Tìm hiểu về Công nghệ làm lệch chùm tia dựa trên truyền thông quang học không gian trong 3 phút

Công nghệ làm lệch chùm tia là thành phần chính của liên lạc bằng laser trong không gian tự do và hiệu suất của nó quyết định liệu liên lạc bằng laser trong không gian tự do có thể đáp ứng nhu cầu liên lạc nhanh và ổn định hay không. Công nghệ làm lệch chùm tia có thể được chia thành hai loại: công nghệ làm lệch chùm tia cơ học và công nghệ làm lệch chùm tia phi cơ học. Trong số đó, các công nghệ làm lệch chùm tia cơ học bao gồm điện kế quét, gương điều khiển nhanh, gương biến dạng hệ vi cơ điện tử; Các công nghệ làm lệch chùm tia phi cơ học bao gồm công nghệ làm lệch chùm tia quang âm, công nghệ làm lệch chùm tia dựa trên vật liệu tinh thể lỏng và công nghệ làm lệch chùm tia điện quang.

Chúng ta hãy xem xét đặc điểm của các công nghệ làm lệch chùm tia khác nhau và triển vọng ứng dụng của chúng trong lĩnh vực truyền thông quang học không gian.

1. Điện kế quét

Thiết bị làm lệch chùm tia cơ học hoàn thiện nhất là điện kế quét, về cơ bản là một bộ phản xạ ánh sáng với thời gian phản hồi từng bước là mili giây/dưới mili giây và độ chính xác trỏ là microrad, như trong Hình 1.

Hình 1 Sơ đồ điện kế quét

Hệ thống quét điện kế có cấu trúc đơn giản, kích thước nhỏ, độ chính xác quét cao, tốc độ nhanh và chi phí tương đối thấp. Tuy nhiên, nó có những vấn đề như phạm vi làm việc hạn chế, biến dạng đệm kim và hao mòn điện kế. Thiết bị này đã đạt tiêu chuẩn hiệu suất tuyệt vời về góc lệch. Ví dụ, điện kế quét dòng XG210 do công ty THORLABS của Mỹ ra mắt có góc lệch lên tới ±20 độ. Hiện nay, các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước đang nỗ lực tăng tốc độ quét và sử dụng các phương pháp như xung laser femto giây và cấu trúc điện kế đa chiều để cải thiện hiệu suất của nó.

Tuy nhiên, đối với điện kế hai chiều và công nghệ quét điện kế cao hơn, cấu trúc hệ thống phức tạp hơn và sẽ xảy ra lỗi định hướng trong các ứng dụng thực tế và cần có phương pháp hiệu chỉnh tốt để sửa lỗi. Trong tương lai, chúng ta có thể cân nhắc sử dụng công nghệ điều khiển cấu trúc thay đổi và công nghệ điều khiển trục hỗn hợp hai cấp độ dày và mỏng để hỗ trợ ngăn chặn các lỗi còn sót lại. Chúng có thể được áp dụng trong các chòm vệ tinh có môi trường không gian tốt và chu kỳ làm việc ngắn để đạt được khả năng theo dõi và quét có độ chính xác cao với hiệu quả tối đa. Ngoài ra, công suất của laser trong truyền thông laser nhìn chung rất cao nên việc lựa chọn vật liệu gương điện kế có độ phản xạ cao hơn để giảm hư hỏng bề mặt cũng là một vấn đề cần được giải quyết trong tương lai.

2. Gương lái nhanh

Có hai kết cấu cho Gương lái nhanh FSM (như trên Hình 2): một là kết cấu khung trục XY hay còn gọi là kết cấu hệ trục; cái còn lại là cấu trúc trục linh hoạt, là hướng phát triển chính của FSM hiện nay.

Hình 2 (a) Sơ đồ cấu trúc khung trục XY của Gương lái nhanh; (b) Sơ đồ cấu trúc trục linh hoạt của Gương lái nhanh

Gương điều khiển nhanh có ưu điểm là độ chính xác định vị cao, độ phân giải góc cao, tốc độ phản hồi nhanh và kích thước nhỏ gọn. Nó được sử dụng rộng rãi trong nhiều hệ thống cơ quang, cấu trúc hỗ trợ linh hoạt cũng làm giảm ma sát cơ học, nhưng trong ứng dụng thực tế, nó đòi hỏi kết hợp với cấu trúc khung quán tính lớn sẽ dẫn đến một lỗi trục quang nhất định.

Hiện tại, một mặt, nghiên cứu trong nước trong lĩnh vực này chủ yếu tập trung vào mô phỏng cấu trúc và điều khiển hệ thống của gương phản xạ nhanh, trong khi tiến độ phát triển gương phản xạ mới còn chậm. Điều này cũng liên quan đến nhu cầu xác minh lặp đi lặp lại liên tục và chi phí nghiên cứu và phát triển cao. Do đó, việc phát triển một hệ thống mô phỏng chung để có thể mô phỏng xác minh vật lý bằng cách điều chỉnh một số tham số nhất định trong hệ thống, từ đó rút ngắn đáng kể chu kỳ phát triển, tìm kiếm các tham số gương nhanh hiệu suất cao nhanh hơn và cải thiện hiệu quả tối ưu hóa là điều cần được khám phá trong tương lai.

Mặt khác, các nhiễu loạn nhiệt và rung động cơ bản tồn tại trong môi trường không gian sẽ gây ra hiện tượng méo và biến dạng trục quang khi chiếu các chùm tia có độ chính xác cao. Hiện nay, phương pháp hiện có là sử dụng chùm tia gồm giao thoa kế Michelson và gương điều khiển nhanh. Hệ thống căn chỉnh điểm để bù đắp cho vấn đề lỗi trục quang. Tuy nhiên, phương pháp này có độ chính xác thấp trong việc xử lý các sai số đo động. Nâng cao độ chính xác của sai số đo động để bù sai số theo thời gian thực là bài toán cần giải quyết trong tương lai.

Gương biến dạng 3.MEMS

Gương biến dạng hệ vi cơ điện tử (MEMS-DM) có nhiều loại như truyền động nhiệt điện, truyền động áp điện, truyền động tĩnh điện và truyền động điện từ. Xét thấy truyền động tĩnh điện có cấu tạo đơn giản, có ưu điểm là tốc độ phản hồi nhanh và khả năng làm việc dưới tín hiệu tần số cao nên chủ yếu được điều khiển bằng lực tĩnh điện và chủ yếu được thực hiện ở dạng tụ điện phẳng. . Cấu trúc của nó được thể hiện trong Hình 3.

Hình 3 Sơ đồ cấu trúc truyền động gương biến dạng MEMS

Gương biến dạng của hệ thống vi cơ điện tử có ưu điểm là mật độ đơn vị cao, thời gian đáp ứng ngắn, tiêu thụ điện năng thấp, chi phí thấp và khả năng tương thích mạch tích hợp tốt và được sử dụng rộng rãi hơn trong lĩnh vực hình ảnh; tuy nhiên, chúng cũng có tốc độ quét chậm và mức sử dụng năng lượng ánh sáng thấp. , các vấn đề như nhiều ánh sáng đi lạc hơn. Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã bắt đầu phát triển thêm nhiều bộ truyền động cho gương có thể biến dạng nhằm tăng hành trình của mặt sóng và đạt được tốc độ khung hình cao hơn; đồng thời, gương có thể biến dạng với nhiều cơ cấu dẫn động hơn sẽ dẫn đến ứng suất cơ học lớn hơn, vì vậy việc lựa chọn vật liệu nền nhẹ hơn, độ cứng thấp hơn là hướng đi phía trước.

4. Công nghệ làm lệch âm thanh và ánh sáng

Công nghệ lệch âm quang chuyển đổi tín hiệu điện tần số cao thành sóng siêu âm và truyền chúng đến môi trường làm việc thông qua đầu dò để tạo thành một cách tử, sử dụng nhiễu xạ sóng ánh sáng để làm lệch chùm tia, như trong Hình 4. Nhiễu xạ quang âm hiệu ứng được chia thành nhiễu xạ Ramanes và nhiễu xạ Bragg theo chiều dài của vùng quang âm. Vì nhiễu xạ Ramanes có hiệu suất sử dụng ánh sáng thấp và nhiễu xạ Bragg có hiệu suất nhiễu xạ cao nên nhiễu xạ Bragg thường được sử dụng.

Hình 4 Sơ đồ nguyên lý độ lệch âm và ánh sáng

Các thiết bị làm lệch hướng quang âm có ưu điểm là kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, công suất truyền động thấp và hiệu suất nhiễu xạ cao. Đồng thời, công nghệ lệch âm quang còn có khả năng xử lý song song theo thời gian thực, băng thông thời gian lớn, dễ dàng tương thích với máy tính và điều khiển tự động. Tuy nhiên, cũng có những nhược điểm sau: phần lớn ánh sáng nhiễu xạ là ánh sáng nhiễu xạ bậc nhất, dẫn đến thiết bị làm lệch hướng quang âm có những thiếu sót rõ ràng về phạm vi lệch góc lớn, độ chính xác lệch thấp, khó đạt được khả năng kiểm soát tốt. chùm tia và độ phân giải thấp. , "hiệu ứng chirp" sẽ xuất hiện khi quét tốc độ cao.

Bằng cách sử dụng các phương pháp như theo dõi siêu âm và đa tần số tinh thể đơn, băng thông hiệu quả có thể được tăng lên để giải quyết vấn đề độ phân giải thấp. Để có "hiệu ứng chirp", một thấu kính hình trụ có thể được thêm vào sau bộ làm lệch hướng để loại bỏ ảnh hưởng của nó. Hiện nay, có nhiều nghiên cứu về tần số của sóng âm tới và các phương pháp cải tiến thực nghiệm khác nhau đã được thực hiện để cải thiện hiệu suất nhiễu xạ và hiệu suất đáp ứng tần số của bộ làm lệch hướng quang âm dưới tần số của sóng siêu âm, nhưng hiệu suất việc tăng góc lệch hiếm khi được phân tích.

Trong tương lai, công nghệ vectơ sóng âm có thể điều khiển được có thể được coi là thay đổi hướng tới của sóng âm để mở rộng góc quét lệch của nó. Các chỉ số khác về hiệu suất làm lệch của bộ làm lệch âm quang, bao gồm hiệu suất băng thông, khả năng chống tĩnh điện và độ ổn định nhiệt, cũng là những điểm nóng nghiên cứu hiện nay.

5. Công nghệ làm lệch LCD

Các công nghệ làm lệch chùm tia dựa trên vật liệu tinh thể lỏng chủ yếu bao gồm: mảng pha tinh thể lỏng, mảng vi thấu kính tinh thể lỏng và cách tử phân cực tinh thể lỏng.

Công nghệ Mảng pha quang học tinh thể lỏng (LCOPA) đề cập đến việc cấp điện áp cho các phân tử tinh thể lỏng thông qua các điện cực. Do các phân tử tinh thể lỏng có hiệu ứng lưỡng chiết được điều khiển bằng điện tử nên điện áp đặt vào sẽ kiểm soát mức độ lệch của các phân tử tinh thể lỏng ở các trạng thái khác nhau, do đó ảnh hưởng đến sóng chùm. Nó đóng vai trò điều chế pha ở phía trước để thực hiện quét chùm tia, như trong Hình 5.

Hình 5 Sơ đồ nguyên lý của độ lệch pha tinh thể lỏng

LCOPA có ưu điểm là dẫn động công suất cao và điện áp thấp, đồng thời có thể đạt được độ lệch chùm tia có độ chính xác cao một cách khéo léo và không có quán tính cơ học. Tuy nhiên, nó có những nhược điểm như thời gian đáp ứng dài và độ rộng phổ hoạt động ngắn. Ngoài ra, góc lệch nhỏ cũng hạn chế phạm vi ứng dụng của LCOPA, đòi hỏi phải có thiết bị khuếch đại góc để đạt được góc lệch lớn hơn. Tuy nhiên, do các yếu tố như khẩu độ hiệu quả và góc đi của thiết bị khuếch đại góc, hiện tại thiết bị khuếch đại góc khó đạt được độ phóng đại góc cao hơn. Đồng thời, mảng pha tinh thể lỏng sẽ có nhiều bậc nhiễu xạ trong quá trình hoạt động, cộng với ảnh hưởng của các hiệu ứng tương quan phi tuyến, hiệu suất làm lệch của LCOPA sẽ giảm.

Mảng vi thấu kính tinh thể lỏng (LCMLA) bao gồm 3 mảng thấu kính, như trong Hình 6. So với LCOPA, LCMLA có góc lệch lớn hơn và không bị ảnh hưởng bởi vùng phản xạ quang học nên hiệu suất lệch cao hơn; bị ảnh hưởng bởi thời gian thay đổi của sự sắp xếp phân tử LC trong vật liệu tinh thể lỏng, độ chênh lệch đường quang mà LCMLA yêu cầu dài hơn so với LCOPA. Nhỏ, độ dày có thể được làm nhỏ hơn nên LCMLA có thời gian đáp ứng nhỏ hơn LCOPA. Tuy nhiên, để đạt được khả năng quét làm lệch chùm tia liên tục, LCMLA cần được sử dụng kết hợp với một số thiết bị làm lệch góc nhỏ, điều này làm tăng độ phức tạp khi triển khai ứng dụng. Hơn nữa, LCMLA bao gồm một mảng thấu kính nhiều lớp và độ ổn định của hệ thống kém hơn LCOPA. LCMLA đạt được độ lệch chùm tia bằng cách thay đổi thứ tự nhiễu xạ lớn chính của ánh sáng phát ra. Sự kết hợp không gian của mảng vi thấu kính ảnh hưởng đến độ phân giải của nó, dẫn đến sai số rất nhỏ về kích thước của vi thấu kính, đây là một vấn đề lớn cần được giải quyết.

Hình 6 Sơ đồ của mảng vi thấu kính tinh thể lỏng

Nguyên lý của Cách tử phân cực tinh thể lỏng (LCPG) là ánh sáng tới đi qua bản phân cực để tạo thành ánh sáng thuận tay trái và ánh sáng thuận tay phải, sau đó đi qua LCPG để làm lệch chùm sáng theo hai hướng khác nhau. Đường ánh sáng lệch được thể hiện trong Hình 7. LCPG không bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng cạnh điện trường và có độ phân giải cao, khả năng điều khiển lập trình, nhẹ nhàng và linh hoạt. LCPG chỉ cần tạo ra sự chênh lệch đường quang của tấm nửa sóng tương đương và độ dày yêu cầu của lớp tinh thể lỏng mỏng hơn, do đó làm cho thời gian đáp ứng của nó ngắn hơn. Nó nhanh và không có tác động trở lại quang học do cài đặt lại pha. Ngoài ra, nó cũng có thể đạt được hoạt động phổ rộng. Tuy nhiên, rất khó để một LCPG duy nhất đạt được các yêu cầu về chỉ số của nhiều góc độ và trường nhìn rộng cùng một lúc, còn LCPG nhiều lớp có yêu cầu cao về quá trình chuẩn bị và độ ổn định của hệ thống.

Hình 7 Sơ đồ cách tử phân cực tinh thể lỏng

LCOPA truyền thống nhẹ, linh hoạt và có thể đạt được độ lệch tốt trong phạm vi góc nhỏ. Độ phức tạp của hệ thống tương đối đơn giản và quá trình chuẩn bị tương đối hoàn thiện. Tuy nhiên, nó bị ảnh hưởng bởi vùng phản hồi quang do đặt lại pha và có những thiếu sót rõ ràng về hiệu suất lệch, thời gian đáp ứng và các chỉ số khác. , vẫn cần cải tiến và phát triển liên tục. LCMLA và LCPG không bị ảnh hưởng bởi vùng phản hồi quang học và đã cải thiện đáng kể hiệu suất làm lệch hướng. Tuy nhiên, cả hai đều cần được trang bị các thiết bị làm lệch góc tinh để đạt được khả năng quét làm lệch gần như liên tục của chùm tia và cả hai đều sử dụng nhiều giai đoạn để đạt được góc lệch tối đa. Cấu trúc chuỗi sẽ dẫn đến một hệ thống quá dài và có độ ổn định tương đối kém. So với LCOPA và LCMLA, LCPG không chỉ có các đặc tính về góc lệch lớn và hiệu suất lệch cao mà còn có ưu điểm duy nhất là hoạt động phổ rộng, nhưng nó chỉ có thể đạt được chức năng quét lệch chùm tia với khoảng góc lớn. Hiện nay, công nghệ làm lệch hướng tinh thể lỏng được nghiên cứu rộng rãi nhất trong lĩnh vực làm lệch hướng phi cơ học, nhưng có những hạn chế đáng kể trong việc đạt được góc lớn và hiệu quả cao trong điều kiện ánh sáng không phân cực. Để giải quyết vấn đề này, có thể xem xét kiến ​​trúc thiết bị và loại vật liệu; khi sử dụng các thiết bị cách tử phân cực tinh thể lỏng, rất khó đạt được độ lệch góc liên tục ở độ lệch góc lớn. Đây là những vấn đề cần được giải quyết trong tương lai.

6. Công nghệ làm lệch quang điện

Công nghệ làm lệch tia điện quang được thực hiện bằng cách tận dụng độ lệch được tạo ra bởi gradient chiết suất vuông góc với hướng truyền của chùm tia, như trong Hình 8. So với các công nghệ khác, bộ làm lệch chùm tia dựa trên tinh thể quang điện có ưu điểm là độ lệch tùy ý góc, kích thước nhỏ, tốc độ phản hồi nhanh và độ nhạy cao nhưng chúng lại gặp vấn đề là độ phân giải thấp.

Hình 8 Sơ đồ nguyên lý độ lệch quang điện

Trong những năm gần đây, các vật liệu quang điện có hiệu ứng quang điện thứ cấp đã được báo cáo trong và ngoài nước, chẳng hạn như lithium niobate, bari titanate, v.v. So với các tinh thể có hiệu ứng quang điện tuyến tính, chúng có hiệu suất vượt trội hơn như phản ứng tốc độ và điện áp lệch. Trong đó, tinh thể KTN tiêu biểu nhất.

Tinh thể KTN là tinh thể hiện được biết đến với hiệu ứng quang điện thứ cấp lớn nhất. Nó có các đặc tính nổi bật như hằng số điện môi lớn, tổn thất điện môi thấp, tính sắt điện rõ ràng và tính chất quang phi tuyến tuyệt vời. Nó có phạm vi ứng dụng rất rộng trong lĩnh vực làm lệch chùm tia. tiềm năng. Hiện tại, các công ty nước ngoài như Công ty NTT của Nhật Bản và Đại học Pennsylvania ở Hoa Kỳ, cũng như Viện Công nghệ Cáp Nhĩ Tân trong nước, Đại học Nam Khai và Viện Hàn lâm Khoa học Sơn Đông, đã thực hiện rất nhiều nghiên cứu về đặc tính võng của KTN tinh thể.

Công ty NTT và Đại học Pennsylvania chủ yếu nghiên cứu công nghệ làm lệch chùm tia tinh thể KTN dựa trên việc bơm điện tích không gian; Viện Khoa học Sơn Đông chủ yếu nghiên cứu công nghệ làm lệch chùm tia gây ra bởi gradient thành phần của tinh thể KTN; Viện Công nghệ Cáp Nhĩ Tân và các trường khác chủ yếu nghiên cứu các điện cực của bộ làm lệch chùm tia tinh thể KTN. Các vấn đề kỹ thuật như cấu trúc và nhiệt độ vận hành đã được nghiên cứu.

Hiện đang tồn tại những vấn đề sau: khó đạt được độ đồng đều quang học cao trong quá trình phát triển tinh thể và đáp ứng nhu cầu ứng dụng thực tế; các ứng dụng gần nhiệt độ Curie yêu cầu các phương pháp kiểm soát nhiệt độ chính xác; có những câu hỏi về cơ chế phun điện tích không gian và cực tính ở nhiệt độ Curie. Các vấn đề khoa học như vùng nano và cơ chế kiểm soát độ lệch chùm tia cần được nghiên cứu thêm.

Để hiển thị trực quan hơn những ưu điểm và nhược điểm của từng công nghệ làm lệch, một phân tích so sánh đã được tiến hành, như trong Bảng 1.

Bảng 1 So sánh các công nghệ làm lệch chùm tia

Bản tóm tắt

Các gương biến dạng vi cơ điện tử cơ học thường được sử dụng, gương phản xạ nhanh và điện kế quét thay đổi hướng của trục quang phát ra thông qua các phương tiện cơ học. Độ chính xác của chúng có thể đạt tới microrad và góc lệch có thể đạt tới hàng chục radian. Chúng có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong y học và các lĩnh vực khác. . Tuy nhiên, có những vấn đề như cấu trúc phức tạp, kích thước cồng kềnh và tiêu thụ năng lượng cao. Do kích thước lớn của hệ thống quang học thích ứng, gương biến dạng MEMS trong và ngoài nước chủ yếu được sử dụng trong lĩnh vực hình ảnh. Trong lĩnh vực làm lệch chùm tia, rất khó đáp ứng nhu cầu của môi trường không gian quy mô nhỏ. đáp ứng yêu cầu cao về hóa học và nhẹ.

Thiết bị lệch quang âm có băng thông làm việc lớn, nhưng khó đáp ứng độ chính xác lệch của microradian, đồng thời có yêu cầu cao về bước sóng, góc và năng lượng của ánh sáng tới và tiêu tốn năng lượng lớn.

Các phương pháp như mảng pha tinh thể lỏng và mảng vi thấu kính có mức tiêu thụ điện năng thấp và điện áp truyền động thấp, nhưng chúng có tốc độ phản hồi chậm, độ lệch góc không liên tục, góc lệch lớn nhưng hiệu suất lệch thấp ở các góc lớn, gây khó khăn cho việc đáp ứng yêu cầu nhiệm vụ của truyền băng thông lớn.

So với các công nghệ khác, bộ làm lệch chùm tia dựa trên tinh thể quang điện có ưu điểm là góc lệch tùy ý, kích thước nhỏ, tốc độ phản hồi nhanh và độ nhạy cao. Chúng được coi là phù hợp nhất để hiện thực hóa một trong những hướng đi hàng đầu của công nghệ làm lệch ánh sáng tốc độ cao. Trong số các loại vật liệu quang điện khác nhau, bộ làm lệch quang điện dựa trên tinh thể KTN có ưu điểm là độ lệch góc lớn, tốc độ phản ứng nhanh, hiệu suất làm lệch cao, độ chính xác độ lệch cao, hoạt động băng thông rộng, v.v. và có tiềm năng lớn hơn trong các ứng dụng trong các lĩnh vực như truyền thông quang học không gian, trở thành điểm nóng nghiên cứu trên toàn thế giới. Một mặt, công việc tiếp theo phải phân tích, nghiên cứu các đặc điểm, điều kiện phát triển của tinh thể KTN để phát triển tinh thể chất lượng cao với thành phần đồng đều và hình dạng đều đặn; mặt khác, chúng ta phải từng bước nghiên cứu cơ chế lệch hướng vi mô của tinh thể KTN, điều này rất quan trọng. ý nghĩa thực tiễn.