Сазнајте више о технологији скретања снопа заснованој на свемирској оптичкој комуникацији за 3 минута

Технологија скретања снопа је кључна компонента ласерске комуникације у слободном простору, а њене перформансе одређују да ли ласерске комуникације у слободном простору могу да задовоље брзе и стабилне потребе комуникације. Технологија скретања снопа може се поделити у две категорије: механичка технологија скретања снопа и немеханичка технологија скретања снопа. Међу њима, технологије механичког скретања снопа укључују скенирајуће галванометре, брза контролна огледала и микро-електромеханички систем деформабилних огледала; немеханичке технологије скретања зрака укључују технологију акусто-оптичког скретања, технологију скретања засновану на материјалима од течних кристала и електрооптичку технологију скретања.

Хајде да погледамо карактеристике различитих технологија скретања снопа и могућности њихове примене у области свемирских оптичких комуникација.

1.Галванометар за скенирање

Најзрелији механички уређај за скретање снопа је галванометар за скенирање, који је у суштини рефлектор светлости са временом одзива од милисекунди/подмилисекунди и прецизношћу усмеравања у микрорадијанима, као што је приказано на слици 1.

Слика 1 Шематски дијаграм скенирајућег галванометра

Систем за скенирање галванометра има једноставну структуру, малу величину, високу тачност скенирања, велику брзину и релативно ниску цену. Међутим, има проблема као што су ограничен радни опсег, изобличење јастучића и трошење галванометра. Овај уређај је достигао одличне стандарде перформанси у погледу угла скретања. На пример, галванометар за скенирање серије КСГ210 који је лансирала америчка компанија ТХОРЛАБС има угао отклона до ±20 степени. Тренутно, истраживачи у земљи и иностранству раде на повећању брзине скенирања и коришћењу метода као што су фемтосекундни ласерски импулси и вишедимензионалне структуре галванометра како би побољшали његове перформансе.

Међутим, за дводимензионалне галванометре и технологије скенирања вишедимензионалних галванометара, структура система је сложенија, а грешке у оријентацији ће се појавити у практичним применама, а потребне су добре методе корекције да би се грешке исправиле. У будућности, можемо размотрити коришћење технологије контроле променљиве структуре и технологије контроле дебеле и танке композитне осовине на два нивоа како бисмо помогли у сузбијању заосталих грешака. Могу се применити у сателитским констелацијама са добрим свемирским окружењем и кратким радним циклусима како би се постигло високо прецизно праћење и скенирање са максималном ефикасношћу. Поред тога, снага ласера ​​у ласерским комуникацијама је генерално веома велика, тако да је избор материјала за огледало галванометара са већом рефлексијом за смањење површинског оштећења такође проблем који треба решити у будућности.

2.Фаст Стееринг Миррорс

Постоје две структуре за Фаст Стееринг Миррорс, ФСМ (као што је приказано на слици 2): једна је структура оквира КСИ осе, која се такође назива структура система осовине; друга је структура флексибилне осовине, која је тренутно главни развојни правац ФСМ-а.

Слика 2 (а) дијаграм структуре оквира оси КСИ огледала за брзо управљање; (б) Дијаграм структуре флексибилне осовине огледала за брзо управљање

Огледало за брзо управљање има предности високе прецизности позиционирања, високе угаоне резолуције, велике брзине одзива и компактне величине. Широко се користи у различитим оптомеханичким системима, а флексибилна потпорна структура такође смањује механичко трење, али у практичним применама то захтева У комбинацији са великом структуром инерционог оквира, то ће довести до одређене грешке оптичке осе.

Тренутно се, с једне стране, домаћа истраживања у овој области углавном фокусирају на структурну симулацију и системску контролу брзих рефлектора, а напредак у развоју нових рефлектора је спор. Ово је такође повезано са потребом за континуираном итеративном верификацијом и високим трошковима истраживања и развоја. Стога, развој заједничког симулационог система тако да се физичка верификација може симулирати подешавањем одређених параметара у систему, чиме се у великој мери скраћује развојни циклус, брже проналажење параметара брзих огледала високих перформанси и побољшање ефикасности оптимизације је нешто што треба истражити у Будућност.

С друге стране, топлотни поремећаји и фундаменталне вибрације које постоје у свемирском окружењу ће изазвати изобличење оптичке осе и подрхтавање при усмеравању високо прецизних зрака. Тренутно, постојећа метода је да се користи сноп састављен од Мајкелсоновог интерферометра и брзог контролног огледала. Систем поравнања показивача ради компензације проблема грешке оптичке осе. Међутим, овај метод има ниску тачност у руковању грешкама динамичког мерења. Повећање тачности динамичких грешака мерења ради компензације грешака у реалном времену је проблем који би требало да се реши у будућности.

3.МЕМС деформабилно огледало

Микро-електро-механички систем-деформабилно огледало (МЕМС-ДМ) има различите типове као што су електротермални погон, пиезоелектрични погон, електростатички погон и електромагнетни погон. С обзиром на то да електростатички погон има једноставну структуру, има предности велике брзине одзива и могућности рада под високофреквентним сигналима, па се углавном покреће електростатичком силом, а углавном је имплементиран у облику равних кондензатора. . Његова структура је приказана на слици 3.

Слика 3. Дијаграм структуре погона МЕМС деформабилног огледала

Микроелектромеханички систем деформабилна огледала имају предности високе густине јединице, кратког времена одзива, ниске потрошње енергије, ниске цене и добре компатибилности интегрисаних кола и шире се користе у области снимања; међутим, они такође имају малу брзину скенирања и слабо коришћење светлосне енергије. , проблеми као што је више залуталог светла. Последњих година, истраживачи су почели да развијају више јединичних актуатора за деформабилна огледала како би повећали ход таласног фронта и добили већу брзину кадрова; у исто време, деформабилна огледала са више покретача ће довести до већег механичког напрезања, тако да је избор лакших основних материјала мање тврдоће пут напред.

4.Акустична и технологија скретања светлости

Технологија акустооптичког скретања претвара електричне сигнале високе фреквенције у ултразвучне таласе и преноси их на радни медијум кроз претварач да би се формирала решетка, која користи дифракцију светлосног таласа да би скренула зрак, као што је приказано на слици 4. Акустооптичка дифракција ефекат се дели на Раманесову дифракцију и Брагову дифракцију према дужини акусто-оптичке области. Пошто Раманесова дифракција има ниску ефикасност коришћења светлости, а Брегова дифракција има високу ефикасност дифракције, генерално се користи Брегова дифракција.

Слика 4 Принципски дијаграм акустичког и светлосног скретања

Акусто-оптички уређаји за скретање имају предности мале величине, мале тежине, мале погонске снаге и високе ефикасности дифракције. У исто време, технологија акусто-оптичког скретања такође има могућности паралелне обраде у реалном времену, велики временски пропусни опсег, лаку компатибилност са рачунарима и аутоматску контролу. Међутим, постоје и следећи недостаци: већина дифрактоване светлости је дифрактована светлост првог реда, што доводи до тога да уређај за акусто-оптичко скретање има очигледне недостатке у опсегу скретања великог угла, ниску тачност скретања, тешкоће у постизању фине контроле снопа и ниске резолуције. , појавиће се „ефекат цвркута“ при скенирању велике брзине.

Коришћењем метода као што су ултразвучно праћење и монокристална мулти-фреквенција, ефективни пропусни опсег се може повећати да би се решио проблем ниске резолуције. За „ефекат цвркута“, после дефлектора се може додати цилиндрично сочиво како би се елиминисао његов утицај. Тренутно постоји много студија о учесталости упадних акустичних таласа, а спроведене су различите методе експерименталног побољшања како би се побољшала ефикасност дифракције и перформансе фреквентног одзива акустооптичког дефлектора под упадом ултразвучних таласа, али перформансе повећање угла отклона ретко је анализирано.

У будућности се може сматрати да технологија вектора акустичног таласа може да се контролише да промени правац упада акустичног таласа како би се проширио угао скенирања његовог отклона. Други показатељи перформанси скретања акусто-оптичких дефлектора, укључујући перформансе пропусног опсега, антистатичку способност и термичку стабилност, такође су актуелна истраживања.

5.ЛЦД технологија отклона

Технологије скретања зрака засноване на материјалима са течним кристалима углавном укључују: фазне низове течних кристала, низове микросочива течних кристала и поларизационе решетке течних кристала.

Технологија течног кристалног оптичког фазног низа (ЛЦОПА) се односи на примену напона на молекуле течних кристала преко електрода. Пошто молекули течних кристала имају електронски контролисан ефекат двоструког преламања, примењени напон контролише степен отклона молекула течног кристала у различитим стањима, чиме утиче на талас снопа. Он игра улогу фазне модулације испред да би се реализовало скенирање зрака, као што је приказано на слици 5.

Слика 5 Принципски дијаграм скретања фазног низа течних кристала

ЛЦОПА има предности вожње велике снаге и ниског напона и може постићи високо прецизно скретање снопа са спретношћу и без механичке инерције. Међутим, он има недостатке као што су дуго време одзива и кратка ширина радног спектра. Поред тога, мали угао скретања такође ограничава опсег примене ЛЦОПА, што захтева уређај за појачање угла да би се постигао већи угао скретања. Међутим, због фактора као што су ефективни отвор бленде и угао одласка уређаја за појачање угла, тренутно је тешко за уређај за појачавање угла да постигне веће увећање угла. У исто време, фазни низ течних кристала ће имати вишеструке редоследе дифракције током рада, а заједно са утицајем нелинеарних корелационих ефеката, ефикасност скретања ЛЦОПА ће бити смањена.

Низ микро сочива од течног кристала (ЛЦМЛА) се састоји од 3 низа сочива, као што је приказано на слици 6. У поређењу са ЛЦОПА, ЛЦМЛА има већи угао скретања и на њега не утиче зона оптичког повратка, тако да је ефикасност скретања већа; под утицајем времена промене распореда ЛЦ молекула у материјалу течног кристала, разлика оптичке путање коју захтева ЛЦМЛА је дужа од оне код ЛЦОПА. Мала, дебљина се може смањити, тако да ЛЦМЛА има мање време одзива од ЛЦОПА. Међутим, да би се постигло континуирано скенирање скретања зрака, ЛЦМЛА треба да се користи у комбинацији са неким уређајима за скретање финог угла, што повећава сложеност имплементације апликације. Штавише, ЛЦМЛА се састоји од вишеслојног низа сочива, а стабилност система је лошија од ЛЦОПА. ЛЦМЛА постиже скретање зрака променом главног великог реда дифракције емитоване светлости. Просторна кохерентност низа микросочива утиче на његову резолуцију, што захтева веома малу грешку у величини микросочива, што је велики проблем који треба решити.

Слика 6 Шематски дијаграм низа микросочива течних кристала

Принцип поларизационе решетке течних кристала (ЛЦПГ) је да упадна светлост пролази кроз поларизатор да би формирала лево и десно светло, а затим пролази кроз ЛЦПГ да би скренула светлосни сноп у два различита смера. Путања светлости скретања приказана је на слици 7. ЛЦПГ није под утицајем ефекта ивице електричног поља и има високу резолуцију, програмабилну контролу, лакоћу и флексибилност. ЛЦПГ само треба да генерише разлику оптичке путање еквивалентне полуталасне плоче, а потребна дебљина слоја течног кристала је тања, што чини његово време одзива краћим. Брз је и нема утицај оптичког повратка узрокованог ресетовањем фазе. Поред тога, може постићи и рад широког спектра. Међутим, тешко је да један ЛЦПГ истовремено постигне индексне захтеве за више углова и велико видно поље, а вишеслојни ЛЦПГ има високе захтеве за процес припреме и стабилност система.

Слика 7 Шематски дијаграм поларизационе решетке течних кристала

Традиционални ЛЦОПА је лаган и флексибилан и може постићи фини отклон унутар малог опсега углова. Комплексност система је релативно једноставна и процес припреме је релативно зрео. Међутим, на њега утиче зона оптичког повратка узрокована ресетовањем фазе, а постоје очигледни недостаци у ефикасности скретања, времену одзива и другим показатељима. , и даље треба континуирано усавршавање и развој. На ЛЦМЛА и ЛЦПГ не утиче оптичка повратна зона и значајно су побољшали ефикасност скретања. Међутим, оба морају да буду опремљена уређајима за скретање под финим углом да би се постигло квази-континуирано скенирање скретања зрака, и оба користе вишестепене за постизање максималног угла скретања. Структура серије ће довести до система који је предугачак и има релативно слабу стабилност. У поређењу са ЛЦОПА и ЛЦМЛА, ЛЦПГ не само да има карактеристике великог угла скретања и високе ефикасности скретања, већ има и јединствену предност рада широког спектра, али може постићи скенирање скретања зрака само са великим угаоним интервалом. Тренутно је технологија скретања течних кристала најшире проучавана у немеханичком скретању, али постоје значајна ограничења у постизању великих углова и високе ефикасности у условима неполаризованог светла. Да би се решио овај проблем, може се узети у обзир архитектура уређаја и врста материјала; када се користе уређаји за поларизујућу решетку са течним кристалима, тешко је постићи континуирани угаони отклон при великим угловима. То су проблеми које треба решавати у будућности.

6.Електро-оптичка технологија скретања

Технологија електрооптичког скретања се реализује коришћењем скретања генерираног градијентом индекса преламања управном на правац простирања зрака, као што је приказано на слици 8. У поређењу са другим технологијама, дефлектори снопа засновани на електрооптичким кристалима имају предности произвољног скретања. угао, малу величину, брзу брзину одзива и високу осетљивост, али имају проблем ниске резолуције.

Слика 8 Принципијелни дијаграм електрооптичког отклона

Последњих година, електрооптички материјали са секундарним електрооптичким ефектима су пријављени у земљи и иностранству, као што су литијум ниобат, баријум титанат, итд. У поређењу са кристалима са линеарним електрооптичким ефектима, они су супериорнији у перформансама као што је одзив брзина и напон отклона. Међу њима, КТН кристали Најрепрезентативнији.

КТН кристал је тренутно познати кристал са највећим секундарним електро-оптичким ефектом. Има изванредне карактеристике као што су велика диелектрична константа, мали диелектрични губици, очигледна фероелектричност и одлична нелинеарна оптичка својства. Има веома широк спектар примена у области скретања зрака. проспецт. Тренутно, стране компаније као што су јапанска компанија НТТ и Универзитет Пенсилваније у Сједињеним Државама, као и домаћи Харбин институт за технологију, Универзитет Нанкаи и Академија наука Шандонг, урадиле су многа истраживања о карактеристикама скретања КТН-а. кристали.

Компанија НТТ и Универзитет у Пенсилванији углавном су проучавали КТН технологију скретања кристалног снопа засновану на убризгавању свемирског набоја; Академија наука Схандонг је углавном проучавала технологију скретања зрака изазвану градијентом састава КТН кристала; Технолошки институт Харбин и други су углавном проучавали електроде КТН кристалних дефлектора зрака. Проучавана су инжењерска питања као што су структура и радна температура.

Тренутно постоје следећи проблеми: тешко је постићи високу оптичку униформност у расту кристала и задовољити потребе практичне примене; апликације у близини Киријеве температуре захтевају прецизне методе контроле температуре; постоје питања о механизму убризгавања набоја у простор и поларности на Киријевој температури. Научна питања као што су нано-регион и контролни механизам скретања зрака захтевају даља истраживања.

Да би се интуитивније приказале предности и мане сваке технологије скретања, урађена је упоредна анализа, као што је приказано у табели 1.

Табела 1 Поређење технологија скретања снопа

Резиме

Обично коришћена механичка микро-електромеханичка деформабилна огледала, огледала за брзу рефлексију и скенирајући галванометри мењају смер емитоване оптичке осе механичким средствима. Њихова тачност може достићи микрорадијане, а угао отклона може достићи десетине радијана. Имају широку перспективу примене у медицини и другим областима. . Међутим, постоје проблеми као што су сложена структура, гломазна величина и велика потрошња енергије. Због велике величине адаптивних оптичких система, МЕМС деформабилна огледала у земљи и иностранству се углавном користе у области снимања. У области скретања зрака, тешко је задовољити потребе малих свемирских окружења. да испуни високе захтеве хемикалије и мале тежине.

Акусто-оптичка опрема за скретање има велики радни пропусни опсег, али је тешко испунити тачност отклона микрорадијана, а има високе захтеве за таласну дужину, угао и енергију упадне светлости и троши велике губитке енергије.

Методе као што су фазни низови са течним кристалима и низови микросочива имају ниску потрошњу енергије и низак напон покретања, али имају малу брзину одзива, дисконтинуално угаоно скретање, велике углове скретања, али ниску ефикасност скретања при великим угловима, што отежава испуњавање захтева задатка пренос великог пропусног опсега.

У поређењу са другим технологијама, дефлектори снопа засновани на електро-оптичким кристалима имају предности произвољног угла скретања, мале величине, велике брзине одзива и високе осетљивости. Сматра се да су најпогоднији за реализацију једног од водећих праваца технологије брзе рефлексије светлости. Међу различитим врстама електро-оптичких материјала, електрооптички дефлектори засновани на КТН кристалима имају предности великог угла отклона, велике брзине одзива, високе ефикасности скретања, високе прецизности скретања, рада у широком пропусном опсегу, итд., и имају већи потенцијал у апликацијама у областима као што су свемирске оптичке комуникације, постајући жариште истраживања широм света. С једне стране, наредни рад мора анализирати и проучавати карактеристике раста и услове КТН кристала да би се добили висококвалитетни кристали са уједначеним саставом и правилног облика; с друге стране, морамо постепено проучавати микроскопски механизам отклона КТН кристала, што је веома важно. практични значај.