據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近期，航天工程大學(xué)電子與光學(xué)工程系的科研團(tuán)隊(duì)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(shù)研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)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(jī)械式和非機(jī)械式六類(lèi)光束偏轉(zhuǎn)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，根據(jù)不同技術(shù)的偏轉(zhuǎn)特性，從關(guān)鍵指標(biāo)方面比較分析了各類(lèi)光束偏轉(zhuǎn)技術(shù)的特點(diǎn)，并從空間應(yīng)用性能需求的角度給出了發(fā)展趨勢(shì)，展望了電光偏轉(zhuǎn)技術(shù)在空間光通信領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景，為下一步的研究工作指明了方向。

機(jī)械式光束偏轉(zhuǎn)技術(shù)

掃描振鏡

技術(shù)最為成熟的機(jī)械式光束偏轉(zhuǎn)器件為掃描振鏡，其本質(zhì)是一個(gè)步進(jìn)響應(yīng)時(shí)間可達(dá)毫秒/亞毫秒級(jí)、指向精度為微弧度量級(jí)的光反射鏡，如圖1所示。掃描振鏡結(jié)構(gòu)主要由兩個(gè)相互垂直的反射鏡構(gòu)成。

機(jī)械式光束偏轉(zhuǎn)技術(shù)類(lèi)型有掃描振鏡，其已在偏轉(zhuǎn)角度方面達(dá)到卓越的性能標(biāo)準(zhǔn)，例如美國(guó)THORLABS公司推出的XG210系列掃描振鏡，其偏轉(zhuǎn)角度可達(dá)±20°。目前，國(guó)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(lái)提升其性能。

圖1 掃描振鏡示意圖

國(guó)外研究進(jìn)展

在提高偏轉(zhuǎn)速度方面，法國(guó)ALPhANOV激光與光學(xué)技術(shù)中心的Mincuzzi等人針對(duì)傳統(tǒng)長(zhǎng)脈沖激光較強(qiáng)的熱效應(yīng)會(huì)損傷振鏡材料表面這一問(wèn)題，利用飛秒短脈沖激光和多邊形掃描頭，在降低熱效應(yīng)的同時(shí)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(dá)30 m/s。這一技術(shù)在切割和加工方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

為提高偏轉(zhuǎn)精度和效率，該團(tuán)隊(duì)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(shù)對(duì)于高質(zhì)量加工制造方面有著重要的意義，未來(lái)有望用于星載信息的高效傳輸。

針對(duì)傳統(tǒng)振鏡變化導(dǎo)致掃描質(zhì)量下降的缺陷，該團(tuán)隊(duì)采用了按需脈沖技術(shù)（POD）的飛秒激光，可以在所需的位置和時(shí)間進(jìn)行精確的激光觸發(fā)，通過(guò)改進(jìn)傳統(tǒng)振鏡掃描方式，脈沖位置精度可達(dá)微米級(jí)以下，掃描時(shí)間比傳統(tǒng)掃描縮小了40%。

國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究主要集中于基于掃描振鏡的子系統(tǒng)搭建。上海科技大學(xué)范娜娜等人于2020年使用二維掃描振鏡搭建了激光雷達(dá)的發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)部分，利用其大視場(chǎng)掃描的特點(diǎn)，提高了激光雷達(dá)的探測(cè)距離和視場(chǎng)角，實(shí)驗(yàn)得出最大探測(cè)距離為45 m，全視場(chǎng)角為40°×10°。

2022年，成都電子科技大學(xué)胥守振等人將聲學(xué)掃描振鏡應(yīng)用于一種超聲/光聲雙模態(tài)成像系統(tǒng)的信號(hào)掃描收集子系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有小成本、小尺寸的優(yōu)點(diǎn)，并在兼顧掃描成像速度的同時(shí)獲得成像結(jié)果的結(jié)構(gòu)性信息和高對(duì)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(jī)驅(qū)動(dòng)內(nèi)外框架進(jìn)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(duì)于轉(zhuǎn)角范圍較小的，采用壓電陶瓷，對(duì)于轉(zhuǎn)角范圍較大的，采用音圈電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)鉸鏈變形，帶動(dòng)整個(gè)鏡架實(shí)現(xiàn)無(wú)摩擦運(yùn)動(dòng)，使鏡面快速旋轉(zhuǎn)，實(shí)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(guó)外研究進(jìn)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(guó)外學(xué)者開(kāi)始研究的方向。為了實(shí)現(xiàn)天基光學(xué)系統(tǒng)在高頻段掃描時(shí)的抗干擾性能，美國(guó)麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室的羅尼采用音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shí)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(xué)路徑上的外部機(jī)械干擾，從而能夠在長(zhǎng)距離上捕獲和跟蹤光信號(hào)，林肯實(shí)驗(yàn)室將快速控制反射鏡用于火星激光通信演示計(jì)劃項(xiàng)目中。

Daniel提出了一種高級(jí)快速轉(zhuǎn)向鏡（AFSM），旨在縮小光束指向誤差，同時(shí)克服當(dāng)時(shí)FSM所帶來(lái)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(dòng)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，通過(guò)位置反饋回路進(jìn)行控制，行程范圍為±3.5 mrad，測(cè)量的角加速度為10? rad/s2，通過(guò)光學(xué)反饋和雙通道模擬控制架構(gòu)驗(yàn)證了小信號(hào)帶寬可實(shí)現(xiàn)10 kHz，相比傳統(tǒng)FSM提高了5~10倍。

圖4 高級(jí)快速轉(zhuǎn)向鏡

為滿(mǎn)足多樣化的應(yīng)用需求，學(xué)術(shù)界提出了壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的FSM和電磁驅(qū)動(dòng)的FSM。為減小邁克爾遜干涉儀的波前誤差和P-V誤差，美國(guó)洛克希德馬丁公司的Tapos采用3個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器和厚度為12.7 mm的金屬鈹材質(zhì)做鏡片，實(shí)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(dá)到了400 Hz，角分辨率和重復(fù)精度均達(dá)1 μrad。此外，奧地利維也納工業(yè)大學(xué)的Ernst通過(guò)調(diào)整每個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)剛度以匹配所需的驅(qū)動(dòng)頻率，并應(yīng)用雙音調(diào)控制器，設(shè)計(jì)了一種能夠利用李薩如曲線的電磁驅(qū)動(dòng)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(shí)際應(yīng)用中的重要指標(biāo)，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室的Willstatter等人研究了熱效應(yīng)對(duì)光束控制鏡角的影響，實(shí)驗(yàn)使用了表面鍍金的音圈FSM，在?40~60 ℃范圍內(nèi)，存在高達(dá)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(shí)，需要在預(yù)期溫度范圍作系統(tǒng)校準(zhǔn)。

國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)學(xué)者主要從提高偏轉(zhuǎn)角度的方面對(duì)FSM進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。采用了壓電陶瓷疊堆驅(qū)動(dòng)器（PCSA）作為驅(qū)動(dòng)器，針對(duì)柔性鉸鏈杠桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)精瞄偏轉(zhuǎn)鏡的最大偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到0.24°，響應(yīng)頻率和偏轉(zhuǎn)精度分別達(dá)到1 kHz和0.22″。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)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(dòng)勻速掃描，并且在200 Hz的掃描頻率下，偏轉(zhuǎn)角度可達(dá)0.5°，連續(xù)掃描時(shí)間長(zhǎng)達(dá)7000 h。基于PCSA的FSM存在偏轉(zhuǎn)角較小的問(wèn)題，重慶大學(xué)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(dòng)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(shí)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(shù)的發(fā)展成熟，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的快速控制反射鏡的動(dòng)態(tài)應(yīng)力是影響指向精度的關(guān)鍵因素，上海海事大學(xué)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(dòng)態(tài)應(yīng)力與驅(qū)動(dòng)電壓頻率、幅值以及柔性鉸鏈抗彎剛度之間的關(guān)系。通過(guò)數(shù)據(jù)優(yōu)化，解決了應(yīng)力集中問(wèn)題，提高了光束指向的可靠性。

微機(jī)電系統(tǒng)變形鏡

微機(jī)電系統(tǒng)變形鏡（MEMS-DM）有電熱型驅(qū)動(dòng)、壓電型驅(qū)動(dòng)、靜電型驅(qū)動(dòng)以及電磁型驅(qū)動(dòng)等多種類(lèi)型，鑒于靜電型驅(qū)動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、能夠在高頻信號(hào)下工作等優(yōu)點(diǎn)，因此多采用靜電力驅(qū)動(dòng)，且多以平板電容方式實(shí)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。通過(guò)對(duì)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(dòng)單元鏡向下運(yùn)動(dòng)，多個(gè)單元鏡獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，最終使整個(gè)變形鏡的鏡面凹凸度不均勻，產(chǎn)生形變。光束經(jīng)過(guò)其表面時(shí)，每個(gè)子單元鏡都能對(duì)光束進(jìn)行相位控制，從而實(shí)現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)。

圖5 微機(jī)電系統(tǒng)變形鏡驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖

國(guó)外研究進(jìn)展

1993年，美國(guó)NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的Miller等提出基于微機(jī)電系統(tǒng)的變形鏡技術(shù)。此后，波士頓大學(xué)的Krishnamoorthy等運(yùn)用表面微加工技術(shù)設(shè)計(jì)出分立和連續(xù)鏡面的變形鏡技術(shù)。2003年，卡耐基梅隆大學(xué)的Xie等研制了一種帶有卷曲鉸鏈?zhǔn)釥铗?qū)動(dòng)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(dòng)電壓下實(shí)現(xiàn)了高達(dá)±4.7°的角度位移。BMC公司的Steven將微機(jī)電變形鏡技術(shù)應(yīng)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(gè)單元元件，最終測(cè)試實(shí)驗(yàn)表明機(jī)械行程為4 μm，帶寬為5 kHz。

傳統(tǒng)靜電力驅(qū)動(dòng)器存在掃描角度相對(duì)小、加工工藝復(fù)雜且昂貴等缺點(diǎn)，加拿大滑鐵盧大學(xué)的Bai等采用SOI晶圓、混合體/表面微加工技術(shù)和高展弦比陰影掩膜的制作工藝，設(shè)計(jì)了一種帶有側(cè)壁電極的靜電驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)大角度偏轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)型掃描微鏡存在的拉入效應(yīng)會(huì)限制光束偏轉(zhuǎn)角度，通過(guò)在微鏡器件中添加基座和懸架梁，并利用兩塊電極驅(qū)動(dòng)微鏡偏轉(zhuǎn)，在偏轉(zhuǎn)過(guò)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(shí)現(xiàn)了11.4°的最大偏轉(zhuǎn)角度。

圖7 靜電驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)微鏡原理圖

國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

我國(guó)在2000年之后才開(kāi)始進(jìn)行微機(jī)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(guó)科學(xué)院成都光電技術(shù)研究中心研制了一種非正交轉(zhuǎn)軸二維MEMS傾斜鏡，通過(guò)改變固定在傾斜鏡基底的上、下電極的加電方式實(shí)現(xiàn)傾斜鏡在兩個(gè)非正交軸上的偏轉(zhuǎn)，在低驅(qū)動(dòng)電壓3.5 V下，實(shí)現(xiàn)了繞水平X軸0.16°、繞傾斜Y軸0.03°的偏轉(zhuǎn)。

針對(duì)靜電力驅(qū)動(dòng)MEMS變形鏡在使用時(shí)存在的靜電吸合現(xiàn)象會(huì)損壞器件的問(wèn)題，2012年，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)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(jī)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(guò)近導(dǎo)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(yīng)時(shí)間，在70 V的外加電壓下，實(shí)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(duì)傳統(tǒng)變形鏡體積大、成本高的問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所的汪為民等研制了140單元MEMS變形鏡，其共有140個(gè)間距為400 μm的六邊形平行板電容驅(qū)動(dòng)器，結(jié)構(gòu)如圖8所示。實(shí)驗(yàn)測(cè)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(yīng)時(shí)間為23 μs。

圖8 140單元變形鏡驅(qū)動(dòng)器分布

非機(jī)械式光束偏轉(zhuǎn)技術(shù)

聲光偏轉(zhuǎn)技術(shù)

聲光偏轉(zhuǎn)技術(shù)是將高頻電信號(hào)轉(zhuǎn)化為超聲波，通過(guò)換能器傳遞至工作介質(zhì)，形成一個(gè)光柵，利用光波衍射來(lái)實(shí)現(xiàn)光束的偏轉(zhuǎn)，原理如圖9所示。聲光衍射效應(yīng)按照聲光作用區(qū)長(zhǎng)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(guó)外研究進(jìn)展

俄羅斯科學(xué)院的Antonov所帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)對(duì)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(duì)于總長(zhǎng)度為6 mm的換能器，在入射光波長(zhǎng)為1.06 μm的情況下，工作帶寬可達(dá)到17~48 MHz，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)理論最大值的94%，為后來(lái)研究高性能新型材料的聲光偏轉(zhuǎn)器奠定了基礎(chǔ)。2016年，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)始對(duì)基于準(zhǔn)碲酸鹽晶體的聲光偏轉(zhuǎn)器展開(kāi)研究，該器件具有兩個(gè)連續(xù)聲光單元，這兩個(gè)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(shí)現(xiàn)100%激光的利用率，對(duì)波長(zhǎng)為1.06 μm的入射光，工作帶寬可實(shí)現(xiàn)近32 MHz，光束掃描角可實(shí)現(xiàn)50 mrad，衍射效率不低于70%。2018年，他們又在基于準(zhǔn)碲酸鹽晶體的各向異性雙晶體偏轉(zhuǎn)器的基礎(chǔ)上額外增加了一個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器，如圖10所示，用來(lái)調(diào)整入射光的角度，工作帶寬實(shí)現(xiàn)了32 MHz，光束掃描角度實(shí)現(xiàn)了50 mrad，衍射效率超過(guò)了90%，進(jìn)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(tuán)隊(duì)又轉(zhuǎn)向?qū)ζD(zhuǎn)機(jī)制上的研究。2021年，在研究基于準(zhǔn)碲酸鹽的聲光偏轉(zhuǎn)器的內(nèi)部熱效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)制時(shí)，發(fā)現(xiàn)通過(guò)液體接觸的方法可以很快地進(jìn)行熱量交換，而在此過(guò)程中，晶體的非均勻性被明顯表現(xiàn)出來(lái)。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(xué)密度較大，而在離換能器較遠(yuǎn)的地方密度較小。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)為降低換能器長(zhǎng)度，進(jìn)而擴(kuò)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(lái)大學(xué)的Peled 等為了提高換能器的工作帶寬，通過(guò)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(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)相位的換能器，通過(guò)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(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

針對(duì)聲光偏轉(zhuǎn)器由于頻率帶寬限制而影響偏轉(zhuǎn)性能的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)者也不斷研制改進(jìn)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(kāi)展了初步的理論研究。2000年，長(zhǎng)春郵電學(xué)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(shè)計(jì)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(shù)研究所的何曉亮等根據(jù)聲光偏轉(zhuǎn)器的原理設(shè)計(jì)了應(yīng)用于頻譜分析的高分辨率聲光偏轉(zhuǎn)器，在激光波長(zhǎng)為650 nm的條件下，實(shí)現(xiàn)了帶寬為50 MHz、分辨率為20 kHz、峰值衍射效率達(dá)74%的線偏振光。

針對(duì)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(xué)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(duì)超聲跟蹤技術(shù)進(jìn)行具體研究，與單片結(jié)構(gòu)相比，其相對(duì)換能器長(zhǎng)度提高了34.7%，相對(duì)帶寬提高了9.1%。

近年來(lái)，研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)工作帶寬的提高會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)的衍射效率下降，故開(kāi)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(shù)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(zhǔn)超聲跟蹤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了換能器工作的總長(zhǎng)度，在3 dB下實(shí)現(xiàn)了900 MHz的帶寬，峰值衍射效率為8%，動(dòng)態(tài)掃描角為5.2°。隨后兩人又對(duì)之前的聲光偏轉(zhuǎn)器做出改進(jìn)，改用橫波模式的超聲波，在3 dB下實(shí)現(xiàn)了1040 MHz的帶寬，峰值衍射效率達(dá)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(lái)越薄，換能器在運(yùn)輸和使用中會(huì)累積靜電電荷導(dǎo)致其出現(xiàn)靜電損傷，影響衍射效率。針對(duì)該問(wèn)題，2021年，夏茜等通過(guò)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(guò)8000 V的靜電實(shí)驗(yàn)，表明該設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

液晶偏轉(zhuǎn)技術(shù)

基于液晶材料的光束偏轉(zhuǎn)技術(shù)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(shù)是指通過(guò)電極對(duì)液晶分子施加電壓，由于液晶分子具有電控雙折射效應(yīng)，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(duì)光束波前起到相位調(diào)制作用，實(shí)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(guó)外研究進(jìn)展

1989年，美國(guó)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(tái)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(yàn)證了溫度和光學(xué)誘導(dǎo)重定向?qū)ζ骷阅艿挠绊憽?/p>

2009年，美國(guó)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(shí)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(gè)，響應(yīng)時(shí)間小于200 μs。

隨著對(duì)液晶相控陣的進(jìn)一步研究，研究學(xué)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(lái)成為激光雷達(dá)、通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。2015年，美國(guó)中佛羅里達(dá)大學(xué)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(lán)相液晶，設(shè)計(jì)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(kāi)LCOS之前可以通過(guò)藍(lán)相液晶層4次。當(dāng)控制驅(qū)動(dòng)電壓在0~24 V范圍內(nèi)變化時(shí)，實(shí)現(xiàn)了約為3 ms的響應(yīng)時(shí)間和2π的相位調(diào)制，有效降低了驅(qū)動(dòng)電壓值。

2017年，美國(guó)SLM公司在光學(xué)西部會(huì)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(dá)到了1080×1 920個(gè)，有效通光孔徑為15.36 mm×8.64 mm，每個(gè)陣元電極有256個(gè)可調(diào)相位等級(jí)，液晶空間光調(diào)制器系統(tǒng)可控的波長(zhǎng)范圍為420~1700 nm，并且在這個(gè)范圍內(nèi)其零級(jí)光衍射效率可達(dá)到93%，在幀率180 Hz的條件下，液晶空間光調(diào)制器的響應(yīng)時(shí)間為5.6 ms。

2019年，新加坡材料研究與工程研究所的李世強(qiáng)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(yuǎn)小于傳統(tǒng)器件。其光束衍射效率大于35%，可實(shí)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(qiáng)度達(dá)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(gè)，有效通光孔徑為15.9 mm×12.8 mm。

國(guó)內(nèi)研究進(jìn)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(shì)，國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)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(xué)的張健等利用向列型液晶分子在不同電場(chǎng)下會(huì)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(gè)驅(qū)動(dòng)電極的透射式空間光調(diào)制器，通過(guò)FPGA作為驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)了最大偏轉(zhuǎn)角度為34.931 mrad、60個(gè)角度的可編程光束偏轉(zhuǎn)掃描。

2011年，電子科技大學(xué)的孫洋東通過(guò)深入分析液晶光學(xué)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(duì)1.064 μm激光實(shí)現(xiàn)了4°范圍內(nèi)的連續(xù)掃描，并完成了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)基于液晶光學(xué)相控陣的激光成像雷達(dá)樣機(jī)研制。

電子科技大學(xué)的汪相如等又于2016年通過(guò)將低壓驅(qū)動(dòng)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(duì)1.064 μm激光實(shí)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(shí)時(shí)、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(gè)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(jìn)入到第三層。

圖16 液晶微透鏡陣列原理圖

國(guó)外研究進(jìn)展

國(guó)外學(xué)者在光學(xué)微透鏡的啟發(fā)下發(fā)現(xiàn)液晶微透鏡無(wú)需進(jìn)行鏡面的運(yùn)動(dòng)，只需操縱液晶分子指向矢即可產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。1989年，美國(guó)麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室最早提出利用微透鏡陣列實(shí)現(xiàn)光束掃描的技術(shù)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(gè)微透鏡為200 μm，密度為3000個(gè)/cm2。在兩組微透鏡陣列間的相對(duì)位移為100 μm時(shí)，對(duì)波長(zhǎng)為632.8 nm的入射光實(shí)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(guó)空軍實(shí)驗(yàn)研究室的Waston等采用優(yōu)化開(kāi)普勒結(jié)構(gòu)的微透鏡陣列技術(shù)，利用級(jí)聯(lián)偏心微透鏡陣列只需要小的運(yùn)動(dòng)便可產(chǎn)生大的角度偏轉(zhuǎn)這一優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了視場(chǎng)為36.8°的大角度掃描，在24°視場(chǎng)內(nèi)能量利用率達(dá)到80%，如圖18所示，但由于色散等原因，其掃描分辨率未達(dá)到理論上的衍射極限。他們又對(duì)不同排列順序的液晶微透鏡陣列進(jìn)行分析，并進(jìn)行性能上的討論。針對(duì)液晶偏心微透鏡陣列光束轉(zhuǎn)向裝置效率低下的問(wèn)題，該實(shí)驗(yàn)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(guò)鏡面對(duì)稱(chēng)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(shí)現(xiàn)了1.008°的光束偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)效率達(dá)到94.4%。

圖18 優(yōu)化開(kāi)普勒結(jié)構(gòu)的微透鏡陣列技術(shù)實(shí)現(xiàn)的掃描光斑

后來(lái)，研究學(xué)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(jiǎn)便，并開(kāi)始對(duì)電控電極進(jìn)行研究。2014年，肯特州立大學(xué)的Li等也提出了一種同心圓環(huán)電極液晶微透鏡，以此來(lái)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(duì)相位輪廓進(jìn)行控制。該液晶微透鏡具有33個(gè)同心圓環(huán)電極以及2.4 mm的直徑，可以盡可能減小因?yàn)殡姌O間隔過(guò)大而導(dǎo)致的成像質(zhì)量和衍射效率下降。比利時(shí)根特大學(xué)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(dǎo)層，沒(méi)有電流流通，不會(huì)導(dǎo)致能量耗散，并且可以極大地平滑邊緣場(chǎng)。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(shí)現(xiàn)更大的偏轉(zhuǎn)范圍。

國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

我國(guó)對(duì)微透鏡陣列也是以光學(xué)式透鏡系統(tǒng)為背景進(jìn)行研究的。2001年，中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所的周崇喜等為解決激光二維掃描的設(shè)計(jì)優(yōu)化問(wèn)題，采用光束利用率高、驅(qū)動(dòng)行程大的非對(duì)等聚焦微透鏡陣列對(duì)，在632.8 nm波長(zhǎng)下實(shí)現(xiàn)了15°的掃描視場(chǎng)角。

2007年，華中科技大學(xué)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(dòng)器的微透鏡陣列掃描器，在可見(jiàn)光和紅外波段，視場(chǎng)角可達(dá)6.6°，掃描頻率可達(dá)200 Hz。

2018年，天津大學(xué)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(guò)使入射和出射端口的微單元光孔徑相等，從而實(shí)現(xiàn)收發(fā)共用，在1064 nm條件下實(shí)現(xiàn)了20°的掃描視場(chǎng)角。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者也開(kāi)始對(duì)微透鏡陣列的電控電極進(jìn)行探究。2019年，華中科技大學(xué)的Mingce Chen等設(shè)計(jì)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(guò)非宏觀運(yùn)動(dòng)的電控焦距的變化來(lái)實(shí)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(fù)合介電層來(lái)設(shè)計(jì)一種新型的雙層液晶透鏡，如圖19所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到，相比單介電層10.7 V的施加電壓，對(duì)復(fù)合介電層施加電壓3.3 V時(shí)就可以得到近似拋物線型的折射率分布。可調(diào)焦距范圍可從1.7827 mm到無(wú)限遠(yuǎn)，上升時(shí)間和下降時(shí)間分別為0.9 s和0.32 s。

圖19 復(fù)合介電層雙層液晶透鏡結(jié)構(gòu)圖

2021年，中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所的楊旭等將微透鏡陣列和自適應(yīng)光纖準(zhǔn)直器結(jié)合應(yīng)用起來(lái)，通過(guò)改變自適應(yīng)光纖準(zhǔn)直器在準(zhǔn)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(duì)位移，分別實(shí)現(xiàn)了入射光的偏轉(zhuǎn)和大角度掃描，如圖20所示，實(shí)驗(yàn)最終實(shí)現(xiàn)了掃描視場(chǎng)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(guò)起偏器形成左旋光和右旋光，再經(jīng)過(guò)其LCPG實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)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(guó)外研究進(jìn)展

美國(guó)最先開(kāi)始研究基于液晶偏振光柵的非機(jī)械式光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)。2008年，北卡羅來(lái)納州立大學(xué)的Kim等為實(shí)現(xiàn)分辨率為1.25°、角度范圍為±30°的大角度光束偏轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)了多個(gè)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(shù)，實(shí)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(chǔ)上，通過(guò)減少每一級(jí)光學(xué)器件數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)了偏轉(zhuǎn)角為52°、62°、80°的準(zhǔn)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(shí)，偏轉(zhuǎn)效率約為80%。為進(jìn)一步增大最大準(zhǔn)偏轉(zhuǎn)角度，該團(tuán)隊(duì)采用液晶半波板和被動(dòng)式液晶相結(jié)合的方法，又設(shè)計(jì)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(duì)波長(zhǎng)為1064 nm的入射光實(shí)現(xiàn)了分辨率為2.6°、角度為±80°的光束偏轉(zhuǎn)效果。針對(duì)角分辨率低的問(wèn)題，超二進(jìn)制粗偏設(shè)計(jì)方法被應(yīng)用于基于聚合物液晶偏振光柵中，在波長(zhǎng)為1550 nm的入射光條件下，分辨率實(shí)現(xiàn)了8°，光束偏轉(zhuǎn)角達(dá)到了65°。

圖22 大角度光束掃描效果圖

大口徑光學(xué)技術(shù)有著高定向、高分辨率和大視場(chǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但應(yīng)用于機(jī)械式的光學(xué)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有著較多問(wèn)題，大口徑導(dǎo)致機(jī)械式系統(tǒng)的體積和質(zhì)量大，需要相當(dāng)大的功率實(shí)現(xiàn)寬視場(chǎng)下的高精度性能，而液晶偏振光柵技術(shù)為制造出大口徑系統(tǒng)所需的尺寸提供了可能。2016年，美國(guó)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(jí)聯(lián)的方式，采用固體膜液晶偏振光柵與液晶開(kāi)關(guān)交錯(cuò)的幾何序列結(jié)構(gòu)，最終實(shí)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(chǎng)的二維光束離散掃描，衍射效率高于80%。未來(lái)其將實(shí)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(zhǎng)范圍寬的條件下，利用較薄的投射元件實(shí)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(shù)難度和性能之間的利弊，針對(duì)這一問(wèn)題，北卡羅來(lái)納州立大學(xué)的Xiao等于2018年設(shè)計(jì)了一種液晶聚合物布拉格偏振光柵，其具有亞波長(zhǎng)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(gè)斜面以增加其角響應(yīng)，在不降低效率的情況下獲得了更大的角帶寬。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在532 nm波長(zhǎng)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(chǎng)，光譜帶寬可達(dá)到200 nm，平均效率可實(shí)現(xiàn)76%，是現(xiàn)有技術(shù)的2倍多。

國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

我國(guó)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(duì)偏轉(zhuǎn)角度、偏轉(zhuǎn)效率以及響應(yīng)時(shí)間進(jìn)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(yīng)速度慢的問(wèn)題。上海交通大學(xué)的黃帥佳利用聚合物網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)大角度偏轉(zhuǎn)、快響應(yīng)速度的目標(biāo)，在632.8 nm入射光下實(shí)現(xiàn)了±4°的光束偏轉(zhuǎn)，響應(yīng)時(shí)間提高到亞毫秒量級(jí)。中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所的王啟東等利用光控取向技術(shù)和垂直取向技術(shù)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(yīng)速度達(dá)到了亞毫秒量級(jí)。

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(dǎo)致光束偏轉(zhuǎn)效率下降的問(wèn)題。研究學(xué)者提出了兩種方法進(jìn)行了嘗試：一種是研制了基于周期復(fù)合型材料的液晶偏振光柵，該系統(tǒng)通過(guò)改變?nèi)肷涔饩€偏振光的偏振方向，將光束偏轉(zhuǎn)至正負(fù)一級(jí)，偏轉(zhuǎn)效率近100%；另一種是將基于類(lèi)二值式級(jí)聯(lián)方式的液晶偏振光柵和液晶相控陣串聯(lián)，同時(shí)兼顧兩者的優(yōu)異特點(diǎn)，研制了一種新型的光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)。在730 nm入射光波長(zhǎng)下實(shí)現(xiàn)了偏轉(zhuǎn)效率為42%、偏轉(zhuǎn)范圍達(dá)±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(shù)

電光偏轉(zhuǎn)技術(shù)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(shí)現(xiàn)的，如圖23所示，設(shè)計(jì)特殊形狀的電極在晶體內(nèi)部形成梯度電場(chǎng)，通過(guò)電光效應(yīng)在垂直于光束傳播方向上形成梯度折射率分布，光束會(huì)向折射率梯度增加的方向偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度可通過(guò)外加電壓控制。

圖23 電光偏轉(zhuǎn)原理圖

電光偏轉(zhuǎn)技術(shù)可分為兩種：一種是通過(guò)設(shè)計(jì)電極結(jié)構(gòu)使得電光晶體內(nèi)部形成不均勻電場(chǎng)，通過(guò)電光效應(yīng)引起光束偏轉(zhuǎn)，代表性成果包括徐國(guó)昌設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shù)，國(guó)外主要研發(fā)單位包括日本NTT公司、美國(guó)賓西法尼亞大學(xué)，國(guó)內(nèi)主要研發(fā)單位包括天津大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)以及山東省科學(xué)院。這兩種電光偏轉(zhuǎn)技術(shù)均是通過(guò)在電光晶體內(nèi)部形成梯度電場(chǎng)，只是梯度電場(chǎng)的實(shí)現(xiàn)機(jī)理不同。基于空間電荷控制的電光偏轉(zhuǎn)技術(shù)是目前最熱門(mén)的主流研究方向，因此下文將重點(diǎn)對(duì)其展開(kāi)綜述和分析。

國(guó)外研究進(jìn)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(shù)，通過(guò)向KTN晶體注入自由電子形成梯度電場(chǎng)，利用電光效應(yīng)在晶體內(nèi)部形成梯度折射率，設(shè)計(jì)出KTN電光偏轉(zhuǎn)器，在500 V/mm電場(chǎng)、5 mm作用長(zhǎng)度的條件下實(shí)現(xiàn)了±7.16°的偏轉(zhuǎn)范圍，并進(jìn)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(chǎng)條件下，注入電子不能及時(shí)響應(yīng)電場(chǎng)，導(dǎo)致理論預(yù)測(cè)的偏轉(zhuǎn)角大于實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的偏轉(zhuǎn)角。針對(duì)該模型的缺陷，Miyazu指出KTN晶體內(nèi)部的電場(chǎng)分布不是由注入電子造成的，而是存儲(chǔ)在量子阱中電子導(dǎo)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(yù)測(cè)高頻電場(chǎng)時(shí)的光束偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，并且表明光束偏轉(zhuǎn)的響應(yīng)速度不受電子遷移率的限制，而是由KTN晶體的電光效應(yīng)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(duì)KTN光束偏轉(zhuǎn)器進(jìn)行了完善和產(chǎn)品化。Naganuma通過(guò)在KTN晶體的入射面和出射面鍍高反射膜，設(shè)計(jì)了一種三通結(jié)構(gòu)。在不改變晶體長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明，在晶體長(zhǎng)度為6 mm時(shí)，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(duì)提高光斑分辨率進(jìn)行了分析。由于KTN固有的光學(xué)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(zhǎng)方向的條件下，光斑質(zhì)量達(dá)到最佳，否則光斑會(huì)嚴(yán)重退化變形。由于KTN晶體的聚焦效應(yīng)，光束從KTN晶體出射后會(huì)發(fā)散成大光斑光束，導(dǎo)致光束偏轉(zhuǎn)的減小，針對(duì)這一問(wèn)題，Sasaki采用光線追跡的光學(xué)仿真方法，通過(guò)在KTN晶體前后放置兩個(gè)焦距相同的柱面凹透鏡對(duì)光束進(jìn)行整形，提高了光束偏轉(zhuǎn)角，進(jìn)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(guò)測(cè)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(shí)驗(yàn)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(yīng)，注入電子密度隨著遠(yuǎn)離陰極而逐漸降低，在陽(yáng)極附近幾乎不存在注入電子，并且注入電場(chǎng)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(yīng)降低電場(chǎng)進(jìn)而阻止電子的進(jìn)一步注入問(wèn)題，Sasaki采用405 nm激光照射KTN晶體，增強(qiáng)了KTN晶體的電子輸運(yùn)，提高了KTN晶體內(nèi)自由載流子密度，以此機(jī)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(dá)到160 mrad，并持續(xù)了高達(dá)3000 h。

溫度效應(yīng)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(shí)的介電常數(shù)會(huì)達(dá)到最大，偏轉(zhuǎn)性能也會(huì)達(dá)到最好。2019年，Tatsumi等于針對(duì)傳統(tǒng)熱控制方法存在導(dǎo)熱效率低進(jìn)而影響光束偏轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種雙熱敏電阻結(jié)構(gòu)進(jìn)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(guò)一個(gè)Peltier模塊進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)控制，從而提高了溫控的精確度，如圖25所示。實(shí)驗(yàn)測(cè)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(duì)應(yīng)的偏轉(zhuǎn)角在20 ℃環(huán)境溫度下由于熱效應(yīng)變化了1.3 mrad；對(duì)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(duì)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(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)跟隨日本NTT公司的研究進(jìn)展，對(duì)KTN晶體的光束偏轉(zhuǎn)性能進(jìn)行了分析。Chao以納秒級(jí)別的脈沖電壓源作為驅(qū)動(dòng)電壓，使用針孔作為指示物，其示意圖如圖26所示。測(cè)量偏轉(zhuǎn)的完全響應(yīng)時(shí)間為26 ns，表明基于KTN晶體的電光偏轉(zhuǎn)器件的響應(yīng)時(shí)間受限于外加的驅(qū)動(dòng)電壓速度，而不是電光效應(yīng)的響應(yīng)速度，驗(yàn)證了納秒量級(jí)響應(yīng)速率的KTN晶體電光偏轉(zhuǎn)器件。

圖26 納秒響應(yīng)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(yīng)的影響，Zhu在日本NTT公司的基礎(chǔ)上，利用藍(lán)光光子激發(fā)束縛電子的物理機(jī)理，在施加預(yù)注入電壓的同時(shí)將藍(lán)光照射到KTN晶體上，直到注入電流達(dá)到穩(wěn)定，提高了電荷注入深度，進(jìn)而增大了KTN偏轉(zhuǎn)器的孔徑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，KTN偏轉(zhuǎn)器在注入深度5 mm處受藍(lán)光激發(fā)時(shí)的偏轉(zhuǎn)角可由無(wú)藍(lán)光激發(fā)時(shí)的0.7 mrad提高到2.5 mrad。

對(duì)于居里溫度附近的KTN晶體，偏置電場(chǎng)能引起KTN晶體的場(chǎng)致相變效應(yīng)，并使得介電常數(shù)在KTN晶體相變前隨偏置電場(chǎng)的增大而增大。Chang等通過(guò)在KTN噴鍍鉑金電極阻止電荷注入，以避免其對(duì)偏轉(zhuǎn)角的影響，分析了介電常數(shù)的場(chǎng)致增強(qiáng)效應(yīng)對(duì)光束偏轉(zhuǎn)角的影響。由于場(chǎng)致相變現(xiàn)象僅發(fā)生在居里溫度附近，Chang做了對(duì)照實(shí)驗(yàn)：1）將KTN晶體設(shè)置在遠(yuǎn)離居里溫度，此時(shí)介電常數(shù)不隨偏置電場(chǎng)發(fā)生變化，測(cè)得此時(shí)的光束偏轉(zhuǎn)角為2.4 mrad；2）將KTN晶體設(shè)置在居里溫度以上2 ℃，此時(shí)介電常數(shù)隨著偏置電場(chǎng)的增大迅速增大，測(cè)得此時(shí)的光束偏轉(zhuǎn)角提升到7.2 mrad。Chang將這種介電常數(shù)的場(chǎng)致增強(qiáng)效應(yīng)歸因?yàn)殡妶?chǎng)增強(qiáng)的PNR偶極矩，但根據(jù)介電常數(shù)響應(yīng)偏置電場(chǎng)的頻率相關(guān)性，介電常數(shù)的強(qiáng)場(chǎng)致增強(qiáng)效應(yīng)僅發(fā)生在PNR與電場(chǎng)發(fā)生共振的特定頻率處。

為進(jìn)一步理解電場(chǎng)強(qiáng)度和介電常數(shù)在KTN晶體內(nèi)的分布，Chang從理論上通過(guò)修正Curie-Weiss（CW）定律，對(duì)光束偏轉(zhuǎn)角和電場(chǎng)、介電常數(shù)的關(guān)系進(jìn)行了推導(dǎo)建模，從實(shí)驗(yàn)上通過(guò)改變光束照射在KTN晶體上的位置，利用圖27所示的光路測(cè)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(guò)光束偏轉(zhuǎn)角計(jì)算出電場(chǎng)和介電常數(shù)隨位置的變化規(guī)律。

圖27 光束偏轉(zhuǎn)驗(yàn)證電場(chǎng)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(rèn)為是提高偏轉(zhuǎn)性能的有效方法，傳統(tǒng)上自由電子通過(guò)外加偏置電場(chǎng)或低頻交變電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)注入，但自由電子的電荷屏蔽效應(yīng)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(duì)這一問(wèn)題，Chang提出了一種利用局部紫外光照射來(lái)實(shí)現(xiàn)電子和空穴同時(shí)注入的新方法，如圖28所示。對(duì)陽(yáng)極進(jìn)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(guò)外加電壓激發(fā)電子注入，從而實(shí)現(xiàn)兩種載流子的同時(shí)注入。實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)過(guò)程中會(huì)在生長(zhǎng)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(huì)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(huì)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(zhǎng)工藝造成Ta/Nb成分梯度的固有特性，通過(guò)測(cè)量Ta/Nb濃度比來(lái)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(gè)位置能夠在介電常數(shù)最高的條件下工作，如圖29所示。實(shí)驗(yàn)測(cè)量表明，在波長(zhǎng)632.8 nm的入射光和32 ℃均勻溫度條件下，施加1400 V外加電場(chǎng)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(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

我國(guó)的電光晶體偏轉(zhuǎn)研究起步較晚。山東省科學(xué)院的王旭平團(tuán)隊(duì)率先開(kāi)展了對(duì)KTN晶體偏轉(zhuǎn)特性的研究。2008年，王旭平利用生長(zhǎng)出的KTN晶體實(shí)現(xiàn)了電控光束偏轉(zhuǎn)，生長(zhǎng)的KTN晶體大小為6 mm×12 mm×1 mm，居里溫度為20 ℃，在電場(chǎng)±700 V/mm條件下實(shí)現(xiàn)了±105 mrad的偏轉(zhuǎn)角。KTN晶體具有組分梯度，會(huì)導(dǎo)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(duì)偏轉(zhuǎn)角度的影響機(jī)理，該團(tuán)隊(duì)首次研制了具有生長(zhǎng)組分梯度特性的KTN晶體，利用電光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了電控光束偏轉(zhuǎn)技術(shù)，如圖30所示。對(duì)大小為2.8 mm×15 mm×7.5 mm的KTN:Cu晶體進(jìn)行了光束偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，在電場(chǎng)±1200 V/mm條件下實(shí)現(xiàn)了±50 mrad的偏轉(zhuǎn)角，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)光束的偏轉(zhuǎn)方向與電場(chǎng)方向無(wú)關(guān)，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(duì)影響偏轉(zhuǎn)性能的溫度效應(yīng)，2017年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王爽對(duì)影響電光偏轉(zhuǎn)的溫度因素進(jìn)行深入研究，通過(guò)施加直流電壓激發(fā)晶體熱效應(yīng)來(lái)形成溫場(chǎng)的方法實(shí)現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)，在實(shí)驗(yàn)中采用多種結(jié)構(gòu)電極來(lái)改變晶體的溫場(chǎng)，得出了雙面電極所形成的溫場(chǎng)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(chǎng)相比雙面電極的偏轉(zhuǎn)角度較小，但可以實(shí)現(xiàn)二維空間內(nèi)的偏轉(zhuǎn)。

針對(duì)電光光束調(diào)制器件需要較高驅(qū)動(dòng)電壓才能實(shí)現(xiàn)大偏轉(zhuǎn)角度的問(wèn)題，暨南大學(xué)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(dǎo)的電光偏轉(zhuǎn)方案，如圖31所示。其將鈮酸鋰波導(dǎo)芯層設(shè)計(jì)為喇叭狀結(jié)構(gòu)，將鋸齒電極設(shè)計(jì)為等腰三角形結(jié)構(gòu)嵌入到波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，有效增加了光場(chǎng)和電場(chǎng)作用的接觸面積，在外電壓作用下，鈮酸鋰波導(dǎo)內(nèi)部折射率呈棱鏡式分布，從而達(dá)到橫向偏轉(zhuǎn)的目的。該偏轉(zhuǎn)器件可實(shí)現(xiàn)低壓偏轉(zhuǎn)（5 V量級(jí)），電光實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)的位移可達(dá)到0.267 μm/V。

圖31 基于鈮酸鋰波導(dǎo)的電光偏轉(zhuǎn)模式示意圖

近年來(lái)，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(diǎn)。2019年，天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)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(yīng)，利用光強(qiáng)具有線性梯度分布的誘導(dǎo)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(chǎng)，改變晶體內(nèi)電場(chǎng)的分布，在施加外電場(chǎng)的作用下，在晶體內(nèi)將形成與內(nèi)電場(chǎng)分布相對(duì)應(yīng)的折射率變化，從而實(shí)現(xiàn)入射光的偏轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)測(cè)量表明，在外加電壓700 V、通光長(zhǎng)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(shù)實(shí)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(yīng)用于某些電光晶體偏轉(zhuǎn)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的邢博涵針對(duì)鈮酸鋰晶體的Maker條紋進(jìn)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(guò)繞晶體光軸旋轉(zhuǎn)來(lái)改變基頻光入射角度，利用電光效應(yīng)來(lái)改變束縛波和自由波的干涉情況，改變外加電場(chǎng)，倍頻光斑的位置會(huì)發(fā)生移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)倍頻光束偏轉(zhuǎn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，在電壓為2500 V時(shí)，得到最大偏轉(zhuǎn)角度0.489°，響應(yīng)時(shí)間為0.2 ms，該方法無(wú)需過(guò)高的生長(zhǎng)工藝和電荷注入技術(shù)，易于實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也為可控光強(qiáng)調(diào)制領(lǐng)域的應(yīng)用提供了一種新的思路，但由于其基于線性電光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)，相比利用二次電光效應(yīng)的KTN晶體，在偏轉(zhuǎn)能力上仍有較大的差距。

各類(lèi)偏轉(zhuǎn)技術(shù)性能特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)分析

掃描振鏡

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

對(duì)于二維振鏡和更高維度的振鏡掃描技術(shù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)會(huì)出現(xiàn)調(diào)向誤差，需要對(duì)誤差具有很好的矯正手段。未來(lái)可以考慮使用變結(jié)構(gòu)控制技術(shù)和粗細(xì)兩級(jí)復(fù)合軸控制技術(shù)加以輔助來(lái)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(yīng)用，最大效益地實(shí)現(xiàn)高精度捕跟掃描。此外，激光通信中一般激光器功率會(huì)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(lái)需解決的問(wèn)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(yīng)速度快、體積小巧等優(yōu)點(diǎn)，在多種光機(jī)電系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，而且柔性支撐結(jié)構(gòu)也減小了機(jī)械摩擦，但在實(shí)際應(yīng)用中需要與大慣量機(jī)架結(jié)構(gòu)相結(jié)合，會(huì)導(dǎo)致一定的光軸誤差。

目前，一方面國(guó)內(nèi)該領(lǐng)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(kāi)發(fā)研制新型反射鏡上進(jìn)展緩慢，這也與其需要不斷的迭代驗(yàn)證、研發(fā)成本高有關(guān)。因此，開(kāi)發(fā)一種聯(lián)合仿真系統(tǒng)，使得通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)中的某些參數(shù)就可以模擬實(shí)物驗(yàn)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(lái)需要探究的。另一方面，空間環(huán)境中存在的熱擾動(dòng)和基礎(chǔ)振動(dòng)，在進(jìn)行高精度光束指向時(shí)會(huì)造成其光軸畸變和抖動(dòng)，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)?zhǔn)系統(tǒng)來(lái)彌補(bǔ)光軸誤差這一問(wèn)題。但該方法處理動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差準(zhǔn)確度較低，加強(qiáng)動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差精度以能夠?qū)崟r(shí)補(bǔ)償誤差是后續(xù)應(yīng)解決的問(wèn)題。

微機(jī)電系統(tǒng)變形鏡

微機(jī)電系統(tǒng)變形鏡具有單元密度高、響應(yīng)時(shí)間短、功耗低、成本低、集成電路兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，在成像領(lǐng)域應(yīng)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(wèn)題。近年來(lái)開(kāi)始進(jìn)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(shí)，更多執(zhí)行器的變形鏡會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生更大的機(jī)械應(yīng)力，選擇更加輕型、硬度更低的基底材料是未來(lái)的發(fā)展方向。

聲光偏轉(zhuǎn)技術(shù)

聲光偏轉(zhuǎn)器件具有體積小、質(zhì)量輕、驅(qū)動(dòng)功率小、衍射效率高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)聲光偏轉(zhuǎn)技術(shù)還具有實(shí)時(shí)并行處理能力，以及時(shí)間帶寬大、易于與計(jì)算機(jī)兼容和進(jìn)行自動(dòng)化控制等優(yōu)點(diǎn)。但也存在以下短板：大部分衍射光為1級(jí)衍射光，導(dǎo)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(shí)現(xiàn)對(duì)光束的精細(xì)調(diào)控，分辨率較低，在高速掃描下會(huì)出現(xiàn)“啁啾效應(yīng)”。

通過(guò)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(wèn)題，針對(duì)“啁啾效應(yīng)”，在偏轉(zhuǎn)器后外加一個(gè)柱面透鏡可以消除其影響。目前對(duì)入射聲波頻率的研究很多，并對(duì)提高超聲波入射下聲光偏轉(zhuǎn)器的衍射效率和頻率響應(yīng)性能這一問(wèn)題進(jìn)行了不同方法的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，而很少對(duì)提高偏轉(zhuǎn)角度這一性能進(jìn)行分析。未來(lái)可考慮通過(guò)可控聲波矢技術(shù)來(lái)改變聲波入射方向，從而擴(kuò)大其偏轉(zhuǎn)掃描角度。關(guān)于聲光偏轉(zhuǎn)器偏轉(zhuǎn)性能的其他指標(biāo)，包括帶寬性能、抗靜電能力、熱穩(wěn)定能力，也是目前所關(guān)注的研究熱點(diǎn)。

液晶偏轉(zhuǎn)技術(shù)

液晶相控陣

LCOPA具有高功率、低電壓驅(qū)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)靈巧、無(wú)機(jī)械慣性的高精度光束偏轉(zhuǎn)，但其存在響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、工作譜寬較短等缺點(diǎn)。另外，較小的偏轉(zhuǎn)角也限制了LCOPA的應(yīng)用范圍，需要配合角度放大裝置來(lái)實(shí)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(shí)現(xiàn)更高的角度放大倍數(shù)。同時(shí)，液晶相控陣在工作時(shí)會(huì)存在多級(jí)衍射級(jí)次，再加上非線性關(guān)聯(lián)效應(yīng)的影響，導(dǎo)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(wú)光學(xué)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(shí)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(yīng)時(shí)間。但LCMLA要實(shí)現(xiàn)光束連續(xù)偏轉(zhuǎn)掃描，還需要和一些精細(xì)角度偏轉(zhuǎn)器件結(jié)合使用，增加了應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的復(fù)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(guò)改變出射光的主級(jí)大衍射級(jí)來(lái)實(shí)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(chǎng)邊緣效應(yīng)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(diǎn)。相對(duì)于前面兩種液晶偏轉(zhuǎn)類(lèi)型，LCPG具有很多優(yōu)勢(shì)，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(yīng)時(shí)間更快，同時(shí)也沒(méi)有相位回置造成的光學(xué)回程的影響，另外還可以實(shí)現(xiàn)寬光譜工作。但單個(gè)LCPG很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)多角度和大視場(chǎng)的指標(biāo)要求，而多層級(jí)聯(lián)的LCPG對(duì)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(shí)現(xiàn)小角度范圍內(nèi)的精細(xì)偏轉(zhuǎn)，系統(tǒng)復(fù)雜度較為簡(jiǎn)單，制備工藝相對(duì)成熟，但受到相位回置造成的光學(xué)回程區(qū)的影響，偏轉(zhuǎn)效率、響應(yīng)時(shí)間等指標(biāo)存在明顯不足，仍需不斷提高和發(fā)展。LCMLA與LCPG則沒(méi)有光學(xué)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(xì)角度偏轉(zhuǎn)器件來(lái)實(shí)現(xiàn)光束的準(zhǔn)連續(xù)偏轉(zhuǎn)掃描，而且在最大偏轉(zhuǎn)角的實(shí)現(xiàn)上都使用了多級(jí)串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，這就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)尺寸過(guò)長(zhǎng)，穩(wěn)定性相對(duì)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(diǎn)，還具有寬頻譜工作的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但其只能實(shí)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(shù)在非機(jī)械式偏轉(zhuǎn)研究最廣，但在非偏振光條件下，實(shí)現(xiàn)大角度、高效率等存在顯著局限性，為解決該問(wèn)題，可對(duì)設(shè)備架構(gòu)和材料類(lèi)型進(jìn)行思考；在使用液晶偏振光柵器件時(shí)，大角度偏轉(zhuǎn)時(shí)難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)角度的偏轉(zhuǎn)，這些是未來(lái)需要解決的問(wèn)題。

電光偏轉(zhuǎn)技術(shù)

基于電光晶體的光束偏轉(zhuǎn)器與其他技術(shù)相比具有任意偏轉(zhuǎn)角、體積小、響應(yīng)速度快、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，但存在分辨率較低的問(wèn)題。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外報(bào)道了具有二次電光效應(yīng)的電光材料，如鈮酸鋰、鈦酸鋇等，相比線性電光效應(yīng)的晶體，其在響應(yīng)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(yīng)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(xué)性能優(yōu)異等突出特點(diǎn)，在光束偏轉(zhuǎn)領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用前景。目前，國(guó)外日本NTT公司、美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)，以及國(guó)內(nèi)的哈爾濱工業(yè)大學(xué)、南開(kāi)大學(xué)以及山東省科學(xué)院等對(duì)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(xué)主要研究了基于空間電荷注入的KTN晶體光束偏轉(zhuǎn)技術(shù)；山東省科學(xué)院主要研究了KTN晶體的組分梯度誘導(dǎo)的光束偏轉(zhuǎn)技術(shù)；哈爾濱工業(yè)大學(xué)等主要對(duì)KTN晶體光束偏轉(zhuǎn)器的電極結(jié)構(gòu)、工作溫度等工程問(wèn)題進(jìn)行了研究。現(xiàn)存在以下問(wèn)題：在晶體生長(zhǎng)的方面難以實(shí)現(xiàn)高光學(xué)均勻性，難以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求；在居里溫度附近應(yīng)用需要具有精確的溫度控制手段；對(duì)空間電荷注入機(jī)制、居里溫度下的極性納米區(qū)，對(duì)光束偏轉(zhuǎn)的調(diào)控機(jī)理等科學(xué)問(wèn)題尚需進(jìn)一步研究。

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

表1 光束偏轉(zhuǎn)技術(shù)對(duì)比

結(jié)束語(yǔ)

文中對(duì)非機(jī)械式、機(jī)械式兩大類(lèi)六種光束偏轉(zhuǎn)技術(shù)進(jìn)行了綜述，總結(jié)了不同技術(shù)的工作原理、國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展以及發(fā)展趨勢(shì)和性能特點(diǎn)，結(jié)論如下：常用的機(jī)械式微機(jī)電變形鏡、快速反射鏡和掃描振鏡通過(guò)機(jī)械方式改變發(fā)射光軸方向，其精度可達(dá)到微弧度量級(jí)，偏轉(zhuǎn)角度可達(dá)幾十弧度，在醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛。但存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積笨重、能耗高等問(wèn)題，由于自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)具有體積大的特點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)外微機(jī)電系統(tǒng)變形鏡主要應(yīng)用于成像領(lǐng)域，在光束偏轉(zhuǎn)領(lǐng)域很難滿(mǎn)足星載環(huán)境對(duì)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(mǎn)足微弧度量級(jí)的偏轉(zhuǎn)精度，且對(duì)入射光波長(zhǎng)、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(dòng)電壓低，但其響應(yīng)速度慢，非連續(xù)角偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度大但大角度時(shí)偏轉(zhuǎn)效率低，難以實(shí)現(xiàn)大帶寬傳輸?shù)娜蝿?wù)需求；基于電光晶體的光束偏轉(zhuǎn)器與其他技術(shù)相比具有任意偏轉(zhuǎn)角、體積小、響應(yīng)速度快、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為最適合于實(shí)現(xiàn)高速光偏轉(zhuǎn)技術(shù)的主導(dǎo)方向之一。而在各類(lèi)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(yīng)速度、高偏轉(zhuǎn)效率、高偏轉(zhuǎn)精度、寬帶寬工作等優(yōu)點(diǎn)，在空間光通信等領(lǐng)域應(yīng)用更有潛力，成為世界各國(guó)的研究熱點(diǎn)。之后的工作一方面要對(duì)KTN晶體的生長(zhǎng)特性條件進(jìn)行分析研究，生長(zhǎng)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(jī)理方面研究，這具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

審核編輯：劉清