據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，航天工程大學電子與光學工程系的科研團隊在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“基于空間光通信的光束偏轉(zhuǎn)技術研究現(xiàn)狀及趨勢分析”為主題的文章。該文章第一作者為李富豪，通訊作者為趙繼廣和段永勝。

本文系統(tǒng)總結(jié)了機械式和非機械式六類光束偏轉(zhuǎn)技術的國內(nèi)外研究進展，根據(jù)不同技術的偏轉(zhuǎn)特性，從關鍵指標方面比較分析了各類光束偏轉(zhuǎn)技術的特點，并從空間應用性能需求的角度給出了發(fā)展趨勢，展望了電光偏轉(zhuǎn)技術在空間光通信領域具有很好的應用前景，為下一步的研究工作指明了方向。

機械式光束偏轉(zhuǎn)技術

掃描振鏡

技術最為成熟的機械式光束偏轉(zhuǎn)器件為掃描振鏡，其本質(zhì)是一個步進響應時間可達毫秒/亞毫秒級、指向精度為微弧度量級的光反射鏡，如圖1所示。掃描振鏡結(jié)構(gòu)主要由兩個相互垂直的反射鏡構(gòu)成。

機械式光束偏轉(zhuǎn)技術類型有掃描振鏡，其已在偏轉(zhuǎn)角度方面達到卓越的性能標準，例如美國THORLABS公司推出的XG210系列掃描振鏡，其偏轉(zhuǎn)角度可達±20°。目前，國內(nèi)外的研究人員正在致力于提高掃描速度，采用飛秒激光脈沖和多維振鏡結(jié)構(gòu)等方法來提升其性能。

圖1 掃描振鏡示意圖

國外研究進展

在提高偏轉(zhuǎn)速度方面，法國ALPhANOV激光與光學技術中心的Mincuzzi等人針對傳統(tǒng)長脈沖激光較強的熱效應會損傷振鏡材料表面這一問題，利用飛秒短脈沖激光和多邊形掃描頭，在降低熱效應的同時提高了掃描速度。在13 MHz的工作頻率和100 W的輸出功率下，配合飛秒激光器，最高掃描速度可達30 m/s。這一技術在切割和加工方面有著廣闊的應用前景。

為提高偏轉(zhuǎn)精度和效率，該團隊于2019年提出了采用多光束并行處理的方法，利用空間光調(diào)制器掃描頭控制光束的傳輸方式，減少了熱積累，提高了吞吐量。這一技術對于高質(zhì)量加工制造方面有著重要的意義，未來有望用于星載信息的高效傳輸。

針對傳統(tǒng)振鏡變化導致掃描質(zhì)量下降的缺陷，該團隊采用了按需脈沖技術（POD）的飛秒激光，可以在所需的位置和時間進行精確的激光觸發(fā)，通過改進傳統(tǒng)振鏡掃描方式，脈沖位置精度可達微米級以下，掃描時間比傳統(tǒng)掃描縮小了40%。

國內(nèi)研究進展

國內(nèi)學者的研究主要集中于基于掃描振鏡的子系統(tǒng)搭建。上?？萍即髮W范娜娜等人于2020年使用二維掃描振鏡搭建了激光雷達的發(fā)射光學系統(tǒng)部分，利用其大視場掃描的特點，提高了激光雷達的探測距離和視場角，實驗得出最大探測距離為45 m，全視場角為40°×10°。

2022年，成都電子科技大學胥守振等人將聲學掃描振鏡應用于一種超聲/光聲雙模態(tài)成像系統(tǒng)的信號掃描收集子系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有小成本、小尺寸的優(yōu)點，并在兼顧掃描成像速度的同時獲得成像結(jié)果的結(jié)構(gòu)性信息和高對比的功能性信息。

快速控制反射鏡

快速控制反射鏡（FSM）的結(jié)構(gòu)有兩種：一種是X-Y軸框架結(jié)構(gòu)，也叫做有軸系結(jié)構(gòu)，如圖2所示，反射鏡支撐采用精密軸系，外框架軸系軸承座固定在底板上，鑲嵌子反射鏡的內(nèi)框架軸系安裝在外框架，采用直線電機驅(qū)動內(nèi)外框架進行旋轉(zhuǎn)；另一種是柔性軸結(jié)構(gòu)，它是目前FSM的主要發(fā)展方向。對于轉(zhuǎn)角范圍較小的，采用壓電陶瓷，對于轉(zhuǎn)角范圍較大的，采用音圈電機來驅(qū)動鉸鏈變形，帶動整個鏡架實現(xiàn)無摩擦運動，使鏡面快速旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)掃描，如圖3所示。

圖2 快速控制反射鏡X-Y軸框架結(jié)構(gòu)圖

圖3 快速控制反射鏡柔性軸結(jié)構(gòu)圖

國外研究進展

抬高器件的角行程、偏轉(zhuǎn)精度和頻率帶寬等核心性能是國外學者開始研究的方向。為了實現(xiàn)天基光學系統(tǒng)在高頻段掃描時的抗干擾性能，美國麻省理工學院林肯實驗室的羅尼采用音圈電機驅(qū)動和柔性軸+柔性環(huán)的支撐結(jié)構(gòu)，研制了高帶寬反射鏡（HBSM），實現(xiàn)了角行程為±13 mrad、閉環(huán)帶寬為10 kHz、角分辨率為0.2 μrad、角位移精度為0.2 μrad的光束偏轉(zhuǎn)性能。為了抑制光學路徑上的外部機械干擾，從而能夠在長距離上捕獲和跟蹤光信號，林肯實驗室將快速控制反射鏡用于火星激光通信演示計劃項目中。

Daniel提出了一種高級快速轉(zhuǎn)向鏡（AFSM），旨在縮小光束指向誤差，同時克服當時FSM所帶來的加速度和帶寬限制，如圖4所示。該快速轉(zhuǎn)向鏡利用永磁體偏置磁通轉(zhuǎn)向執(zhí)行器驅(qū)動兩個旋轉(zhuǎn)軸，通過位置反饋回路進行控制，行程范圍為±3.5 mrad，測量的角加速度為10? rad/s2，通過光學反饋和雙通道模擬控制架構(gòu)驗證了小信號帶寬可實現(xiàn)10 kHz，相比傳統(tǒng)FSM提高了5~10倍。

圖4 高級快速轉(zhuǎn)向鏡

為滿足多樣化的應用需求，學術界提出了壓電陶瓷驅(qū)動的FSM和電磁驅(qū)動的FSM。為減小邁克爾遜干涉儀的波前誤差和P-V誤差，美國洛克希德馬丁公司的Tapos采用3個壓電陶瓷驅(qū)動器和厚度為12.7 mm的金屬鈹材質(zhì)做鏡片，實現(xiàn)了1/900λ的波前誤差以及1/250λ的P-V誤差，該FSM的角行程最大為±1.5°，閉環(huán)帶寬達到了400 Hz，角分辨率和重復精度均達1 μrad。此外，奧地利維也納工業(yè)大學的Ernst通過調(diào)整每個軸的旋轉(zhuǎn)剛度以匹配所需的驅(qū)動頻率，并應用雙音調(diào)控制器，設計了一種能夠利用李薩如曲線的電磁驅(qū)動快速反射鏡。相較于傳統(tǒng)FSM，該反射鏡的電流消耗減少了10倍，能量效率減少了100倍，掃描范圍也增加了7.7倍，均方根跟蹤誤差減小了48%。

FSM的熱穩(wěn)定性是空間光通信實際應用中的重要指標，美國海軍實驗室的Willstatter等人研究了熱效應對光束控制鏡角的影響，實驗使用了表面鍍金的音圈FSM，在?40~60 ℃范圍內(nèi)，存在高達1 mrad的隨溫度變化的角度偏移量，因此，在使用大口徑音圈FSM時，需要在預期溫度范圍作系統(tǒng)校準。

國內(nèi)研究進展

國內(nèi)學者主要從提高偏轉(zhuǎn)角度的方面對FSM進行結(jié)構(gòu)改進。采用了壓電陶瓷疊堆驅(qū)動器（PCSA）作為驅(qū)動器，針對柔性鉸鏈杠桿結(jié)構(gòu)進行設計，實現(xiàn)精瞄偏轉(zhuǎn)鏡的最大偏轉(zhuǎn)角度達到0.24°，響應頻率和偏轉(zhuǎn)精度分別達到1 kHz和0.22″。在此基礎上設計了彈性外框，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)激光光束的高頻率低轉(zhuǎn)動勻速掃描，并且在200 Hz的掃描頻率下，偏轉(zhuǎn)角度可達0.5°，連續(xù)掃描時間長達7000 h?；赑CSA的FSM存在偏轉(zhuǎn)角較小的問題，重慶大學的袁剛使用了一種特殊的柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)，使得電壓驅(qū)動下的PCSA產(chǎn)生更大的輸出位移，再將輸出位移作用于反射鏡面，從而實現(xiàn)了固有頻率為180 Hz、鏡面偏轉(zhuǎn)角度大于3°的大角度定軸壓電式FSM，是傳統(tǒng)基于PSCA的FSM的偏轉(zhuǎn)角度的3倍。

隨著快速控制反射鏡技術的發(fā)展成熟，壓電陶瓷驅(qū)動的快速控制反射鏡的動態(tài)應力是影響指向精度的關鍵因素，上海海事大學的冉兵等分析了堆疊式壓電陶瓷FSM的結(jié)構(gòu)模型，研究了FSM動態(tài)應力與驅(qū)動電壓頻率、幅值以及柔性鉸鏈抗彎剛度之間的關系。通過數(shù)據(jù)優(yōu)化，解決了應力集中問題，提高了光束指向的可靠性。

微機電系統(tǒng)變形鏡

微機電系統(tǒng)變形鏡（MEMS-DM）有電熱型驅(qū)動、壓電型驅(qū)動、靜電型驅(qū)動以及電磁型驅(qū)動等多種類型，鑒于靜電型驅(qū)動具有結(jié)構(gòu)簡單、響應速度快、能夠在高頻信號下工作等優(yōu)點，因此多采用靜電力驅(qū)動，且多以平板電容方式實現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。通過對某一單元施加控制電壓，使得薄膜在靜電力吸引作用下發(fā)生形變，從而帶動單元鏡向下運動，多個單元鏡獨立運動，最終使整個變形鏡的鏡面凹凸度不均勻，產(chǎn)生形變。光束經(jīng)過其表面時，每個子單元鏡都能對光束進行相位控制，從而實現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)。

圖5 微機電系統(tǒng)變形鏡驅(qū)動結(jié)構(gòu)圖

國外研究進展

1993年，美國NASA噴氣推進實驗室的Miller等提出基于微機電系統(tǒng)的變形鏡技術。此后，波士頓大學的Krishnamoorthy等運用表面微加工技術設計出分立和連續(xù)鏡面的變形鏡技術。2003年，卡耐基梅隆大學的Xie等研制了一種帶有卷曲鉸鏈梳狀驅(qū)動器的CMOS-MEMS反射鏡，其結(jié)構(gòu)由CMOS互連層和40 μm厚的單硅晶板組合制成，在18 V的驅(qū)動電壓下實現(xiàn)了高達±4.7°的角度位移。BMC公司的Steven將微機電變形鏡技術應用在雙子座行星成像儀器上，以矯正其高階波前相差。研制的連續(xù)面片變形鏡系統(tǒng)具有4096個單元元件，最終測試實驗表明機械行程為4 μm，帶寬為5 kHz。

傳統(tǒng)靜電力驅(qū)動器存在掃描角度相對小、加工工藝復雜且昂貴等缺點，加拿大滑鐵盧大學的Bai等采用SOI晶圓、混合體/表面微加工技術和高展弦比陰影掩膜的制作工藝，設計了一種帶有側(cè)壁電極的靜電驅(qū)動型 MEMS雙軸微鏡，如圖6所示。該變形鏡的側(cè)壁電極有效面積得到增加，從而降低了實現(xiàn)大角度偏轉(zhuǎn)時的驅(qū)動電壓，在靜態(tài)工作電壓下的最大偏轉(zhuǎn)角度為±11°，在諧振頻率驅(qū)動下的最大偏轉(zhuǎn)角度為±21°。

圖6 帶有側(cè)壁電極的MEMS

靜電驅(qū)動型掃描微鏡存在的拉入效應會限制光束偏轉(zhuǎn)角度，通過在微鏡器件中添加基座和懸架梁，并利用兩塊電極驅(qū)動微鏡偏轉(zhuǎn)，在偏轉(zhuǎn)過程中不斷改變邊界條件，以使偏轉(zhuǎn)范圍不斷增大，如圖7所示。最終增加的基座和懸架梁消除了拉入現(xiàn)象的不穩(wěn)定性，在外加電壓41 V的條件下實現(xiàn)了11.4°的最大偏轉(zhuǎn)角度。

圖7 靜電驅(qū)動扭轉(zhuǎn)微鏡原理圖

國內(nèi)研究進展

我國在2000年之后才開始進行微機電系統(tǒng)變形鏡方面的研究。為提高傳統(tǒng)二維傾斜鏡在非正交方向上的光轉(zhuǎn)換效率，中國科學院成都光電技術研究中心研制了一種非正交轉(zhuǎn)軸二維MEMS傾斜鏡，通過改變固定在傾斜鏡基底的上、下電極的加電方式實現(xiàn)傾斜鏡在兩個非正交軸上的偏轉(zhuǎn)，在低驅(qū)動電壓3.5 V下，實現(xiàn)了繞水平X軸0.16°、繞傾斜Y軸0.03°的偏轉(zhuǎn)。

針對靜電力驅(qū)動MEMS變形鏡在使用時存在的靜電吸合現(xiàn)象會損壞器件的問題，2012年，中國科學院大學的胡放榮等研制了一種多組電極結(jié)構(gòu)的靜電排斥型微機電系統(tǒng)變形鏡，4組電極分別由1根“L”形彈簧與中心電極連接，防止了電極距離過近導致的靜電吸合現(xiàn)象產(chǎn)生，并得到了4 kHz的諧振頻率和0.05 s的暫態(tài)響應時間，在70 V的外加電壓下，實現(xiàn)了1.4 μm的變形量，是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)最大形變量的2倍。

針對傳統(tǒng)變形鏡體積大、成本高的問題，中國科學院光電技術研究所的汪為民等研制了140單元MEMS變形鏡，其共有140個間距為400 μm的六邊形平行板電容驅(qū)動器，結(jié)構(gòu)如圖8所示。實驗測量和分析表明該MEMS變形鏡行程為1.8 μm，工作帶寬為13 kHz，階躍響應時間為23 μs。

圖8 140單元變形鏡驅(qū)動器分布

非機械式光束偏轉(zhuǎn)技術

聲光偏轉(zhuǎn)技術

聲光偏轉(zhuǎn)技術是將高頻電信號轉(zhuǎn)化為超聲波，通過換能器傳遞至工作介質(zhì)，形成一個光柵，利用光波衍射來實現(xiàn)光束的偏轉(zhuǎn)，原理如圖9所示。聲光衍射效應按照聲光作用區(qū)長短分為拉曼奈斯衍射和布拉格衍射，由于拉曼奈斯衍射的光利用率低，布拉格衍射衍射效率高，故一般利用布拉格衍射。

圖9 聲光偏轉(zhuǎn)原理圖

國外研究進展

俄羅斯科學院的Antonov所帶領的科研團隊對聲光偏轉(zhuǎn)器的頻率帶寬方面有著深入研究。2013年，Antonov等人研究了一種兩元相控陣的壓電換能器，對于總長度為6 mm的換能器，在入射光波長為1.06 μm的情況下，工作帶寬可達到17~48 MHz，轉(zhuǎn)換效率可達理論最大值的94%，為后來研究高性能新型材料的聲光偏轉(zhuǎn)器奠定了基礎。2016年，該團隊開始對基于準碲酸鹽晶體的聲光偏轉(zhuǎn)器展開研究，該器件具有兩個連續(xù)聲光單元，這兩個聲光單元可以分別掃描角間隔的低頻和高頻部分，理論可實現(xiàn)100%激光的利用率，對波長為1.06 μm的入射光，工作帶寬可實現(xiàn)近32 MHz，光束掃描角可實現(xiàn)50 mrad，衍射效率不低于70%。2018年，他們又在基于準碲酸鹽晶體的各向異性雙晶體偏轉(zhuǎn)器的基礎上額外增加了一個聲光偏轉(zhuǎn)器，如圖10所示，用來調(diào)整入射光的角度，工作帶寬實現(xiàn)了32 MHz，光束掃描角度實現(xiàn)了50 mrad，衍射效率超過了90%，進一步提高了衍射效率。

圖10 雙晶體偏轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)圖

隨著偏轉(zhuǎn)器件日益成熟，更換不同材料的偏轉(zhuǎn)器已不能很好地改善現(xiàn)有性能，該團隊又轉(zhuǎn)向?qū)ζD(zhuǎn)機制上的研究。2021年，在研究基于準碲酸鹽的聲光偏轉(zhuǎn)器的內(nèi)部熱效應的產(chǎn)生機制時，發(fā)現(xiàn)通過液體接觸的方法可以很快地進行熱量交換，而在此過程中，晶體的非均勻性被明顯表現(xiàn)出來。如圖11所示，研究結(jié)果表明，晶體內(nèi)部如光楔一般，在換能器附近的光學密度較大，而在離換能器較遠的地方密度較小。這項發(fā)現(xiàn)為降低換能器長度，進而擴大聲光偏轉(zhuǎn)器的掃描帶寬提供了全新的方法。

圖11 液體散熱功能的聲光偏轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)圖（1-二氧化碲晶體；2-黃銅外驅(qū)；3-液體接觸）

除俄羅斯之外，以色列希伯來大學的Peled 等為了提高換能器的工作帶寬，通過采用改變換能器形狀結(jié)構(gòu)的方法，使用多片平面或階梯結(jié)構(gòu)換能器，提出了一種多通道聲光偏轉(zhuǎn)器，該聲光偏轉(zhuǎn)器利用多頻射頻信號來驅(qū)動對應相位的換能器，通過陣列換能器的調(diào)諧相位控制，將器件的工作帶寬提高了40%。

國內(nèi)研究進展

針對聲光偏轉(zhuǎn)器由于頻率帶寬限制而影響偏轉(zhuǎn)性能的問題，國內(nèi)學者也不斷研制改進超聲偏轉(zhuǎn)器件。1991年，徐介平首次提出超聲跟蹤反常聲光器件的概念并開展了初步的理論研究。2000年，長春郵電學院通信工程系的李公羽和劉大力根據(jù)正常布拉格衍射聲光互作用原理設計并制作了以LiNbO?晶體作為襯底，中心頻率為300 MHz、工作帶寬為200 MHz的傾斜式變周期聲表面波聲光偏轉(zhuǎn)器。

2005年，四川壓電與聲光技術研究所的何曉亮等根據(jù)聲光偏轉(zhuǎn)器的原理設計了應用于頻譜分析的高分辨率聲光偏轉(zhuǎn)器，在激光波長為650 nm的條件下，實現(xiàn)了帶寬為50 MHz、分辨率為20 kHz、峰值衍射效率達74%的線偏振光。

針對單片換能器結(jié)構(gòu)的帶寬與衍射效率之間的矛盾，2007年，北京工業(yè)大學的俞寬新等利用多片換能器結(jié)構(gòu)的二氧化碲反常聲光偏轉(zhuǎn)器對超聲跟蹤技術進行具體研究，與單片結(jié)構(gòu)相比，其相對換能器長度提高了34.7%，相對帶寬提高了9.1%。

近年來，研究學者發(fā)現(xiàn)工作帶寬的提高會導致相應的衍射效率下降，故開始探索兼顧兩者性能的聲光偏轉(zhuǎn)器件。2014年， 四川壓電與聲光技術研究所的張澤紅、陸川等研制了一種磷化鎵聲光偏轉(zhuǎn)器，其采用準超聲跟蹤結(jié)構(gòu)設計，提高了換能器工作的總長度，在3 dB下實現(xiàn)了900 MHz的帶寬，峰值衍射效率為8%，動態(tài)掃描角為5.2°。隨后兩人又對之前的聲光偏轉(zhuǎn)器做出改進，改用橫波模式的超聲波，在3 dB下實現(xiàn)了1040 MHz的帶寬，峰值衍射效率達到20.4%。

隨著聲光偏轉(zhuǎn)器工作頻率的不斷提高，換能器越來越薄，換能器在運輸和使用中會累積靜電電荷導致其出現(xiàn)靜電損傷，影響衍射效率。針對該問題，2021年，夏茜等通過在換能器表面上焊接有金絲的表電極，將一端焊接在匹配印刷板的正極，另一端焊接在匹配印刷板地上，形成靜電內(nèi)置回路使累積電荷快速釋放。通過8000 V的靜電實驗，表明該設計方法能夠有效保證較高的衍射效率，如圖12所示。

圖12 高頻聲光偏轉(zhuǎn)器的抗靜電設計

液晶偏轉(zhuǎn)技術

基于液晶材料的光束偏轉(zhuǎn)技術主要包括：液晶相控陣、液晶微透鏡陣列以及液晶偏振光柵等。

液晶相控陣

液晶相控陣（LCOPA）技術是指通過電極對液晶分子施加電壓，由于液晶分子具有電控雙折射效應，外加電壓控制著不同狀態(tài)液晶分子的偏轉(zhuǎn)程度，從而對光束波前起到相位調(diào)制作用，實現(xiàn)光束掃描，如圖13所示。

圖13 液晶相控陣偏轉(zhuǎn)原理圖

國外研究進展

1989年，美國Raytheon公司的Sharp等利用紅外電可調(diào)諧的液晶波片研制了第一臺液晶光波相控陣列，并利用托克斯-麥克魯弗橢圓偏振法分別驗證了溫度和光學誘導重定向?qū)ζ骷阅艿挠绊憽?/p>

2009年，美國Displaytech公司的David等利用高傾斜度鐵電液晶材料，研制了一種一維的鐵電液晶相控陣，實現(xiàn)了0~2π之間91%的相位調(diào)制，可分辨偏轉(zhuǎn)角度多于700個，響應時間小于200 μs。

隨著對液晶相控陣的進一步研究，研究學者發(fā)現(xiàn)基于空間光調(diào)制器的液晶相控陣有著很高的掃描精度和分辨率，近年來成為激光雷達、通信領域的研究熱點。2015年，美國中佛羅里達大學的Fenglin Peng于利用一種用于硅上液晶（LCOS）相位調(diào)制的低壓聚合物穩(wěn)定藍相液晶，設計了一種新的液晶空間光調(diào)制器結(jié)構(gòu)，使入射光在離開LCOS之前可以通過藍相液晶層4次。當控制驅(qū)動電壓在0~24 V范圍內(nèi)變化時，實現(xiàn)了約為3 ms的響應時間和2π的相位調(diào)制，有效降低了驅(qū)動電壓值。

2017年，美國SLM公司在光學西部會議上展出了最新的純相位二維液晶空間光調(diào)制器，該調(diào)制器中可控的陣元電極大小為8 μm×8 μm，陣列規(guī)模達到了1080×1 920個，有效通光孔徑為15.36 mm×8.64 mm，每個陣元電極有256個可調(diào)相位等級，液晶空間光調(diào)制器系統(tǒng)可控的波長范圍為420~1700 nm，并且在這個范圍內(nèi)其零級光衍射效率可達到93%，在幀率180 Hz的條件下，液晶空間光調(diào)制器的響應時間為5.6 ms。

2019年，新加坡材料研究與工程研究所的李世強等也介紹了一種基于一維納米天線的透射液晶空間光調(diào)制器，液晶層厚度為1.5 μm，遠小于傳統(tǒng)器件。其光束衍射效率大于35%，可實現(xiàn)0°~11°范圍內(nèi)的光束偏轉(zhuǎn)和877 lp/mm的圖像分辨率，是目前商用液晶空間光調(diào)制器的30倍。

日本濱松公司于2020年研制出了一款耐光強度達400 GW/cm2的液晶空間光調(diào)制器，陣元寬度為12.5 μm，像素陣元為1272×1024個，有效通光孔徑為15.9 mm×12.8 mm。

國內(nèi)研究進展

由于液晶相控陣在掃描精度和分辨率方面的突出優(yōu)勢，國內(nèi)學者開始研究基于空間光調(diào)制器的液晶相控陣的光束偏轉(zhuǎn)性能。2008年，哈爾濱工業(yè)大學的張健等利用向列型液晶分子在不同電場下會在垂直于液晶層方向產(chǎn)生不同的排列方式特性，研制出了1024個驅(qū)動電極的透射式空間光調(diào)制器，通過FPGA作為驅(qū)動電路，實現(xiàn)了最大偏轉(zhuǎn)角度為34.931 mrad、60個角度的可編程光束偏轉(zhuǎn)掃描。

2011年，電子科技大學的孫洋東通過深入分析液晶光學相控陣的模型和控制方法，研制出了規(guī)模為1920陣元、陣元寬度為5 μm的一維透射式液晶相控陣，對1.064 μm激光實現(xiàn)了4°范圍內(nèi)的連續(xù)掃描，并完成了國內(nèi)第一臺基于液晶光學相控陣的激光成像雷達樣機研制。

電子科技大學的汪相如等又于2016年通過將低壓驅(qū)動液晶材料用作相位延遲介質(zhì)的方法，研制出了一款新型的液晶空間光調(diào)制器，該器件的陣列大小為10 mm×10 mm，可控陣元電極為1×1920，對1.064 μm激光實現(xiàn)了4°范圍內(nèi)的連續(xù)光束掃描，完成了液晶空間光調(diào)制器實時、任意的波束形成和波束指向。

液晶微透鏡陣列

液晶微透鏡陣列（LCMLA）由3個透鏡陣列組成，如圖16所示，第一層的后焦面與第三層的前焦面重合，第二層的陣列起縮束作用，以保證第一層陣列的出射光全部進入到第三層。

圖16 液晶微透鏡陣列原理圖

國外研究進展

國外學者在光學微透鏡的啟發(fā)下發(fā)現(xiàn)液晶微透鏡無需進行鏡面的運動，只需操縱液晶分子指向矢即可產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。1989年，美國麻省理工學院林肯實驗室最早提出利用微透鏡陣列實現(xiàn)光束掃描的技術方案。同年，William和Michael等利用微透鏡陣列平移的敏捷光束轉(zhuǎn)向，研制了一種基于伽利略結(jié)構(gòu)的微透鏡陣列掃描器，微透鏡陣列的顯微照片如圖17所示，其中單個微透鏡為200 μm，密度為3000個/cm2。在兩組微透鏡陣列間的相對位移為100 μm時，對波長為632.8 nm的入射光實現(xiàn)了11°的光束偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向。

圖17 微透鏡陣列顯微圖

2002年，美國空軍實驗研究室的Waston等采用優(yōu)化開普勒結(jié)構(gòu)的微透鏡陣列技術，利用級聯(lián)偏心微透鏡陣列只需要小的運動便可產(chǎn)生大的角度偏轉(zhuǎn)這一優(yōu)點，實現(xiàn)了視場為36.8°的大角度掃描，在24°視場內(nèi)能量利用率達到80%，如圖18所示，但由于色散等原因，其掃描分辨率未達到理論上的衍射極限。他們又對不同排列順序的液晶微透鏡陣列進行分析，并進行性能上的討論。針對液晶偏心微透鏡陣列光束轉(zhuǎn)向裝置效率低下的問題，該實驗室的Lei Shi于2010年正式利用液晶作為移相器件研制了微透鏡陣列掃描器，其通過鏡面對稱校正和相位上升校正等修改透鏡相位輪廓的方法，大大提高了微透鏡陣列的性能，在552 nm的入射光條件下，實現(xiàn)了1.008°的光束偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)效率達到94.4%。

圖18 優(yōu)化開普勒結(jié)構(gòu)的微透鏡陣列技術實現(xiàn)的掃描光斑

后來，研究學者發(fā)現(xiàn)使用電控液晶微透鏡陣列能夠利用電壓改變分子指向矢的方向，較傳統(tǒng)方法更加簡便，并開始對電控電極進行研究。2014年，肯特州立大學的Li等也提出了一種同心圓環(huán)電極液晶微透鏡，以此來提高液晶微透鏡的高質(zhì)量性能，該同心圓環(huán)電極可以很好地對相位輪廓進行控制。該液晶微透鏡具有33個同心圓環(huán)電極以及2.4 mm的直徑，可以盡可能減小因為電極間隔過大而導致的成像質(zhì)量和衍射效率下降。比利時根特大學的Beekcman等于2018年提出了一種只需要一次光刻的圓環(huán)電極液晶微透鏡，其在電極上方增加了一層高介電常數(shù)的介電層，該介電層屬于低電導層，沒有電流流通，不會導致能量耗散，并且可以極大地平滑邊緣場。此外，電極之間的間隔可以增大，在相同電極數(shù)的情況下，可以增加透鏡的孔徑，實現(xiàn)更大的偏轉(zhuǎn)范圍。

國內(nèi)研究進展

我國對微透鏡陣列也是以光學式透鏡系統(tǒng)為背景進行研究的。2001年，中國科學院光電技術研究所的周崇喜等為解決激光二維掃描的設計優(yōu)化問題，采用光束利用率高、驅(qū)動行程大的非對等聚焦微透鏡陣列對，在632.8 nm波長下實現(xiàn)了15°的掃描視場角。

2007年，華中科技大學的董珊等基于伽利略結(jié)構(gòu)研制了以壓電陶瓷作為驅(qū)動器的微透鏡陣列掃描器，在可見光和紅外波段，視場角可達6.6°，掃描頻率可達200 Hz。

2018年，天津大學的謝洪波等研制了收發(fā)一體且可以連續(xù)掃描的微透鏡陣列，其通過使入射和出射端口的微單元光孔徑相等，從而實現(xiàn)收發(fā)共用，在1064 nm條件下實現(xiàn)了20°的掃描視場角。

近年來，國內(nèi)學者也開始對微透鏡陣列的電控電極進行探究。2019年，華中科技大學的Mingce Chen等設計了一種非均勻微線圈電極的液晶圓柱微透鏡陣列，相比傳統(tǒng)石英固體柱形透鏡，可以通過非宏觀運動的電控焦距的變化來實現(xiàn)光束集中或偏轉(zhuǎn)。

此外，為了提高液晶微透鏡的聚焦能力，將三角棱鏡的高介電層和旋涂形成的低介電層組成復合介電層來設計一種新型的雙層液晶透鏡，如圖19所示。通過實驗驗證得到，相比單介電層10.7 V的施加電壓，對復合介電層施加電壓3.3 V時就可以得到近似拋物線型的折射率分布?？烧{(diào)焦距范圍可從1.7827 mm到無限遠，上升時間和下降時間分別為0.9 s和0.32 s。

圖19 復合介電層雙層液晶透鏡結(jié)構(gòu)圖

2021年，中國科學院光電技術研究所的楊旭等將微透鏡陣列和自適應光纖準直器結(jié)合應用起來，通過改變自適應光纖準直器在準直透鏡焦平面光纖端頭的位置以及光纖端頭和微透鏡陣列的相對位移，分別實現(xiàn)了入射光的偏轉(zhuǎn)和大角度掃描，如圖20所示，實驗最終實現(xiàn)了掃描視場角為10°的衍射極限分辨率連續(xù)尋址掃描。

圖20 連續(xù)尋址掃描原理圖

液晶偏振光柵

液晶偏振光柵（LCPG）原理為入射光通過起偏器形成左旋光和右旋光，再經(jīng)過其LCPG實現(xiàn)對兩個不同方向的光束偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)光路如圖21所示。

圖21 液晶偏振光柵原理圖

國外研究進展

美國最先開始研究基于液晶偏振光柵的非機械式光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)。2008年，北卡羅來納州立大學的Kim等為實現(xiàn)分辨率為1.25°、角度范圍為±30°的大角度光束偏轉(zhuǎn)，設計了多個液晶偏振光柵與液晶半波可變延遲器相結(jié)合的光束偏轉(zhuǎn)技術，實現(xiàn)了?15°~+15°范圍、角度分辨率為5°的光束離散掃描，掃描效果如圖22所示。在此基礎上，通過減少每一級光學器件數(shù)的方法實現(xiàn)了偏轉(zhuǎn)角為52°、62°、80°的準連續(xù)偏轉(zhuǎn)，并極大地提高了系統(tǒng)的偏轉(zhuǎn)效率，在偏轉(zhuǎn)角度為52°時，偏轉(zhuǎn)效率約為80%。為進一步增大最大準偏轉(zhuǎn)角度，該團隊采用液晶半波板和被動式液晶相結(jié)合的方法，又設計了一種基于聚合物液晶偏振光柵的大角度光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，對波長為1064 nm的入射光實現(xiàn)了分辨率為2.6°、角度為±80°的光束偏轉(zhuǎn)效果。針對角分辨率低的問題，超二進制粗偏設計方法被應用于基于聚合物液晶偏振光柵中，在波長為1550 nm的入射光條件下，分辨率實現(xiàn)了8°，光束偏轉(zhuǎn)角達到了65°。

圖22 大角度光束掃描效果圖

大口徑光學技術有著高定向、高分辨率和大視場等優(yōu)點，但應用于機械式的光學轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有著較多問題，大口徑導致機械式系統(tǒng)的體積和質(zhì)量大，需要相當大的功率實現(xiàn)寬視場下的高精度性能，而液晶偏振光柵技術為制造出大口徑系統(tǒng)所需的尺寸提供了可能。2016年，美國博爾德非線性系統(tǒng)公司的Steven等利用多層液晶偏振光柵級聯(lián)的方式，采用固體膜液晶偏振光柵與液晶開關交錯的幾何序列結(jié)構(gòu)，最終實現(xiàn)了較小口徑（<10 cm）的角度分辨率為3.2°、掃描范圍為64°×64°的寬視場的二維光束離散掃描，衍射效率高于80%。未來其將實現(xiàn)更大口徑（10 cm）的LCPG組件，并集成到大口徑轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中。

在入射角度和波長范圍寬的條件下，利用較薄的投射元件實現(xiàn)高效率的大角度偏轉(zhuǎn)是一種挑戰(zhàn)，目前使用的不同傳輸模式衍射光柵的方法不能很好地權(quán)衡技術難度和性能之間的利弊，針對這一問題，北卡羅來納州立大學的Xiao等于2018年設計了一種液晶聚合物布拉格偏振光柵，其具有亞波長周期，在同一液晶聚合物布拉格光柵單片膜內(nèi)分層了兩個斜面以增加其角響應，在不降低效率的情況下獲得了更大的角帶寬。實驗結(jié)果表明，在532 nm波長下，光柵周期為400 nm的液晶聚合物布拉格偏振光柵具有40°的掃描視場，光譜帶寬可達到200 nm，平均效率可實現(xiàn)76%，是現(xiàn)有技術的2倍多。

國內(nèi)研究進展

我國在液晶偏振光柵方面的研究起步較晚，主要從液晶材料和光柵結(jié)構(gòu)等方面對偏轉(zhuǎn)角度、偏轉(zhuǎn)效率以及響應時間進行了分析。

基于液晶偏振光柵的光束偏轉(zhuǎn)器能夠解決傳統(tǒng)偏轉(zhuǎn)裝置響應速度慢的問題。上海交通大學的黃帥佳利用聚合物網(wǎng)絡液晶制備了液晶光柵，提出了一種基于偏振光柵的光束偏轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)大角度偏轉(zhuǎn)、快響應速度的目標，在632.8 nm入射光下實現(xiàn)了±4°的光束偏轉(zhuǎn)，響應時間提高到亞毫秒量級。中國科學院長春光學精密機械與物理研究所的王啟東等利用光控取向技術和垂直取向技術制備了雙頻液晶偏振光柵，該光柵結(jié)構(gòu)采用雙頻液晶材料，大幅提高了相位調(diào)制量，響應速度達到了亞毫秒量級。

此外，基于液晶偏振光柵的光束偏轉(zhuǎn)器還能夠解決傳統(tǒng)液晶光柵因?qū)⑷肷涔廪D(zhuǎn)為圓偏振光，導致光束偏轉(zhuǎn)效率下降的問題。研究學者提出了兩種方法進行了嘗試：一種是研制了基于周期復合型材料的液晶偏振光柵，該系統(tǒng)通過改變?nèi)肷涔饩€偏振光的偏振方向，將光束偏轉(zhuǎn)至正負一級，偏轉(zhuǎn)效率近100%；另一種是將基于類二值式級聯(lián)方式的液晶偏振光柵和液晶相控陣串聯(lián)，同時兼顧兩者的優(yōu)異特點，研制了一種新型的光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)。在730 nm入射光波長下實現(xiàn)了偏轉(zhuǎn)效率為42%、偏轉(zhuǎn)范圍達±20°、偏轉(zhuǎn)精度為30 μrad的高精度二維光束偏轉(zhuǎn)。

電光偏轉(zhuǎn)技術

電光偏轉(zhuǎn)技術是利用垂直于光束傳播方向的折射率梯度產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)實現(xiàn)的，如圖23所示，設計特殊形狀的電極在晶體內(nèi)部形成梯度電場，通過電光效應在垂直于光束傳播方向上形成梯度折射率分布，光束會向折射率梯度增加的方向偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度可通過外加電壓控制。

圖23 電光偏轉(zhuǎn)原理圖

電光偏轉(zhuǎn)技術可分為兩種：一種是通過設計電極結(jié)構(gòu)使得電光晶體內(nèi)部形成不均勻電場，通過電光效應引起光束偏轉(zhuǎn)，代表性成果包括徐國昌設計的四凹圓形電極（KDP）磷酸二氫鉀晶體電光偏轉(zhuǎn)器[77]以及艾月霞設計的超越曲面電極結(jié)構(gòu)電光偏轉(zhuǎn)器；另一種是日本NTT公司提出的基于空間電荷控制的電光偏轉(zhuǎn)新技術，國外主要研發(fā)單位包括日本NTT公司、美國賓西法尼亞大學，國內(nèi)主要研發(fā)單位包括天津大學、哈爾濱工業(yè)大學以及山東省科學院。這兩種電光偏轉(zhuǎn)技術均是通過在電光晶體內(nèi)部形成梯度電場，只是梯度電場的實現(xiàn)機理不同。基于空間電荷控制的電光偏轉(zhuǎn)技術是目前最熱門的主流研究方向，因此下文將重點對其展開綜述和分析。

國外研究進展

日本NTT公司利用鉭鈮酸鉀（KTN）電光晶體，率先提出了基于空間電荷控制的電光偏轉(zhuǎn)技術，通過向KTN晶體注入自由電子形成梯度電場，利用電光效應在晶體內(nèi)部形成梯度折射率，設計出KTN電光偏轉(zhuǎn)器，在500 V/mm電場、5 mm作用長度的條件下實現(xiàn)了±7.16°的偏轉(zhuǎn)范圍，并進一步指出向晶體內(nèi)注入電子的必要條件是電極和KTN晶體之間歐姆接觸的形成。Nakamura從高斯定律和電流連續(xù)定律給出了基于空間電荷控制的光束偏轉(zhuǎn)模型，但該模型表明，在高頻電場條件下，注入電子不能及時響應電場，導致理論預測的偏轉(zhuǎn)角大于實驗觀測到的偏轉(zhuǎn)角。針對該模型的缺陷，Miyazu指出KTN晶體內(nèi)部的電場分布不是由注入電子造成的，而是存儲在量子阱中電子導致的結(jié)果，基于此得到了一種新穎的光束偏轉(zhuǎn)模型，該模型能夠成功預測高頻電場時的光束偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，并且表明光束偏轉(zhuǎn)的響應速度不受電子遷移率的限制，而是由KTN晶體的電光效應決定的。

隨后，日本NTT公司從增大光束偏轉(zhuǎn)角、提高電子注入效率和提高光斑分辨率方面對KTN光束偏轉(zhuǎn)器進行了完善和產(chǎn)品化。Naganuma通過在KTN晶體的入射面和出射面鍍高反射膜，設計了一種三通結(jié)構(gòu)。在不改變晶體長度的情況下，該結(jié)構(gòu)將通光距離增大了2倍，如圖24所示。實驗測量結(jié)果表明，在晶體長度為6 mm時，該三通結(jié)構(gòu)的最大偏轉(zhuǎn)角是傳統(tǒng)單通結(jié)構(gòu)的3倍。

圖24 KTN晶體偏轉(zhuǎn)器的多通光路結(jié)構(gòu)

光斑質(zhì)量和光斑大小是影響光斑分辨率的主要因素，Naganuma和Sasaki分別從KTN晶體制備和光束整形的角度對提高光斑分辨率進行了分析。由于KTN固有的光學不均勻性的影響，Naganuma指出KTN光束偏轉(zhuǎn)器的光斑質(zhì)量取決于KTN晶體的組分變化，在光束平行于KTN生長方向的條件下，光斑質(zhì)量達到最佳，否則光斑會嚴重退化變形。由于KTN晶體的聚焦效應，光束從KTN晶體出射后會發(fā)散成大光斑光束，導致光束偏轉(zhuǎn)的減小，針對這一問題，Sasaki采用光線追跡的光學仿真方法，通過在KTN晶體前后放置兩個焦距相同的柱面凹透鏡對光束進行整形，提高了光束偏轉(zhuǎn)角，進而改善了光斑分辨率。

電子注入效率直接決定了KTN的光束偏轉(zhuǎn)器性能，主要因素包括電子注入密度和深度。Imai通過測量光束的相位延遲間接表征了注入KTN晶體的電子注入密度和深度，實驗結(jié)果表明陰極附近電子密度最大，由于注入電子引起的屏蔽效應，注入電子密度隨著遠離陰極而逐漸降低，在陽極附近幾乎不存在注入電子，并且注入電場的幅值越大，電子的注入深度越大。為解決注入電荷引起的屏蔽效應降低電場進而阻止電子的進一步注入問題，Sasaki采用405 nm激光照射KTN晶體，增強了KTN晶體的電子輸運，提高了KTN晶體內(nèi)自由載流子密度，以此機理研制出了一種高穩(wěn)定性的KTN電光偏轉(zhuǎn)器。在405 nm光的照射下，電流增加，迅速產(chǎn)生了穩(wěn)定的折射率變化，從而引起偏轉(zhuǎn)。偏轉(zhuǎn)角度在幾十秒內(nèi)達到160 mrad，并持續(xù)了高達3000 h。

溫度效應是影響KTN光束偏轉(zhuǎn)器偏轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的重要因素，KTN晶體工作在居里溫度附近時的介電常數(shù)會達到最大，偏轉(zhuǎn)性能也會達到最好。2019年，Tatsumi等于針對傳統(tǒng)熱控制方法存在導熱效率低進而影響光束偏轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的問題，設計了一種雙熱敏電阻結(jié)構(gòu)進行溫度控制的新方案。在上下電極塊各使用一塊熱敏電阻，并將其串聯(lián)連接，通過一個Peltier模塊進行溫度監(jiān)測控制，從而提高了溫控的精確度，如圖25所示。實驗測量結(jié)果表明，在0 V和177 V的外加電壓施加下，雙熱敏電阻結(jié)構(gòu)對應的偏轉(zhuǎn)角在20 ℃環(huán)境溫度下由于熱效應變化了1.3 mrad；對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，偏轉(zhuǎn)角改變了4.1 mrad，表明雙熱敏電阻結(jié)構(gòu)使得環(huán)境溫度變化對偏轉(zhuǎn)角的影響降低了37%。

圖25 雙熱敏電阻溫度控制結(jié)構(gòu)圖

美國賓夕法尼亞州立大學跟隨日本NTT公司的研究進展，對KTN晶體的光束偏轉(zhuǎn)性能進行了分析。Chao以納秒級別的脈沖電壓源作為驅(qū)動電壓，使用針孔作為指示物，其示意圖如圖26所示。測量偏轉(zhuǎn)的完全響應時間為26 ns，表明基于KTN晶體的電光偏轉(zhuǎn)器件的響應時間受限于外加的驅(qū)動電壓速度，而不是電光效應的響應速度，驗證了納秒量級響應速率的KTN晶體電光偏轉(zhuǎn)器件。

圖26 納秒響應速率的KTN晶體光束偏轉(zhuǎn)裝置示意圖

為減小電荷注入深度受自由電子屏蔽效應的影響，Zhu在日本NTT公司的基礎上，利用藍光光子激發(fā)束縛電子的物理機理，在施加預注入電壓的同時將藍光照射到KTN晶體上，直到注入電流達到穩(wěn)定，提高了電荷注入深度，進而增大了KTN偏轉(zhuǎn)器的孔徑。實驗結(jié)果表明，KTN偏轉(zhuǎn)器在注入深度5 mm處受藍光激發(fā)時的偏轉(zhuǎn)角可由無藍光激發(fā)時的0.7 mrad提高到2.5 mrad。

對于居里溫度附近的KTN晶體，偏置電場能引起KTN晶體的場致相變效應，并使得介電常數(shù)在KTN晶體相變前隨偏置電場的增大而增大。Chang等通過在KTN噴鍍鉑金電極阻止電荷注入，以避免其對偏轉(zhuǎn)角的影響，分析了介電常數(shù)的場致增強效應對光束偏轉(zhuǎn)角的影響。由于場致相變現(xiàn)象僅發(fā)生在居里溫度附近，Chang做了對照實驗：1）將KTN晶體設置在遠離居里溫度，此時介電常數(shù)不隨偏置電場發(fā)生變化，測得此時的光束偏轉(zhuǎn)角為2.4 mrad；2）將KTN晶體設置在居里溫度以上2 ℃，此時介電常數(shù)隨著偏置電場的增大迅速增大，測得此時的光束偏轉(zhuǎn)角提升到7.2 mrad。Chang將這種介電常數(shù)的場致增強效應歸因為電場增強的PNR偶極矩，但根據(jù)介電常數(shù)響應偏置電場的頻率相關性，介電常數(shù)的強場致增強效應僅發(fā)生在PNR與電場發(fā)生共振的特定頻率處。

為進一步理解電場強度和介電常數(shù)在KTN晶體內(nèi)的分布，Chang從理論上通過修正Curie-Weiss（CW）定律，對光束偏轉(zhuǎn)角和電場、介電常數(shù)的關系進行了推導建模，從實驗上通過改變光束照射在KTN晶體上的位置，利用圖27所示的光路測量了光束偏轉(zhuǎn)角隨光束位置到陰極距離的變化規(guī)律。根據(jù)模型，通過光束偏轉(zhuǎn)角計算出電場和介電常數(shù)隨位置的變化規(guī)律。

圖27 光束偏轉(zhuǎn)驗證電場分布結(jié)構(gòu)圖

提高自由電子的注入密度和深度已被廣泛認為是提高偏轉(zhuǎn)性能的有效方法，傳統(tǒng)上自由電子通過外加偏置電場或低頻交變電場實現(xiàn)注入，但自由電子的電荷屏蔽效應限制了電子的注入深度和密度，限制了KTN晶體偏轉(zhuǎn)角度和孔徑，針對這一問題，Chang提出了一種利用局部紫外光照射來實現(xiàn)電子和空穴同時注入的新方法，如圖28所示。對陽極進行紫外線照射，陰極使用黑色膠帶遮擋，激發(fā)空穴注入，通過外加電壓激發(fā)電子注入，從而實現(xiàn)兩種載流子的同時注入。實驗表明，這種雙載流子注入的新方法比傳統(tǒng)只注入電子的方法提高了270%的偏轉(zhuǎn)范圍，并具有雙向偏轉(zhuǎn)能力。

圖28 電子空穴注入示意圖。（a） 紫外線照射的KTN光束偏轉(zhuǎn)示意圖；（b） 沿X軸方向的能帶圖

KTN晶體在生長過程中會在生長方向形成Nb組分梯度分布，由于KTN晶體的居里溫度受Nb濃度調(diào)控，根據(jù)介電常數(shù)與溫度的變化規(guī)律，在相同溫度條件下KTN晶體的介電常數(shù)在不同位置會存在差異，這種組分梯度造成的介電常數(shù)梯度分布同樣會引起光束的偏轉(zhuǎn)行為。利用Nb的組分梯度分布，Lee等提出了一種具有溫度梯度的KTN光束偏轉(zhuǎn)器件。根據(jù)KTN晶體生長工藝造成Ta/Nb成分梯度的固有特性，通過測量Ta/Nb濃度比來得到Z軸上不同位置的居里溫度，控制溫度使得沿Z軸的各個位置能夠在介電常數(shù)最高的條件下工作，如圖29所示。實驗測量表明，在波長632.8 nm的入射光和32 ℃均勻溫度條件下，施加1400 V外加電場能夠?qū)崿F(xiàn)8.8 mrad的偏轉(zhuǎn)角度；而同等條件下使用具有溫度梯度控制的KTN偏轉(zhuǎn)器能夠?qū)崿F(xiàn)24 mrad的最大偏轉(zhuǎn)。

圖29 沿Z軸0 mm、5 mm和10 mm處的KTN晶體居里溫度分布

國內(nèi)研究進展

我國的電光晶體偏轉(zhuǎn)研究起步較晚。山東省科學院的王旭平團隊率先開展了對KTN晶體偏轉(zhuǎn)特性的研究。2008年，王旭平利用生長出的KTN晶體實現(xiàn)了電控光束偏轉(zhuǎn)，生長的KTN晶體大小為6 mm×12 mm×1 mm，居里溫度為20 ℃，在電場±700 V/mm條件下實現(xiàn)了±105 mrad的偏轉(zhuǎn)角。KTN晶體具有組分梯度，會導致其空間內(nèi)部不同的折射率，從而發(fā)生光束偏轉(zhuǎn)。為研究組分梯度差異對偏轉(zhuǎn)角度的影響機理，該團隊首次研制了具有生長組分梯度特性的KTN晶體，利用電光效應實現(xiàn)了電控光束偏轉(zhuǎn)技術，如圖30所示。對大小為2.8 mm×15 mm×7.5 mm的KTN:Cu晶體進行了光束偏轉(zhuǎn)實驗，在電場±1200 V/mm條件下實現(xiàn)了±50 mrad的偏轉(zhuǎn)角，通過實驗發(fā)現(xiàn)光束的偏轉(zhuǎn)方向與電場方向無關，光束總是朝著Nb組分增大的方向偏轉(zhuǎn)。

圖30 摻雜銅離子的KTN晶體電控光束偏轉(zhuǎn)原理圖

針對影響偏轉(zhuǎn)性能的溫度效應，2017年，哈爾濱工業(yè)大學的王爽對影響電光偏轉(zhuǎn)的溫度因素進行深入研究，通過施加直流電壓激發(fā)晶體熱效應來形成溫場的方法實現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)，在實驗中采用多種結(jié)構(gòu)電極來改變晶體的溫場，得出了雙面電極所形成的溫場可以產(chǎn)生更大的偏轉(zhuǎn)角度，但僅限于一維空間內(nèi)，單面電極所形成的溫場相比雙面電極的偏轉(zhuǎn)角度較小，但可以實現(xiàn)二維空間內(nèi)的偏轉(zhuǎn)。

針對電光光束調(diào)制器件需要較高驅(qū)動電壓才能實現(xiàn)大偏轉(zhuǎn)角度的問題，暨南大學的田富鵬于2018年提出了一種基于微結(jié)構(gòu)電極鈮酸鋰波導的電光偏轉(zhuǎn)方案，如圖31所示。其將鈮酸鋰波導芯層設計為喇叭狀結(jié)構(gòu)，將鋸齒電極設計為等腰三角形結(jié)構(gòu)嵌入到波導結(jié)構(gòu)中，有效增加了光場和電場作用的接觸面積，在外電壓作用下，鈮酸鋰波導內(nèi)部折射率呈棱鏡式分布，從而達到橫向偏轉(zhuǎn)的目的。該偏轉(zhuǎn)器件可實現(xiàn)低壓偏轉(zhuǎn)（5 V量級），電光實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)的位移可達到0.267 μm/V。

圖31 基于鈮酸鋰波導的電光偏轉(zhuǎn)模式示意圖

近年來，具有離子摻雜特性的KTN晶體在各方面性能優(yōu)于純的KTN晶體，是目前的研究熱點。2019年，天津大學精密儀器與光電子工程學院的呂且妮課題組基于摻雜Mn離子的KTN晶體的光折變效應，利用光強具有線性梯度分布的誘導光束照射KTN晶體，使得晶體內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，形成空間電荷場，改變晶體內(nèi)電場的分布，在施加外電場的作用下，在晶體內(nèi)將形成與內(nèi)電場分布相對應的折射率變化，從而實現(xiàn)入射光的偏轉(zhuǎn)。實驗測量表明，在外加電壓700 V、通光長度1.2 mm的條件下，這種基于“等效棱鏡”的電控光束偏轉(zhuǎn)技術實現(xiàn)了12.38 mrad的較大偏轉(zhuǎn)角度。

倍頻光束偏轉(zhuǎn)也被指出可應用于某些電光晶體偏轉(zhuǎn)，哈爾濱工業(yè)大學的邢博涵針對鈮酸鋰晶體的Maker條紋進行了研究，Maker條紋是由二次極化后的自由波和束縛波相互干涉產(chǎn)生的，通過繞晶體光軸旋轉(zhuǎn)來改變基頻光入射角度，利用電光效應來改變束縛波和自由波的干涉情況，改變外加電場，倍頻光斑的位置會發(fā)生移動，從而實現(xiàn)倍頻光束偏轉(zhuǎn)。通過實驗，在電壓為2500 V時，得到最大偏轉(zhuǎn)角度0.489°，響應時間為0.2 ms，該方法無需過高的生長工藝和電荷注入技術，易于實現(xiàn)，同時也為可控光強調(diào)制領域的應用提供了一種新的思路，但由于其基于線性電光效應實現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)，相比利用二次電光效應的KTN晶體，在偏轉(zhuǎn)能力上仍有較大的差距。

各類偏轉(zhuǎn)技術性能特點及發(fā)展趨勢分析

掃描振鏡

振鏡式掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、掃描精度高、速度快、成本相對較低，但存在工作范圍有限、枕形失真、振鏡磨損等問題。

對于二維振鏡和更高維度的振鏡掃描技術，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為復雜，在實際應用時會出現(xiàn)調(diào)向誤差，需要對誤差具有很好的矯正手段。未來可以考慮使用變結(jié)構(gòu)控制技術和粗細兩級復合軸控制技術加以輔助來抑制殘差，在空間環(huán)境良好、工作周期較短的衛(wèi)星星座中應用，最大效益地實現(xiàn)高精度捕跟掃描。此外，激光通信中一般激光器功率會很大，選擇更高反射率的振鏡鏡面材料以減小表面損傷也是未來需解決的問題。

快速控制反射鏡

快速控制反射鏡具有定位精度高、角度分辨率高、響應速度快、體積小巧等優(yōu)點，在多種光機電系統(tǒng)中應用廣泛，而且柔性支撐結(jié)構(gòu)也減小了機械摩擦，但在實際應用中需要與大慣量機架結(jié)構(gòu)相結(jié)合，會導致一定的光軸誤差。

目前，一方面國內(nèi)該領域的研究主要集中在快速反射鏡的結(jié)構(gòu)仿真和系統(tǒng)控制上，在開發(fā)研制新型反射鏡上進展緩慢，這也與其需要不斷的迭代驗證、研發(fā)成本高有關。因此，開發(fā)一種聯(lián)合仿真系統(tǒng)，使得通過調(diào)整系統(tǒng)中的某些參數(shù)就可以模擬實物驗證，從而大大縮短研制周期，更快找到高性能的快速反射鏡參數(shù)，提高優(yōu)化效率是未來需要探究的。另一方面，空間環(huán)境中存在的熱擾動和基礎振動，在進行高精度光束指向時會造成其光軸畸變和抖動，目前已有的方法是使用邁克爾遜干涉儀和快速控制反射鏡組成的光束指向?qū)氏到y(tǒng)來彌補光軸誤差這一問題。但該方法處理動態(tài)測量誤差準確度較低，加強動態(tài)測量誤差精度以能夠?qū)崟r補償誤差是后續(xù)應解決的問題。

微機電系統(tǒng)變形鏡

微機電系統(tǒng)變形鏡具有單元密度高、響應時間短、功耗低、成本低、集成電路兼容性好等優(yōu)點，在成像領域應用更為廣泛，但其也存在掃描速度慢、光能利用率低，雜散光較多等問題。近年來開始進行變形鏡更多單元執(zhí)行器的研制，以待增加波前行程和獲得更高的幀速率；同時，更多執(zhí)行器的變形鏡會導致產(chǎn)生更大的機械應力，選擇更加輕型、硬度更低的基底材料是未來的發(fā)展方向。

聲光偏轉(zhuǎn)技術

聲光偏轉(zhuǎn)器件具有體積小、質(zhì)量輕、驅(qū)動功率小、衍射效率高的優(yōu)點，同時聲光偏轉(zhuǎn)技術還具有實時并行處理能力，以及時間帶寬大、易于與計算機兼容和進行自動化控制等優(yōu)點。但也存在以下短板：大部分衍射光為1級衍射光，導致聲光偏轉(zhuǎn)器件在大角度偏轉(zhuǎn)范圍上有著明顯不足，偏轉(zhuǎn)精度較低，較難實現(xiàn)對光束的精細調(diào)控，分辨率較低，在高速掃描下會出現(xiàn)“啁啾效應”。

通過使用超聲跟蹤以及單晶多頻等方式可以提高有效帶寬，從而解決分辨率低的問題，針對“啁啾效應”，在偏轉(zhuǎn)器后外加一個柱面透鏡可以消除其影響。目前對入射聲波頻率的研究很多，并對提高超聲波入射下聲光偏轉(zhuǎn)器的衍射效率和頻率響應性能這一問題進行了不同方法的實驗改進，而很少對提高偏轉(zhuǎn)角度這一性能進行分析。未來可考慮通過可控聲波矢技術來改變聲波入射方向，從而擴大其偏轉(zhuǎn)掃描角度。關于聲光偏轉(zhuǎn)器偏轉(zhuǎn)性能的其他指標，包括帶寬性能、抗靜電能力、熱穩(wěn)定能力，也是目前所關注的研究熱點。

液晶偏轉(zhuǎn)技術

液晶相控陣

LCOPA具有高功率、低電壓驅(qū)動等優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)靈巧、無機械慣性的高精度光束偏轉(zhuǎn)，但其存在響應時間過長、工作譜寬較短等缺點。另外，較小的偏轉(zhuǎn)角也限制了LCOPA的應用范圍，需要配合角度放大裝置來實現(xiàn)更大的偏轉(zhuǎn)角，但受角度放大裝置有效孔徑、走離角等因素制約，目前角度放大裝置很難實現(xiàn)更高的角度放大倍數(shù)。同時，液晶相控陣在工作時會存在多級衍射級次，再加上非線性關聯(lián)效應的影響，導致LCOPA的偏轉(zhuǎn)效率降低。

液晶微透鏡陣列

與LCOPA相比，LCMLA具有更大的偏轉(zhuǎn)角，并且無光學回程區(qū)的影響，偏轉(zhuǎn)效率更高；受液晶材料內(nèi)的LC分子排列變化時間的影響，LCMLA所需的光程差相較LCOPA更小，在厚度方面可以做的更小，因此LCMLA比LCOPA有著更小的響應時間。但LCMLA要實現(xiàn)光束連續(xù)偏轉(zhuǎn)掃描，還需要和一些精細角度偏轉(zhuǎn)器件結(jié)合使用，增加了應用實現(xiàn)的復雜度，而且LCMLA由多層透鏡陣列組成，系統(tǒng)的穩(wěn)定性要比LCOPA更差。LCMLA是通過改變出射光的主級大衍射級來實現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)的，微透鏡陣列的空間相干性影響其分辨率，這要求微透鏡的尺寸有著極小的誤差，是目前亟待解決的一大難題。

液晶偏振光柵

LCPG未受電場邊緣效應的影響，具有分辨率高、可編程控制、輕便靈活、偏轉(zhuǎn)范圍大、效率高等優(yōu)點。相對于前面兩種液晶偏轉(zhuǎn)類型，LCPG具有很多優(yōu)勢，LCPG只需產(chǎn)生等效半波片的光程差，所需的液晶層厚度更薄，從而使其響應時間更快，同時也沒有相位回置造成的光學回程的影響，另外還可以實現(xiàn)寬光譜工作。但單個LCPG很難同時實現(xiàn)多角度和大視場的指標要求，而多層級聯(lián)的LCPG對制備工藝以及系統(tǒng)穩(wěn)定性要求很高。

傳統(tǒng)的LCOPA輕便靈活，可以實現(xiàn)小角度范圍內(nèi)的精細偏轉(zhuǎn)，系統(tǒng)復雜度較為簡單，制備工藝相對成熟，但受到相位回置造成的光學回程區(qū)的影響，偏轉(zhuǎn)效率、響應時間等指標存在明顯不足，仍需不斷提高和發(fā)展。LCMLA與LCPG則沒有光學回程區(qū)的影響，在偏轉(zhuǎn)效率上有著很大提高，但都需要配備精細角度偏轉(zhuǎn)器件來實現(xiàn)光束的準連續(xù)偏轉(zhuǎn)掃描，而且在最大偏轉(zhuǎn)角的實現(xiàn)上都使用了多級串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，這就會導致系統(tǒng)尺寸過長，穩(wěn)定性相對較差。LCPG相比于LCOPA和LCMLA，除了具有偏轉(zhuǎn)角度大、偏轉(zhuǎn)效率高的特點，還具有寬頻譜工作的獨特優(yōu)勢，但其只能實現(xiàn)角度間隔較大的光束偏轉(zhuǎn)掃描。

目前，液晶偏轉(zhuǎn)技術在非機械式偏轉(zhuǎn)研究最廣，但在非偏振光條件下，實現(xiàn)大角度、高效率等存在顯著局限性，為解決該問題，可對設備架構(gòu)和材料類型進行思考；在使用液晶偏振光柵器件時，大角度偏轉(zhuǎn)時難以實現(xiàn)連續(xù)角度的偏轉(zhuǎn)，這些是未來需要解決的問題。

電光偏轉(zhuǎn)技術

基于電光晶體的光束偏轉(zhuǎn)器與其他技術相比具有任意偏轉(zhuǎn)角、體積小、響應速度快、靈敏度高等優(yōu)點，但存在分辨率較低的問題。近年來，國內(nèi)外報道了具有二次電光效應的電光材料，如鈮酸鋰、鈦酸鋇等，相比線性電光效應的晶體，其在響應速度、偏轉(zhuǎn)電壓等性能方面更加優(yōu)越。其中，KTN晶體最具有代表性，KTN晶體是現(xiàn)有已知具有最大二次電光效應的晶體，具有介電常數(shù)大、介質(zhì)損耗低、鐵電壓電性明顯和非線性光學性能優(yōu)異等突出特點，在光束偏轉(zhuǎn)領域有著非常廣泛的應用前景。目前，國外日本NTT公司、美國賓夕法尼亞大學，以及國內(nèi)的哈爾濱工業(yè)大學、南開大學以及山東省科學院等對KTN晶體的偏轉(zhuǎn)特性做了大量研究。NTT公司和賓夕法尼亞大學主要研究了基于空間電荷注入的KTN晶體光束偏轉(zhuǎn)技術；山東省科學院主要研究了KTN晶體的組分梯度誘導的光束偏轉(zhuǎn)技術；哈爾濱工業(yè)大學等主要對KTN晶體光束偏轉(zhuǎn)器的電極結(jié)構(gòu)、工作溫度等工程問題進行了研究?，F(xiàn)存在以下問題：在晶體生長的方面難以實現(xiàn)高光學均勻性，難以滿足實際應用需求；在居里溫度附近應用需要具有精確的溫度控制手段；對空間電荷注入機制、居里溫度下的極性納米區(qū)，對光束偏轉(zhuǎn)的調(diào)控機理等科學問題尚需進一步研究。

為了更直觀地展示各偏轉(zhuǎn)技術的優(yōu)劣，對其進行了比較分析，如表1所示。

表1 光束偏轉(zhuǎn)技術對比

結(jié)束語

文中對非機械式、機械式兩大類六種光束偏轉(zhuǎn)技術進行了綜述，總結(jié)了不同技術的工作原理、國內(nèi)外研究進展以及發(fā)展趨勢和性能特點，結(jié)論如下：常用的機械式微機電變形鏡、快速反射鏡和掃描振鏡通過機械方式改變發(fā)射光軸方向，其精度可達到微弧度量級，偏轉(zhuǎn)角度可達幾十弧度，在醫(yī)學等領域應用前景廣泛。但存在結(jié)構(gòu)復雜、體積笨重、能耗高等問題，由于自適應光學系統(tǒng)具有體積大的特點，目前國內(nèi)外微機電系統(tǒng)變形鏡主要應用于成像領域，在光束偏轉(zhuǎn)領域很難滿足星載環(huán)境對小型化、輕量化的高要求；聲光偏轉(zhuǎn)器具較大的工作帶寬，但難以滿足微弧度量級的偏轉(zhuǎn)精度，且對入射光波長、角度和能量均有較高要求能量損耗較大；液晶相控陣、微透鏡陣列等方法功耗小、驅(qū)動電壓低，但其響應速度慢，非連續(xù)角偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度大但大角度時偏轉(zhuǎn)效率低，難以實現(xiàn)大帶寬傳輸?shù)娜蝿招枨?；基于電光晶體的光束偏轉(zhuǎn)器與其他技術相比具有任意偏轉(zhuǎn)角、體積小、響應速度快、靈敏度高等優(yōu)點，被認為最適合于實現(xiàn)高速光偏轉(zhuǎn)技術的主導方向之一。而在各類電光材料中，基于KTN晶體的電光偏轉(zhuǎn)器具有大角度偏轉(zhuǎn)、快響應速度、高偏轉(zhuǎn)效率、高偏轉(zhuǎn)精度、寬帶寬工作等優(yōu)點，在空間光通信等領域應用更有潛力，成為世界各國的研究熱點。之后的工作一方面要對KTN晶體的生長特性條件進行分析研究，生長出組分均勻、形狀規(guī)則的高質(zhì)量晶體；另一方面還要逐漸向KTN晶體微觀偏轉(zhuǎn)機理方面研究，這具有很重要的現(xiàn)實意義。

審核編輯：劉清