液晶相控阵光束偏转关键技术研究
发布时间：2021-12-10 02:41
随着激光雷达和空间光通信技术的不断发展,对光束偏转精度和扫描速度提出了更高的要求,传统的机械式光束偏转无法满足快速和高精度的需求,因此,探究快速、高精度光束偏转技术具有重要的研究意义和价值。液晶相控阵是利用液晶材料的电光效应实现光束在一定空域内动态指向,具有随机指向和可编程控制等特点,为解决传统机械螺旋式光束偏转存在的精度低、速度慢等问题提供了新的思路。目前,能够实现光束偏转的液晶相控阵主要有液晶空间光调制器、液晶偏振光栅和液晶棱镜等,其中任意一种液晶相控阵均无法同时满足大角度、高分辨率和高衍射效率等性能指标要求,如何实现快速、高精度、高分辨率和大视场光束偏转是本文研究的主要目的。本文从液晶空间光调制器和液晶偏振光栅光束调制机理入手,开展了液晶分子指向矢动态分布规律与电光调制机理、自适应迭代液晶空间光调制器光束校正与优化、多层液晶偏振光栅级联光束调控系统设计以及粗精两级液晶相控阵光束调控系统设计与实现等内容研究,具体如下:1、研究液晶空间光调制器电光调制机理,探究在外电场作用下液晶指向矢动态分布规律,基于非线性最小二乘的差分迭代建立液晶指向矢分布与电场的关系模型。液晶空间光调制器是由取...
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：132 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
液晶空间光调制器实物图
第1章绪论5的光束偏转。图1.2液晶偏振光栅1）光束最大偏转角度液晶偏振光栅服从光栅方程，利用液晶偏振光栅控制光束进行偏转时，光束偏转角度与入射光波长、光栅周期有关，可以表示为：sinsininmm（1-5）其中，为光栅周期，m为衍射级，sinin是光束的入射角。由于液晶偏振光栅特殊结构，m壤1、0，当入射光束一定时，光束最大偏转角度由决定。液晶偏振光栅能够实现大角度的光束偏转，但单个液晶偏振光栅的偏转角度个数有限，只能实现三个偏转角度，为了获得更多的光束偏转角，液晶偏振光栅可以采用多级级联的形式，光束偏转角可以表示为：1sinsin(1)WPlVNPGoutinlllV（1-6）其中WPlV是第l个液晶半波片的状态，（当液晶半波片输出左旋圆偏光或右旋圆偏光时，WPlV分别为0或1），PGlV是第l个液晶偏振光栅的状态（取值为0或1），l是第l个液晶偏振光栅的光栅周期，通过多层液晶偏振光栅级联，可以实现大角度光束偏转。2）光束偏转效率多层液晶偏振光栅级联偏转系统总的光束偏转效率LCPG为：1int111ABCALCPGfresabsscatterlll（1-7）其中，1为光束衍射效率，int为固有效率，fresl为菲涅耳损耗，absl为吸收损耗，scatterl为散射损失，A为液晶偏振光栅的数量，B为液晶器件的数量，C为透明导电电极的数量。通过多层液晶偏振光栅级联可以实现大角度、离散光束扫描，但随着光束偏转角度个数增加，液晶偏振光栅级联层数会增多，造成激光能量损耗，光束偏转效
第1章绪论7构，使入射光在离开LCoS之前可以通过蓝相液晶层四次，控制驱动电压在0-24V范围内变化，即可实现液晶空间光调制器2的相位调制，响应时间大约为3ms，有效的降低了驱动电压值，提高了器件的响应时间。图1.3BNS公司的液晶空间光调制器2017年，美国SLM公司在光学西部会议上展出最新的二维液晶空间光调制器PLUTO，PLUTO可控的阵元电极达到了1920×1080个，阵元电极大小为8m8m，有效通光孔径为15.36mm×8.64mm（0.7英寸），每个阵元电极有256个可调相位等级，液晶空间光调制器系统可控的波长范围为420nm到1700nm，并且在整个可控波长范围内其零级光衍射效率达到93%，液晶空间光调制器的响应时间为5.6ms（帧率为180Hz）。2019年，新加坡材料研究与工程研究所李世强等[52]介绍了一种基于一维纳米天线的透射液晶空间光调制器，可以实现0-11°范围内的光束偏转，光束衍射效率大于35％，液晶层厚度1.5m，远小于传统器件，可实现877lp/mm图像分辨率，是目前商用液晶空间光调制器的30倍，为制作性能更快、视场更大、效率更高的超高分辨率液晶器件开辟了可能。国内在液晶研究方面相对滞后且液晶工艺和液晶空间光调制器制作方面起步比较晚，其研究单位主要集中在高校和研究所。2004年，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所宣丽课题组采用液晶电视盒改装成透射式液晶空间光调制器，其工作区域像素为32×32。2005年，哈尔滨工业大学研制了电极周期为18m的液晶盒样品，并在2008年，研制出了1024阵元的透射式液晶空间光调制器[53]，电极的宽度和间距分别为10m和8m，液晶盒厚度为5.8m。通过FPGA进行馈电，实现了60个角度的光束随机指向控制，最大偏转角度为2.0014°。2010年，台湾Hung-ChangJau等[54]提出一种在胆甾型液晶材料中掺杂偶
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于蝙蝠算法的液晶光学相控阵波束优化[J]. 黄志伟,王春阳,彭丽华,史红伟,牛启凤. 激光与光电子学进展. 2018(08)
[2]Polarization-independent two-dimensional beam steering using liquid crystal optical phased arrays[J]. 吴亮,汪相如,熊彩东,黄子强,卓儒盛,饶家睿,谭庆贵. Chinese Optics Letters. 2017(10)
[3]液晶光学相控阵组件扫描精度分析研究[J]. 汪相如,黄子强. 光电技术应用. 2017(04)
[4]基于液晶空间光调制器的光束偏转控制技术[J]. 杨赫,佟首峰,张磊,常帅,宋延嵩,赵馨,范新坤. 激光与光电子学进展. 2017(11)
[5]液晶光栅自干涉测量空间光调制器相位调制特性[J]. 赵自新,肖昭贤,张航瑛,赵宏. 激光与光电子学进展. 2017(06)
[6]结合高位深相位光栅图的LC-SLM标定[J]. 徐豪,张运海,张欣,肖昀,黄维. 激光技术. 2017(04)
[7]液晶中波红外光学相控阵关键技术研究进展[J]. 贺晓娴,汪相如,李曼,胡明刚,柳建龙,邱琪. 红外与激光工程. 2016(08)
[8]斜入射下液晶空间光调制器纯相位调制特性研究[J]. 鲁强,盛磊,张鑫,白继清,乔彦峰. 中国激光. 2016(01)
[9]基于液晶相控阵高精度高效率光束偏转数值仿真[J]. 师宇斌,马浩统,马阎星,吕洋,司磊. 中国激光. 2014(02)
[10]纯相位液晶空间光调制器相位校正方法[J]. 单欣,段梦云,艾勇,胡亮. 光子学报. 2014(06)
博士论文
[1]液晶偏振光栅的设计及其光偏转特性研究[D]. 李松振.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2019
硕士论文
[1]大口径液晶光学相控阵实现方法研究[D]. 卓儒盛.电子科技大学 2018
[2]液晶相控阵成像激光雷达精度的研究[D]. 乔天元.哈尔滨工业大学 2014
[3]基于SPGD算法的大气激光通信自适应光学技术[D]. 徐友会.长春理工大学 2013
[4]基于液晶相控阵的大角度光束偏转技术研究[D]. 邹永超.国防科学技术大学 2011
[5]激光雷达液晶相控阵波控数据优化算法研究[D]. 尹晓虎.电子科技大学 2011
本文编号：3531760
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：132 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
液晶空间光调制器实物图
第1章绪论5的光束偏转。图1.2液晶偏振光栅1）光束最大偏转角度液晶偏振光栅服从光栅方程，利用液晶偏振光栅控制光束进行偏转时，光束偏转角度与入射光波长、光栅周期有关，可以表示为：sinsininmm（1-5）其中，为光栅周期，m为衍射级，sinin是光束的入射角。由于液晶偏振光栅特殊结构，m壤1、0，当入射光束一定时，光束最大偏转角度由决定。液晶偏振光栅能够实现大角度的光束偏转，但单个液晶偏振光栅的偏转角度个数有限，只能实现三个偏转角度，为了获得更多的光束偏转角，液晶偏振光栅可以采用多级级联的形式，光束偏转角可以表示为：1sinsin(1)WPlVNPGoutinlllV（1-6）其中WPlV是第l个液晶半波片的状态，（当液晶半波片输出左旋圆偏光或右旋圆偏光时，WPlV分别为0或1），PGlV是第l个液晶偏振光栅的状态（取值为0或1），l是第l个液晶偏振光栅的光栅周期，通过多层液晶偏振光栅级联，可以实现大角度光束偏转。2）光束偏转效率多层液晶偏振光栅级联偏转系统总的光束偏转效率LCPG为：1int111ABCALCPGfresabsscatterlll（1-7）其中，1为光束衍射效率，int为固有效率，fresl为菲涅耳损耗，absl为吸收损耗，scatterl为散射损失，A为液晶偏振光栅的数量，B为液晶器件的数量，C为透明导电电极的数量。通过多层液晶偏振光栅级联可以实现大角度、离散光束扫描，但随着光束偏转角度个数增加，液晶偏振光栅级联层数会增多，造成激光能量损耗，光束偏转效
第1章绪论7构，使入射光在离开LCoS之前可以通过蓝相液晶层四次，控制驱动电压在0-24V范围内变化，即可实现液晶空间光调制器2的相位调制，响应时间大约为3ms，有效的降低了驱动电压值，提高了器件的响应时间。图1.3BNS公司的液晶空间光调制器2017年，美国SLM公司在光学西部会议上展出最新的二维液晶空间光调制器PLUTO，PLUTO可控的阵元电极达到了1920×1080个，阵元电极大小为8m8m，有效通光孔径为15.36mm×8.64mm（0.7英寸），每个阵元电极有256个可调相位等级，液晶空间光调制器系统可控的波长范围为420nm到1700nm，并且在整个可控波长范围内其零级光衍射效率达到93%，液晶空间光调制器的响应时间为5.6ms（帧率为180Hz）。2019年，新加坡材料研究与工程研究所李世强等[52]介绍了一种基于一维纳米天线的透射液晶空间光调制器，可以实现0-11°范围内的光束偏转，光束衍射效率大于35％，液晶层厚度1.5m，远小于传统器件，可实现877lp/mm图像分辨率，是目前商用液晶空间光调制器的30倍，为制作性能更快、视场更大、效率更高的超高分辨率液晶器件开辟了可能。国内在液晶研究方面相对滞后且液晶工艺和液晶空间光调制器制作方面起步比较晚，其研究单位主要集中在高校和研究所。2004年，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所宣丽课题组采用液晶电视盒改装成透射式液晶空间光调制器，其工作区域像素为32×32。2005年，哈尔滨工业大学研制了电极周期为18m的液晶盒样品，并在2008年，研制出了1024阵元的透射式液晶空间光调制器[53]，电极的宽度和间距分别为10m和8m，液晶盒厚度为5.8m。通过FPGA进行馈电，实现了60个角度的光束随机指向控制，最大偏转角度为2.0014°。2010年，台湾Hung-ChangJau等[54]提出一种在胆甾型液晶材料中掺杂偶
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于蝙蝠算法的液晶光学相控阵波束优化[J]. 黄志伟,王春阳,彭丽华,史红伟,牛启凤. 激光与光电子学进展. 2018(08)
[2]Polarization-independent two-dimensional beam steering using liquid crystal optical phased arrays[J]. 吴亮,汪相如,熊彩东,黄子强,卓儒盛,饶家睿,谭庆贵. Chinese Optics Letters. 2017(10)
[3]液晶光学相控阵组件扫描精度分析研究[J]. 汪相如,黄子强. 光电技术应用. 2017(04)
[4]基于液晶空间光调制器的光束偏转控制技术[J]. 杨赫,佟首峰,张磊,常帅,宋延嵩,赵馨,范新坤. 激光与光电子学进展. 2017(11)
[5]液晶光栅自干涉测量空间光调制器相位调制特性[J]. 赵自新,肖昭贤,张航瑛,赵宏. 激光与光电子学进展. 2017(06)
[6]结合高位深相位光栅图的LC-SLM标定[J]. 徐豪,张运海,张欣,肖昀,黄维. 激光技术. 2017(04)
[7]液晶中波红外光学相控阵关键技术研究进展[J]. 贺晓娴,汪相如,李曼,胡明刚,柳建龙,邱琪. 红外与激光工程. 2016(08)
[8]斜入射下液晶空间光调制器纯相位调制特性研究[J]. 鲁强,盛磊,张鑫,白继清,乔彦峰. 中国激光. 2016(01)
[9]基于液晶相控阵高精度高效率光束偏转数值仿真[J]. 师宇斌,马浩统,马阎星,吕洋,司磊. 中国激光. 2014(02)
[10]纯相位液晶空间光调制器相位校正方法[J]. 单欣,段梦云,艾勇,胡亮. 光子学报. 2014(06)
博士论文
[1]液晶偏振光栅的设计及其光偏转特性研究[D]. 李松振.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2019
硕士论文
[1]大口径液晶光学相控阵实现方法研究[D]. 卓儒盛.电子科技大学 2018
[2]液晶相控阵成像激光雷达精度的研究[D]. 乔天元.哈尔滨工业大学 2014
[3]基于SPGD算法的大气激光通信自适应光学技术[D]. 徐友会.长春理工大学 2013
[4]基于液晶相控阵的大角度光束偏转技术研究[D]. 邹永超.国防科学技术大学 2011
[5]激光雷达液晶相控阵波控数据优化算法研究[D]. 尹晓虎.电子科技大学 2011
本文编号：3531760
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