai realizētu staru skenēšanu, kā parādīts 5.

5. attēls Šķidro kristālu fāzētu bloku novirzes principiālā diagramma

LCOPA ir lielas jaudas un zemsprieguma braukšanas priekšrocības, un tā var sasniegt augstas precizitātes staru novirzi ar veiklību un bez mehāniskas inerces. Tomēr tam ir trūkumi, piemēram, ilgs reakcijas laiks un īss darbības spektra platums. Turklāt mazais novirzes leņķis ierobežo arī LCOPA pielietojuma diapazonu, kam nepieciešama leņķa pastiprināšanas ierīce, lai sasniegtu lielāku novirzes leņķi. Tomēr, ņemot vērā tādus faktorus kā leņķa pastiprināšanas ierīces efektīvā diafragma un attāluma leņķis, leņķa pastiprināšanas ierīcei pašlaik ir grūti sasniegt lielāku leņķa palielinājumu. Tajā pašā laikā šķidro kristālu fāzētajam masīvam darbības laikā būs vairākas difrakcijas kārtas, un kopā ar nelineārās korelācijas efektu ietekmi tiks samazināta LCOPA novirzes efektivitāte.

Liquid Crystal Micro-lens Array (LCMLA) sastāv no 3 lēcu blokiem, kā parādīts 6. attēlā. Salīdzinot ar LCOPA, LCMLA ir lielāks novirzes leņķis, un to neietekmē optiskā atgriešanas zona, tāpēc novirzes efektivitāte ir augstāka; ko ietekmē LC molekulārā izkārtojuma maiņas laiks šķidro kristālu materiālā, LCMLA nepieciešamā optiskā ceļa atšķirība ir garāka nekā LCOPA. Mazs, biezumu var padarīt mazāku, tāpēc LCMLA ir mazāks reakcijas laiks nekā LCOPA. Tomēr, lai panāktu nepārtrauktu staru kūļa novirzes skenēšanu, LCMLA ir jāizmanto kopā ar dažām smalka leņķa novirzes ierīcēm, kas palielina lietojumprogrammas ieviešanas sarežģītību. Turklāt LCMLA sastāv no daudzslāņu objektīvu masīva, un sistēmas stabilitāte ir sliktāka nekā LCOPA. LCMLA panāk stara novirzi, mainot izstarotās gaismas galveno lielo difrakcijas secību. Mikrolēcu masīva telpiskā saskaņotība ietekmē tā izšķirtspēju, kas prasa ļoti mazu kļūdu mikrolēcas izmērā, kas ir galvenā problēma, kas ir jāatrisina.

6. attēls Šķidro kristālu mikrolēcu masīva shematiskā diagramma

Šķidro kristālu polarizācijas režģa (LCPG) princips ir tāds, ka krītošā gaisma iziet cauri polarizatoram, veidojot kreiso gaismu un labās puses gaismu, un pēc tam iet cauri LCPG, lai novirzītu gaismas staru divos dažādos virzienos. Novirzes gaismas ceļš ir parādīts 7. attēlā. LCPG neietekmē elektriskā lauka malas efekts, un tam ir augsta izšķirtspēja, programmējama vadība, vieglums un elastība. LCPG ir jāģenerē tikai līdzvērtīgas pusviļņa plāksnes optiskā ceļa atšķirība, un nepieciešamais šķidro kristālu slāņa biezums ir plānāks, tādējādi samazinot tā reakcijas laiku. Tas ir ātrs, un tam nav optiskās atdeves ietekmes, ko izraisa fāzes atiestatīšana. Turklāt tas var arī sasniegt plaša spektra darbību. Tomēr vienam LCPG ir grūti vienlaikus sasniegt vairāku leņķu un liela redzes lauka indeksa prasības, un daudzslāņu LCPG ir augstas prasības sagatavošanas procesam un sistēmas stabilitātei.

7. attēls Šķidro kristālu polarizācijas režģa shematiska diagramma

Tradicionālā LCOPA ir viegla un elastīga, un tā var sasniegt smalku novirzi nelielā leņķa diapazonā. Sistēmas sarežģītība ir salīdzinoši vienkārša, un sagatavošanas process ir samērā nobriedis. Tomēr to ietekmē optiskās atgriešanās zona, ko izraisa fāzes atiestatīšana, un ir acīmredzami novirzes efektivitātes, reakcijas laika un citu rādītāju trūkumi. , joprojām ir nepieciešami nepārtraukti uzlabojumi un attīstība. LCMLA un LCPG neietekmē optiskā atgriešanas zona, un tie ir ievērojami uzlabojuši novirzes efektivitāti. Tomēr tiem abiem ir jābūt aprīkotiem ar smalka leņķa novirzes ierīcēm, lai panāktu gandrīz nepārtrauktu staru novirzes skenēšanu, un abos izmanto vairākus posmus, lai sasniegtu maksimālo novirzes leņķi. Sērijas struktūra novedīs pie sistēmas, kas ir pārāk gara un ar salīdzinoši sliktu stabilitāti. Salīdzinot ar LCOPA un LCMLA, LCPG ir ne tikai liela novirzes leņķa un augstas novirzes efektivitātes īpašības, bet arī unikāla plaša spektra darbības priekšrocība, bet tā var sasniegt tikai stara novirzes skenēšanu ar lielu leņķisko intervālu. Pašlaik šķidro kristālu novirzes tehnoloģija ir visplašāk pētīta nemehāniskās novirzes jomā, taču pastāv būtiski ierobežojumi, lai sasniegtu lielus leņķus un augstu efektivitāti nepolarizētas gaismas apstākļos. Lai atrisinātu šo problēmu, var apsvērt ierīces arhitektūru un materiāla veidu; izmantojot šķidro kristālu polarizējošās režģa ierīces, ir grūti panākt nepārtrauktu leņķa novirzi pie liela leņķa novirzēm. Tās ir problēmas, kas jārisina nākotnē.

6.Elektro-optiskās novirzes tehnoloģija

Elektrooptiskās novirzes tehnoloģija tiek realizēta, izmantojot refrakcijas indeksa gradienta radīto novirzi, kas ir perpendikulāra staru kūļa izplatīšanās virzienam, kā parādīts 8. attēlā. Salīdzinot ar citām tehnoloģijām, staru kūļa novirzītājiem, kuru pamatā ir elektrooptiskie kristāli, ir patvaļīgas novirzes priekšrocības. leņķis, mazs izmērs, ātrs reakcijas ātrums un augsta jutība, taču tiem ir zemas izšķirtspējas problēma.

8. attēls Elektrooptiskās novirzes principu diagramma

Pēdējos gados ir ziņots par elektrooptiskiem materiāliem ar sekundāriem elektrooptiskiem efektiem gan mājās, gan ārvalstīs, piemēram, litija niobātu, bārija titanātu utt. Salīdzinot ar kristāliem ar lineāriem elektrooptiskiem efektiem, tiem ir labāka veiktspēja, piemēram, reakcija. ātrums un novirzes spriegums. Starp tiem KTN kristāli Visreprezentatīvākie.

KTN kristāls ir šobrīd zināmais kristāls ar lielāko sekundāro elektrooptisko efektu. Tam ir izcilas īpašības, piemēram, liela dielektriskā konstante, zemi dielektriskie zudumi, acīmredzama feroelektrība un lieliskas nelineāras optiskās īpašības. Tam ir ļoti plašs pielietojums staru novirzīšanas jomā. izredzes. Pašlaik ārvalstu uzņēmumi, piemēram, Japānas uzņēmums NTT un Pensilvānijas universitāte ASV, kā arī vietējais Harbinas Tehnoloģiju institūts, Nankai universitāte un Šaņdunas Zinātņu akadēmija, ir veikuši daudz pētījumu par KTN novirzes raksturlielumiem. kristāli.

Uzņēmums NTT un Pensilvānijas Universitāte galvenokārt pētīja KTN kristāla staru novirzīšanas tehnoloģiju, kuras pamatā ir kosmosa lādiņa injekcija; Shandong Zinātņu akadēmija galvenokārt pētīja staru novirzes tehnoloģiju, ko izraisa KTN kristāla kompozīcijas gradients; Harbinas Tehnoloģiju institūts un citi galvenokārt pētīja KTN kristāla staru deflektoru elektrodus. Tika pētīti tādi inženiertehniskie jautājumi kā struktūra un darba temperatūra.

Pašlaik pastāv šādas problēmas: ir grūti panākt augstu optisko viendabīgumu kristālu augšanā un apmierināt praktisko pielietojumu vajadzības; pielietojumiem Kirī temperatūras tuvumā ir vajadzīgas precīzas temperatūras kontroles metodes; rodas jautājumi par kosmosa lādiņa iesmidzināšanas mehānismu un polaritāti pie Kirī temperatūras. Tādi zinātniski jautājumi kā nanoreģions un staru kūļa novirzes kontroles mehānisms prasa turpmāku izpēti.

Lai intuitīvāk parādītu katras novirzīšanas tehnoloģijas priekšrocības un trūkumus, tika veikta salīdzinošā analīze, kā parādīts 1.

1. tabula Staru novirzīšanas tehnoloģiju salīdzinājums

Kopsavilkums

Parasti izmantotie mehāniskie mikroelektromehāniski deformējamie spoguļi, ātras atstarošanas spoguļi un skenējošie galvanometri maina izstarotās optiskās ass virzienu ar mehāniskiem līdzekļiem. To precizitāte var sasniegt mikroradiānus, un novirzes leņķis var sasniegt desmitiem radiānu. Viņiem ir plašas pielietojuma iespējas medicīnā un citās jomās. . Tomēr pastāv tādas problēmas kā sarežģīta struktūra, lielgabarīta izmēri un liels enerģijas patēriņš. Sakarā ar adaptīvo optisko sistēmu lielo izmēru MEMS deformējamie spoguļi mājās un ārzemēs galvenokārt tiek izmantoti attēlveidošanas jomā. Staru novirzīšanas jomā ir grūti apmierināt maza mēroga kosmosa vides vajadzības. lai atbilstu augstajām ķīmiskās un vieglās prasības prasībām.

Akustiskās-optiskās novirzes iekārtai ir liels darba joslas platums, taču ir grūti sasniegt mikroradiānu novirzes precizitāti, un tai ir augstas prasības attiecībā uz krītošās gaismas viļņa garumu, leņķi un enerģiju, un tas patērē lielus enerģijas zudumus.

Tādām metodēm kā šķidro kristālu fāzētajiem blokiem un mikrolēcu blokiem ir zems enerģijas patēriņš un zems piedziņas spriegums, taču tām ir lēns reakcijas ātrums, neregulāra leņķiskā novirze, lieli novirzes leņķi, bet zema novirzes efektivitāte lielos leņķos, kas apgrūtina uzdevumu izpildi. liela joslas platuma pārraide.

Salīdzinot ar citām tehnoloģijām, staru deflektoriem, kuru pamatā ir elektrooptiskie kristāli, ir patvaļīgs novirzes leņķis, mazs izmērs, ātrs reakcijas ātrums un augsta jutība. Tie tiek uzskatīti par vispiemērotākajiem, lai realizētu vienu no vadošajiem ātrgaitas gaismas novirzīšanas tehnoloģijas virzieniem. Dažādu veidu elektrooptisko materiālu vidū elektrooptiskajiem deflektoriem, kuru pamatā ir KTN kristāli, ir liela leņķa novirze, ātrs reakcijas ātrums, augsta novirzes efektivitāte, augsta novirzes precizitāte, plaša joslas platuma darbība utt., un tiem ir lielāks potenciāls. lietojumos tādās jomās kā kosmosa optiskie sakari, kļūstot par pētniecības karstajiem punktiem visā pasaulē. No vienas puses, turpmākajā darbā jāanalizē un jāizpēta KTN kristālu augšanas īpašības un apstākļi, lai izaudzētu augstas kvalitātes kristālus ar viendabīgu sastāvu un regulāru formu; no otras puses, mums pakāpeniski jāizpēta KTN kristālu mikroskopiskais novirzes mehānisms, kas ir ļoti svarīgi. praktiska nozīme.