Scopri la tecnologia di deflessione del raggio basata sulla comunicazione ottica spaziale in 3 minuti

La tecnologia di deflessione del raggio è una componente chiave delle comunicazioni laser nello spazio libero e le sue prestazioni determinano se le comunicazioni laser nello spazio libero possono soddisfare esigenze di comunicazione veloci e stabili. La tecnologia di deflessione del raggio può essere suddivisa in due categorie: tecnologia di deflessione del raggio meccanica e tecnologia di deflessione del raggio non meccanica. Tra questi, le tecnologie di deflessione meccanica del raggio includono galvanometri a scansione, specchi a controllo rapido e specchi deformabili con sistemi microelettromeccanici; Le tecnologie di deflessione non meccanica del raggio includono la tecnologia di deflessione acusto-ottica, la tecnologia di deflessione basata su materiali a cristalli liquidi e la tecnologia di deflessione elettro-ottica.

Diamo uno sguardo alle caratteristiche delle varie tecnologie di deflessione del raggio e alle loro prospettive di applicazione nel campo delle comunicazioni ottiche spaziali.

1.Galvanometro a scansione

Il dispositivo meccanico di deflessione del raggio più maturo è un galvanometro a scansione, che è essenzialmente un riflettore di luce con un tempo di risposta al gradino di millisecondi/sottomillisecondi e una precisione di puntamento di microradianti, come mostrato nella Figura 1.

Figura 1 Diagramma schematico del galvanometro a scansione

Il sistema di scansione del galvanometro ha una struttura semplice, dimensioni ridotte, elevata precisione di scansione, alta velocità e costi relativamente bassi. Tuttavia, presenta problemi come campo di lavoro limitato, distorsione a cuscinetto e usura del galvanometro. Questo dispositivo ha raggiunto ottimi standard prestazionali in termini di angolo di deflessione. Ad esempio, il galvanometro a scansione della serie XG210 lanciato dall'azienda americana THORLABS ha un angolo di deflessione fino a ±20 gradi. Attualmente, i ricercatori in patria e all'estero stanno lavorando per aumentare la velocità di scansione e utilizzare metodi come impulsi laser a femtosecondi e strutture galvanometriche multidimensionali per migliorarne le prestazioni.

Tuttavia, per i galvanometri bidimensionali e le tecnologie di scansione dei galvanometri a dimensione superiore, la struttura del sistema è più complessa e nelle applicazioni pratiche si verificheranno errori di orientamento e per correggere gli errori sono necessari buoni metodi di correzione. In futuro, possiamo prendere in considerazione l’utilizzo della tecnologia di controllo della struttura variabile e della tecnologia di controllo degli assi compositi a due livelli spesso e sottile per contribuire a eliminare gli errori residui. Possono essere applicati in costellazioni satellitari con buoni ambienti spaziali e cicli di lavoro brevi per ottenere tracciamento e scansione ad alta precisione con la massima efficienza. Inoltre, la potenza dei laser nelle comunicazioni laser è generalmente molto elevata, quindi anche la scelta di materiali per gli specchi del galvanometro con una maggiore riflettività per ridurre i danni superficiali è un problema che dovrà essere risolto in futuro.

2. Specchietti sterzanti veloci

Esistono due strutture per gli specchi a sterzo rapido, FSM (come mostrato nella Figura 2): una è la struttura del telaio dell'asse XY, chiamata anche struttura del sistema di alberi; l'altro è la struttura ad assi flessibili, che attualmente rappresenta la principale direzione di sviluppo della FSM.

Figura 2 (a) Diagramma della struttura del telaio dell'asse XY degli specchietti a sterzo rapido; (b) Diagramma della struttura dell'asse flessibile degli specchi a sterzo rapido

Lo specchio a controllo rapido presenta i vantaggi di elevata precisione di posizionamento, elevata risoluzione angolare, velocità di risposta rapida e dimensioni compatte. È ampiamente utilizzato in una varietà di sistemi optomeccanici e la struttura di supporto flessibile riduce anche l'attrito meccanico, ma nelle applicazioni pratiche richiede che, combinato con la grande struttura del telaio inerziale, porterà a un certo errore dell'asse ottico.

Attualmente, da un lato, la ricerca nazionale in questo campo si concentra principalmente sulla simulazione strutturale e sul controllo del sistema di riflettori veloci, mentre i progressi nello sviluppo di nuovi riflettori sono lenti. Ciò è legato anche alla necessità di una verifica iterativa continua e agli elevati costi di ricerca e sviluppo. Pertanto, lo sviluppo di un sistema di simulazione congiunta in modo che la verifica fisica possa essere simulata regolando determinati parametri nel sistema, abbreviando così notevolmente il ciclo di sviluppo, trovando più velocemente i parametri dello specchio veloce ad alte prestazioni e migliorando l'efficienza di ottimizzazione è qualcosa che deve essere esplorato in futuro. il futuro.

D'altra parte, i disturbi termici e le vibrazioni fondamentali esistenti nell'ambiente spaziale causeranno distorsioni e jitter dell'asse ottico quando si puntano raggi ad alta precisione. Attualmente il metodo esistente prevede l'utilizzo di un fascio composto da un interferometro di Michelson e uno specchio di controllo veloce. Sistema di allineamento del puntamento per compensare il problema dell'errore dell'asse ottico. Tuttavia, questo metodo ha una bassa precisione nella gestione degli errori di misurazione dinamica. Migliorare la precisione degli errori di misurazione dinamica per compensare gli errori in tempo reale è un problema che dovrebbe essere risolto in futuro.

3. Specchio deformabile MEMS

Lo specchio deformabile del sistema microelettromeccanico (MEMS-DM) ha vari tipi come azionamento elettrotermico, azionamento piezoelettrico, azionamento elettrostatico e azionamento elettromagnetico. In considerazione del fatto che l'azionamento elettrostatico ha una struttura semplice, presenta i vantaggi di un'elevata velocità di risposta e della capacità di funzionare con segnali ad alta frequenza, quindi è principalmente guidato dalla forza elettrostatica ed è per lo più implementato sotto forma di condensatori piatti . La sua struttura è mostrata nella Figura 3.

Figura 3 Diagramma della struttura dell'azionamento dello specchio deformabile MEMS

Gli specchi deformabili del sistema microelettromeccanico presentano i vantaggi di elevata densità di unità, tempi di risposta brevi, basso consumo energetico, basso costo e buona compatibilità con i circuiti integrati e sono più ampiamente utilizzati nel campo dell'imaging; tuttavia, hanno anche una velocità di scansione lenta e un basso utilizzo di energia luminosa. , problemi come una maggiore quantità di luce diffusa. Negli ultimi anni i ricercatori hanno iniziato a sviluppare più unità attuatori per specchi deformabili al fine di aumentare la corsa del fronte d'onda e ottenere un frame rate più elevato; allo stesso tempo, gli specchi deformabili con più attuatori comporteranno uno stress meccanico maggiore, quindi la scelta di materiali di base più leggeri e con durezza inferiore è la strada da seguire.

4. Tecnologia di deflessione acustica e della luce

La tecnologia di deflessione acusto-ottica converte i segnali elettrici ad alta frequenza in onde ultrasoniche e li trasmette al mezzo di lavoro attraverso un trasduttore per formare un reticolo, che utilizza la diffrazione delle onde luminose per deviare il raggio, come mostrato nella Figura 4. La diffrazione acusto-ottica l'effetto si divide in diffrazione di Ramanes e diffrazione di Bragg a seconda della lunghezza dell'area acusto-ottica. Poiché la diffrazione di Ramanes ha una bassa efficienza di utilizzo della luce e la diffrazione di Bragg ha un'elevata efficienza di diffrazione, viene generalmente utilizzata la diffrazione di Bragg.

Figura 4 Diagramma di principio della deflessione acustica e della luce

I dispositivi di deflessione acusto-ottici presentano i vantaggi di dimensioni ridotte, leggerezza, bassa potenza di azionamento ed elevata efficienza di diffrazione. Allo stesso tempo, la tecnologia di deflessione acusto-ottica ha anche capacità di elaborazione parallela in tempo reale, ampia larghezza di banda temporale, facile compatibilità con i computer e controllo automatico. Tuttavia, ci sono anche i seguenti limiti: la maggior parte della luce diffratta è luce diffratta del primo ordine, il che fa sì che il dispositivo di deflessione acusto-ottico abbia evidenti difetti nell'intervallo di deflessione ad ampio angolo, bassa precisione di deflessione, difficoltà nel raggiungere un controllo preciso del raggio e bassa risoluzione. , durante la scansione ad alta velocità verrà visualizzato un "effetto cicalino".

Utilizzando metodi come il tracciamento ultrasonico e la multifrequenza a cristallo singolo, la larghezza di banda effettiva può essere aumentata per risolvere il problema della bassa risoluzione. Per l'effetto "chirp" è possibile aggiungere una lente cilindrica dopo il deflettore per eliminarne l'influenza. Attualmente, ci sono molti studi sulla frequenza delle onde acustiche incidenti e sono stati condotti diversi metodi di miglioramento sperimentale per migliorare l'efficienza di diffrazione e le prestazioni di risposta in frequenza del deflettore acusto-ottico sotto l'incidenza delle onde ultrasoniche, ma le prestazioni l’aumento dell’angolo di deflessione è stato raramente analizzato.

In futuro, si potrà prendere in considerazione la tecnologia del vettore d'onda acustica controllabile per modificare la direzione incidente dell'onda acustica per espandere il suo angolo di scansione di deflessione. Anche altri indicatori delle prestazioni di deflessione dei deflettori acusto-ottici, tra cui le prestazioni della larghezza di banda, la capacità antistatica e la stabilità termica, sono attuali punti caldi della ricerca.

5. Tecnologia di deflessione LCD

Le tecnologie di deflessione del raggio basate su materiali a cristalli liquidi includono principalmente: array di fasi a cristalli liquidi, array di microlenti a cristalli liquidi e reticoli polarizzatori a cristalli liquidi.

La tecnologia Liquid Crystal Optical Phased Array (LCOPA) si riferisce all'applicazione di tensione alle molecole di cristalli liquidi attraverso gli elettrodi. Poiché le molecole di cristalli liquidi hanno un effetto di birifrangenza controllato elettronicamente, la tensione applicata controlla il grado di deflessione delle molecole di cristalli liquidi in diversi stati, influenzando così l'onda del fascio. Svolge il ruolo di modulazione di fase per realizzare la scansione del raggio, come mostrato nella Figura 5.

Figura 5 Diagramma di principio della deflessione del Phased Array a cristalli liquidi

LCOPA presenta i vantaggi dell'azionamento ad alta potenza e bassa tensione e può ottenere una deflessione del raggio ad alta precisione con destrezza e senza inerzia meccanica. Tuttavia, presenta dei limiti, quali tempi di risposta lunghi e una larghezza di spettro operativa ridotta. Inoltre, il piccolo angolo di deflessione limita anche il campo di applicazione di LCOPA, che richiede un dispositivo di amplificazione dell'angolo per ottenere un angolo di deflessione maggiore. Tuttavia, a causa di fattori quali l'apertura effettiva e l'angolo di allontanamento del dispositivo di amplificazione angolare, attualmente è difficile per il dispositivo di amplificazione angolare ottenere un ingrandimento angolare maggiore. Allo stesso tempo, il Phased Array a cristalli liquidi avrà più ordini di diffrazione durante il funzionamento e, insieme all'influenza degli effetti di correlazione non lineare, l'efficienza di deflessione dell'LCOPA sarà ridotta.

Il sistema di microlenti a cristalli liquidi (LCMLA) è costituito da 3 gruppi di lenti, come mostrato nella Figura 6. Rispetto a LCOPA, LCMLA ha un angolo di deflessione maggiore e non è influenzato dalla zona di ritorno ottico, quindi l'efficienza di deflessione è maggiore; influenzata dal tempo di cambiamento della disposizione molecolare LC nel materiale a cristalli liquidi, la differenza del percorso ottico richiesta da LCMLA è più lunga di quella di LCOPA. Piccolo, lo spessore può essere ridotto, quindi LCMLA ha un tempo di risposta inferiore rispetto a LCOPA. Tuttavia, per ottenere una scansione continua della deflessione del raggio, LCMLA deve essere utilizzato in combinazione con alcuni dispositivi di deflessione ad angolo preciso, il che aumenta la complessità dell'implementazione dell'applicazione. Inoltre, LCMLA è composto da una serie di lenti multistrato e la stabilità del sistema è peggiore di LCOPA. LCMLA ottiene la deflessione del raggio modificando il principale ordine di diffrazione della luce emessa. La coerenza spaziale della serie di microlenti influisce sulla sua risoluzione, che richiede un errore molto piccolo nella dimensione delle microlenti, il che rappresenta un grosso problema che deve essere risolto.

Figura 6 Diagramma schematico della matrice di microlenti a cristalli liquidi

Il principio del reticolo di polarizzazione a cristalli liquidi (LCPG) è che la luce incidente passa attraverso il polarizzatore per formare luce sinistrorsa e luce destrorsa, quindi passa attraverso l'LCPG per deviare il raggio luminoso in due direzioni diverse. Il percorso della luce di deflessione è mostrato nella Figura 7. LCPG non è influenzato dall'effetto del bordo del campo elettrico e ha alta risoluzione, controllo programmabile, leggerezza e flessibilità. LCPG deve solo generare la differenza del percorso ottico della piastra a semionda equivalente e lo spessore richiesto dello strato di cristalli liquidi è più sottile, riducendo così il tempo di risposta. È veloce e non presenta l'impatto del ritorno ottico causato dal ripristino di fase. Inoltre, può anche raggiungere un funzionamento ad ampio spettro. Tuttavia, è difficile per un singolo LCPG raggiungere i requisiti di indice di più angoli e un ampio campo visivo allo stesso tempo, e l'LCPG multistrato ha requisiti elevati sul processo di preparazione e sulla stabilità del sistema.

Figura 7 Diagramma schematico del reticolo di polarizzazione dei cristalli liquidi

Il tradizionale LCOPA è leggero e flessibile e può ottenere una deflessione precisa entro un intervallo di angoli ristretto. La complessità del sistema è relativamente semplice e il processo di preparazione è relativamente maturo. Tuttavia, è influenzato dalla zona di ritorno ottico causata dal ripristino di fase e presenta evidenti carenze nell'efficienza di deflessione, nel tempo di risposta e in altri indicatori. , necessita ancora di continui miglioramenti e sviluppi. LCMLA e LCPG non sono influenzati dalla zona di ritorno ottico e hanno notevolmente migliorato l'efficienza di deflessione. Tuttavia, entrambi devono essere dotati di dispositivi di deflessione ad angolo preciso per ottenere una scansione di deflessione quasi continua del raggio ed entrambi utilizzano più fasi per ottenere l'angolo di deflessione massimo. La struttura in serie porterà a un sistema troppo lungo e con stabilità relativamente scarsa. Rispetto a LCOPA e LCMLA, LCPG non solo ha le caratteristiche di un ampio angolo di deflessione e di un'elevata efficienza di deflessione, ma ha anche il vantaggio unico di un funzionamento ad ampio spettro, ma può ottenere la scansione di deflessione del raggio solo con un ampio intervallo angolare. Attualmente, la tecnologia di deflessione a cristalli liquidi è quella più ampiamente studiata nella deflessione non meccanica, ma esistono limitazioni significative nel raggiungimento di angoli ampi e alta efficienza in condizioni di luce non polarizzata. Per risolvere questo problema si può considerare l'architettura del dispositivo e il tipo di materiale; quando si utilizzano dispositivi a reticolo polarizzatore a cristalli liquidi, è difficile ottenere una deflessione angolare continua con deflessioni angolari elevate. Questi sono problemi che dovranno essere risolti in futuro.

6. Tecnologia di deflessione elettro-ottica

La tecnologia di deflessione elettro-ottica viene realizzata utilizzando la deflessione generata dal gradiente dell'indice di rifrazione perpendicolare alla direzione di propagazione del fascio, come mostrato nella Figura 8. Rispetto ad altre tecnologie, i deflettori del fascio basati su cristalli elettro-ottici presentano i vantaggi della deflessione arbitraria angolo, dimensioni ridotte, velocità di risposta rapida e alta sensibilità, ma presentano il problema della bassa risoluzione.

Figura 8 Schema di principio della deflessione elettro-ottica

Negli ultimi anni, sono stati segnalati materiali elettro-ottici con effetti elettro-ottici secondari in patria e all'estero, come niobato di litio, titanato di bario, ecc. Rispetto ai cristalli con effetti elettro-ottici lineari, sono superiori in termini di prestazioni come la risposta velocità e tensione di deflessione. Tra questi, i cristalli KTN sono i più rappresentativi.

Il cristallo KTN è il cristallo attualmente conosciuto con il maggiore effetto elettro-ottico secondario. Ha caratteristiche eccezionali come elevata costante dielettrica, bassa perdita dielettrica, evidente ferroelettricità ed eccellenti proprietà ottiche non lineari. Ha una gamma molto ampia di applicazioni nel campo della deflessione del raggio. prospettiva. Attualmente, aziende straniere come la giapponese NTT Company e l'Università della Pennsylvania negli Stati Uniti, così come l'Harbin Institute of Technology, l'Università di Nankai e l'Accademia delle scienze di Shandong, hanno svolto molte ricerche sulle caratteristiche di deflessione di KTN cristalli.

La NTT Company e l'Università della Pennsylvania hanno studiato principalmente la tecnologia di deflessione del fascio di cristalli KTN basata sull'iniezione di carica spaziale; L'Accademia delle Scienze dello Shandong ha studiato principalmente la tecnologia di deflessione del fascio indotta dal gradiente di composizione del cristallo KTN; L'Harbin Institute of Technology e altri hanno studiato principalmente gli elettrodi dei deflettori del fascio di cristalli KTN. Sono stati studiati problemi di ingegneria come la struttura e la temperatura operativa.

Attualmente esistono i seguenti problemi: è difficile ottenere un'elevata uniformità ottica nella crescita dei cristalli e soddisfare le esigenze delle applicazioni pratiche; le applicazioni vicine alla temperatura di Curie richiedono metodi precisi di controllo della temperatura; ci sono domande sul meccanismo di iniezione della carica spaziale e sulla polarità alla temperatura di Curie. Questioni scientifiche come la nanoregione e il meccanismo di controllo della deflessione del raggio richiedono ulteriori ricerche.

Per visualizzare in modo più intuitivo i vantaggi e gli svantaggi di ciascuna tecnologia di deflessione, è stata condotta un'analisi comparativa, come mostrato nella Tabella 1.

Tabella 1 Confronto delle tecnologie di deflessione del raggio

Riepilogo

Gli specchi deformabili meccanici micro-elettromeccanici comunemente usati, gli specchi a riflessione rapida e i galvanometri a scansione cambiano la direzione dell'asse ottico emesso attraverso mezzi meccanici. La loro precisione può raggiungere i microradianti e l'angolo di deflessione può raggiungere decine di radianti. Hanno ampie prospettive di applicazione in medicina e in altri campi. . Tuttavia, ci sono problemi come struttura complessa, dimensioni ingombranti e consumo energetico elevato. A causa delle grandi dimensioni dei sistemi ottici adattivi, gli specchi deformabili MEMS in patria e all'estero vengono utilizzati principalmente nel campo dell'imaging. Nel campo della deflessione del raggio, è difficile soddisfare le esigenze degli ambienti spaziali su piccola scala. per soddisfare gli elevati requisiti di chimica e leggerezza.

Le apparecchiature di deflessione acusto-ottica hanno un'ampia larghezza di banda operativa, ma è difficile soddisfare la precisione di deflessione dei microradianti e hanno requisiti elevati sulla lunghezza d'onda, sull'angolo e sull'energia della luce incidente e consumano grandi perdite di energia.

Metodi come gli array di fasi a cristalli liquidi e gli array di microlenti hanno un basso consumo energetico e una bassa tensione di pilotaggio, ma hanno una velocità di risposta lenta, una deflessione angolare discontinua, ampi angoli di deflessione ma una bassa efficienza di deflessione ad ampi angoli, rendendo difficile soddisfare i requisiti del compito di trasmissione a larga banda.

Rispetto ad altre tecnologie, i deflettori del fascio basati su cristalli elettro-ottici presentano i vantaggi di un angolo di deflessione arbitrario, dimensioni ridotte, velocità di risposta rapida ed elevata sensibilità. Sono considerati i più adatti per realizzare una delle direzioni principali della tecnologia di deflessione della luce ad alta velocità. Tra i vari tipi di materiali elettro-ottici, i deflettori elettro-ottici basati su cristalli KTN presentano i vantaggi di deflessione ad ampio angolo, velocità di risposta rapida, elevata efficienza di deflessione, elevata precisione di deflessione, funzionamento a larghezza di banda ampia, ecc. e hanno un potenziale maggiore in applicazioni in campi come le comunicazioni ottiche spaziali, diventando un punto caldo di ricerca in tutto il mondo. Da un lato, il lavoro successivo dovrà analizzare e studiare le caratteristiche e le condizioni di crescita dei cristalli KTN per far crescere cristalli di alta qualità con composizione uniforme e forma regolare; d'altro canto bisognerà studiare gradualmente il meccanismo microscopico di deflessione dei cristalli KTN, che è molto importante. significato pratico.