Découvrez la technologie de déviation de faisceau basée sur la communication optique spatiale en 3 minutes

La technologie de déviation du faisceau est un élément clé des communications laser en espace libre, et ses performances déterminent si les communications laser en espace libre peuvent répondre aux besoins de communication rapides et stables. La technologie de déviation de faisceau peut être divisée en deux catégories : la technologie de déviation de faisceau mécanique et la technologie de déviation de faisceau non mécanique. Parmi elles, les technologies de déviation mécanique du faisceau comprennent des galvanomètres à balayage, des miroirs à contrôle rapide et des miroirs déformables à système microélectromécanique ; Les technologies de déflexion non mécanique du faisceau comprennent la technologie de déflexion acousto-optique, la technologie de déflexion basée sur des matériaux à cristaux liquides et la technologie de déflexion électro-optique.

Jetons un coup d'œil aux caractéristiques des différentes technologies de déflexion du faisceau et à leurs perspectives d'application dans le domaine des communications optiques spatiales.

1. Galvanomètre à balayage

Le dispositif de déviation de faisceau mécanique le plus abouti est un galvanomètre à balayage, qui est essentiellement un réflecteur de lumière avec un temps de réponse échelonné de millisecondes/sous-millisecondes et une précision de pointage de l'ordre du microradian, comme le montre la figure 1.

Figure 1 Diagramme schématique du galvanomètre à balayage

Le système de balayage de galvanomètre présente une structure simple, une petite taille, une précision de balayage élevée, une vitesse rapide et un coût relativement faible. Cependant, il présente des problèmes tels qu'une plage de travail limitée, une distorsion en coussinet et une usure du galvanomètre. Cet appareil a atteint d’excellentes normes de performances en termes d’angle de déflexion. Par exemple, le galvanomètre à balayage série XG210 lancé par la société américaine THORLABS a un angle de déviation allant jusqu'à ±20 degrés. Actuellement, des chercheurs nationaux et étrangers travaillent à augmenter la vitesse de balayage et à utiliser des méthodes telles que les impulsions laser femtoseconde et les structures de galvanomètre multidimensionnel pour améliorer ses performances.

Cependant, pour les galvanomètres bidimensionnels et les technologies de balayage de galvanomètres de plus grande dimension, la structure du système est plus complexe et des erreurs d'orientation se produiront dans les applications pratiques, et de bonnes méthodes de correction sont nécessaires pour corriger les erreurs. À l'avenir, nous pourrons envisager d'utiliser une technologie de contrôle de structure variable et une technologie de contrôle d'axe composite à deux niveaux épais et minces pour aider à supprimer les erreurs résiduelles. Ils peuvent être appliqués dans des constellations de satellites présentant de bons environnements spatiaux et des cycles de travail courts pour obtenir un suivi et un balayage de haute précision avec une efficacité maximale. De plus, la puissance des lasers dans les communications laser est généralement très élevée, donc le choix de matériaux de miroir galvanométrique avec une réflectivité plus élevée pour réduire les dommages de surface est également un problème qui devra être résolu à l'avenir.

2. Rétroviseurs de direction rapides

Il existe deux structures pour les miroirs de direction rapide, FSM (comme le montre la figure 2) : l'une est la structure du cadre de l'axe XY, également appelée structure du système d'arbre ; l'autre est la structure d'axes flexibles, qui constitue actuellement la principale direction de développement du FSM.

Figure 2 (a) Diagramme de structure du cadre de l'axe XY des miroirs de direction rapide ; (b) Schéma de structure d'axe flexible des rétroviseurs de direction rapide

Le miroir de contrôle rapide présente les avantages d'une précision de positionnement élevée, d'une résolution angulaire élevée, d'une vitesse de réponse rapide et d'une taille compacte. Il est largement utilisé dans une variété de systèmes optomécaniques, et la structure de support flexible réduit également le frottement mécanique, mais dans les applications pratiques, cela nécessite. Combiné avec la grande structure de cadre à inertie, cela entraînera une certaine erreur d'axe optique.

À l'heure actuelle, d'une part, la recherche nationale dans ce domaine se concentre principalement sur la simulation structurelle et le contrôle du système de réflecteurs rapides, et les progrès dans le développement de nouveaux réflecteurs sont lents. Cela est également lié à la nécessité d’une vérification itérative continue et aux coûts élevés de recherche et développement. Par conséquent, le développement d'un système de simulation conjoint afin que la vérification physique puisse être simulée en ajustant certains paramètres du système, raccourcissant ainsi considérablement le cycle de développement, trouvant plus rapidement les paramètres de miroir rapide haute performance et améliorant l'efficacité de l'optimisation est quelque chose qui doit être exploré dans l'avenir.

D’un autre côté, les perturbations thermiques et les vibrations fondamentales existant dans l’environnement spatial provoqueront une distorsion et une gigue de l’axe optique lors du pointage de faisceaux de haute précision. Actuellement, la méthode existante consiste à utiliser un faisceau composé d'un interféromètre de Michelson et d'un miroir de contrôle rapide. Système d'alignement de pointage pour compenser le problème d'erreur d'axe optique. Cependant, cette méthode présente une faible précision dans la gestion des erreurs de mesure dynamique. Améliorer la précision des erreurs de mesure dynamiques pour compenser les erreurs en temps réel est un problème qui devrait être résolu à l’avenir.

3.Miroir déformable MEMS

Le miroir déformable à système microélectromécanique (MEMS-DM) est disponible en différents types tels que l'entraînement électrothermique, l'entraînement piézoélectrique, l'entraînement électrostatique et l'entraînement électromagnétique. Compte tenu du fait que l'entraînement électrostatique a une structure simple, il présente les avantages d'une vitesse de réponse rapide et de la capacité de fonctionner sous des signaux haute fréquence, il est donc principalement entraîné par une force électrostatique et est principalement mis en œuvre sous la forme de condensateurs plats. . Sa structure est illustrée à la figure 3.

Figure 3 Schéma de structure du lecteur de miroir déformable MEMS

Les miroirs déformables des systèmes microélectromécaniques présentent les avantages d'une densité unitaire élevée, d'un temps de réponse court, d'une faible consommation d'énergie, d'un faible coût et d'une bonne compatibilité des circuits intégrés, et sont plus largement utilisés dans le domaine de l'imagerie ; cependant, ils ont également une vitesse de numérisation lente et une faible consommation d’énergie lumineuse. , des problèmes tels qu'une plus grande lumière parasite. Ces dernières années, les chercheurs ont commencé à développer davantage d'actionneurs unitaires pour miroirs déformables afin d'augmenter la course du front d'onde et d'obtenir une fréquence d'images plus élevée ; dans le même temps, les miroirs déformables avec plus d'actionneurs entraîneront des contraintes mécaniques plus importantes, c'est pourquoi le choix de matériaux de base plus légers et de moindre dureté est la voie à suivre.

4. Technologie de déviation acoustique et lumineuse

La technologie de diffraction acousto-optique convertit les signaux électriques haute fréquence en ondes ultrasonores et les transmet au milieu de travail via un transducteur pour former un réseau qui utilise la diffraction des ondes lumineuses pour dévier le faisceau, comme le montre la figure 4. La diffraction acousto-optique L'effet est divisé en diffraction de Ramanes et diffraction de Bragg en fonction de la longueur de la zone acousto-optique. Étant donné que la diffraction de Ramanes a une faible efficacité d'utilisation de la lumière et que la diffraction de Bragg a une efficacité de diffraction élevée, la diffraction de Bragg est généralement utilisée.

Figure 4 Schéma de principe de la déviation acoustique et lumineuse

Les dispositifs de déflexion acousto-optique présentent les avantages d’une petite taille, d’un poids léger, d’une faible puissance motrice et d’une efficacité de diffraction élevée. Dans le même temps, la technologie de déviation acousto-optique possède également des capacités de traitement parallèle en temps réel, une large bande passante temporelle, une compatibilité facile avec les ordinateurs et un contrôle automatique. Cependant, il existe également les inconvénients suivants : la majeure partie de la lumière diffractée est une lumière diffractée du premier ordre, ce qui entraîne que le dispositif de déviation acousto-optique présente des inconvénients évidents dans la plage de déviation à grand angle, une faible précision de déviation et une difficulté à obtenir un contrôle précis. du faisceau et une faible résolution. , un « effet gazouillis » apparaîtra lors d'un balayage à grande vitesse.

En utilisant des méthodes telles que le suivi par ultrasons et la multifréquence monocristalline, la bande passante effective peut être augmentée pour résoudre le problème de la faible résolution. Pour "l'effet chirp", une lentille cylindrique peut être ajoutée après le déflecteur pour éliminer son influence. À l'heure actuelle, il existe de nombreuses études sur la fréquence des ondes acoustiques incidentes, et différentes méthodes d'amélioration expérimentale ont été réalisées pour améliorer l'efficacité de diffraction et les performances de réponse en fréquence du déflecteur acousto-optique sous l'incidence des ondes ultrasonores, mais les performances L'augmentation de l'angle de déviation a rarement été analysée.

À l’avenir, une technologie de vecteur d’onde acoustique contrôlable pourra être envisagée pour modifier la direction incidente de l’onde acoustique afin d’élargir son angle de balayage de déviation. D’autres indicateurs des performances de déflexion des déflecteurs acousto-optiques, notamment les performances de bande passante, la capacité antistatique et la stabilité thermique, sont également des points chauds de la recherche actuelle.

Technologie de déviation 5.LCD

Les technologies de déviation de faisceau basées sur des matériaux à cristaux liquides comprennent principalement : les réseaux multiéléments à cristaux liquides, les réseaux de microlentilles à cristaux liquides et les réseaux polarisants à cristaux liquides.

La technologie LCOPA (Liquid Crystal Optical Phased Array) consiste à appliquer une tension aux molécules de cristaux liquides via des électrodes. Étant donné que les molécules de cristaux liquides ont un effet de biréfringence contrôlé électroniquement, la tension appliquée contrôle le degré de déviation des molécules de cristaux liquides dans différents états, affectant ainsi l'onde du faisceau. Il joue le rôle de modulation de phase en avant pour réaliser le balayage du faisceau, comme le montre la figure 5.

Figure 5 Schéma de principe de la déviation du réseau multiéléments à cristaux liquides

LCOPA présente les avantages d'un pilotage haute puissance et basse tension, et peut réaliser une déviation de faisceau de haute précision avec dextérité et sans inertie mécanique. Cependant, il présente des inconvénients tels qu’un temps de réponse long et une courte largeur de spectre de fonctionnement. De plus, le petit angle de déviation limite également la plage d'application du LCOPA, qui nécessite un dispositif d'amplification d'angle pour obtenir un angle de déviation plus grand. Cependant, en raison de facteurs tels que l'ouverture effective et l'angle de sortie du dispositif d'amplification d'angle, il est actuellement difficile pour le dispositif d'amplification d'angle d'obtenir un grossissement d'angle plus élevé. Dans le même temps, le réseau multiéléments à cristaux liquides aura plusieurs ordres de diffraction pendant le fonctionnement, et couplé à l'influence des effets de corrélation non linéaire, l'efficacité de déviation du LCOPA sera réduite.

Le réseau de micro-lentilles à cristaux liquides (LCMLA) se compose de 3 réseaux de lentilles, comme le montre la figure 6. Comparé au LCOPA, le LCMLA a un angle de déflexion plus grand et n'est pas affecté par la zone de retour optique, de sorte que l'efficacité de la déflexion est plus élevée ; affectée par le temps de changement de l'arrangement moléculaire LC dans le matériau à cristaux liquides, la différence de chemin optique requise par LCMLA est plus longue que celle de LCOPA. Petit, l'épaisseur peut être réduite, de sorte que LCMLA a un temps de réponse plus court que LCOPA. Cependant, pour obtenir un balayage continu par déviation du faisceau, le LCMLA doit être utilisé en combinaison avec certains dispositifs de déviation à angle fin, ce qui augmente la complexité de mise en œuvre de l'application. De plus, le LCMLA est composé d'un réseau de lentilles multicouches et la stabilité du système est pire que celle du LCOPA. LCMLA obtient une déviation du faisceau en modifiant l'ordre de diffraction principal de la lumière émise. La cohérence spatiale du réseau de microlentilles affecte sa résolution, ce qui nécessite une très petite erreur dans la taille de la microlentille, ce qui constitue un problème majeur à résoudre.

Figure 6 Diagramme schématique d'un réseau de microlentilles à cristaux liquides

Le principe du réseau de polarisation à cristaux liquides (LCPG) est que la lumière incidente traverse le polariseur pour former une lumière gauche et une lumière droite, puis traverse le LCPG pour dévier le faisceau lumineux dans deux directions différentes. Le trajet de la lumière de déviation est illustré à la figure 7. Le LCPG n'est pas affecté par l'effet de bord du champ électrique et présente une haute résolution, un contrôle programmable, une légèreté et une flexibilité. LCPG n'a besoin que de générer la différence de chemin optique de la plaque demi-onde équivalente, et l'épaisseur requise de la couche de cristaux liquides est plus fine, ce qui rend son temps de réponse plus court. Il est rapide et n'a pas l'impact du retour optique provoqué par la réinitialisation de phase. De plus, il peut également réaliser un fonctionnement à large spectre. Cependant, il est difficile pour un seul LCPG d'atteindre simultanément les exigences d'indice de plusieurs angles et d'un large champ de vision, et le LCPG multicouche a des exigences élevées en matière de processus de préparation et de stabilité du système.

Figure 7 Diagramme schématique du réseau de polarisation à cristaux liquides

Le LCOPA traditionnel est léger et flexible et peut réaliser une déviation fine dans une petite plage d'angle. La complexité du système est relativement simple et le processus de préparation est relativement mature. Cependant, il est affecté par la zone de retour optique provoquée par la réinitialisation de phase, et il existe des déficiences évidentes en termes d'efficacité de déviation, de temps de réponse et d'autres indicateurs. , nécessite encore une amélioration et un développement continus. LCMLA et LCPG ne sont pas affectés par la zone de retour optique et ont grandement amélioré l'efficacité de la déflexion. Cependant, ils doivent tous deux être équipés de dispositifs de déviation à angle fin pour obtenir un balayage de déviation quasi continu du faisceau, et tous deux utilisent plusieurs étages pour atteindre l'angle de déviation maximal. La structure en série conduira à un système trop long et relativement peu stable. Comparé au LCOPA et au LCMLA, le LCPG présente non seulement les caractéristiques d'un grand angle de déviation et d'une efficacité de déviation élevée, mais présente également l'avantage unique d'un fonctionnement à large spectre, mais il ne peut réaliser un balayage de déviation du faisceau qu'avec un grand intervalle angulaire. À l’heure actuelle, la technologie de déviation des cristaux liquides est la plus étudiée en matière de déviation non mécanique, mais il existe des limites importantes pour obtenir de grands angles et une efficacité élevée dans des conditions de lumière non polarisée. Pour résoudre ce problème, l'architecture du dispositif et le type de matériau peuvent être pris en compte ; lors de l'utilisation de dispositifs à réseau polarisant à cristaux liquides, il est difficile d'obtenir une déviation angulaire continue pour des déviations angulaires importantes. Ce sont des problèmes qui devront être résolus à l’avenir.

6. Technologie de déviation électro-optique

La technologie de déviation électro-optique est réalisée en utilisant la déviation générée par le gradient d'indice de réfraction perpendiculaire à la direction de propagation du faisceau, comme le montre la figure 8. Par rapport à d'autres technologies, les déflecteurs de faisceau basés sur des cristaux électro-optiques présentent les avantages d'une déviation arbitraire. angle, petite taille, vitesse de réponse rapide et haute sensibilité, mais ils ont le problème de la faible résolution.

Figure 8 Schéma de principe de la déviation électro-optique

Ces dernières années, des matériaux électro-optiques ayant des effets électro-optiques secondaires ont été signalés au pays et à l'étranger, tels que le niobate de lithium, le titanate de baryum, etc. Comparés aux cristaux à effets électro-optiques linéaires, ils sont supérieurs en termes de performances telles que la réponse vitesse et tension de déviation. Parmi eux, les cristaux KTN sont les plus représentatifs.

Le cristal KTN est le cristal actuellement connu avec le plus grand effet électro-optique secondaire. Il présente des caractéristiques exceptionnelles telles qu'une constante diélectrique élevée, une faible perte diélectrique, une ferroélectricité évidente et d'excellentes propriétés optiques non linéaires. Ses applications sont très larges dans le domaine de la déflexion des faisceaux. perspective. À l'heure actuelle, des sociétés étrangères telles que la société japonaise NTT et l'Université de Pennsylvanie aux États-Unis, ainsi que l'Institut de technologie de Harbin, l'Université de Nankai et l'Académie des sciences du Shandong, ont effectué de nombreuses recherches sur les caractéristiques de déflexion du KTN. cristaux.

La société NTT et l'Université de Pennsylvanie ont principalement étudié la technologie de déviation du faisceau cristallin KTN basée sur l'injection de charges d'espace ; L'Académie des sciences du Shandong a principalement étudié la technologie de déviation du faisceau induite par le gradient de composition du cristal KTN ; L'Institut de technologie de Harbin et d'autres ont principalement étudié les électrodes des déflecteurs de faisceau à cristaux KTN. Les problèmes d'ingénierie tels que la structure et la température de fonctionnement ont été étudiés.

Les problèmes suivants existent actuellement : il est difficile d'obtenir une uniformité optique élevée dans la croissance cristalline et de répondre aux besoins des applications pratiques ; les applications proches de la température de Curie nécessitent des méthodes précises de contrôle de la température ; des questions se posent sur le mécanisme d'injection de charge d'espace et la polarité à la température de Curie. Des questions scientifiques telles que la nanorégion et le mécanisme de contrôle de la déviation du faisceau nécessitent des recherches plus approfondies.

Afin d'afficher de manière plus intuitive les avantages et les inconvénients de chaque technologie de déflexion, une analyse comparative a été réalisée, comme le montre le tableau 1.

Tableau 1 Comparaison des technologies de déflexion du faisceau

Résumé

Les miroirs déformables microélectromécaniques mécaniques couramment utilisés, les miroirs à réflexion rapide et les galvanomètres à balayage modifient la direction de l'axe optique émis par des moyens mécaniques. Leur précision peut atteindre des microradians et l’angle de déflexion peut atteindre des dizaines de radians. Ils ont de larges perspectives d’application en médecine et dans d’autres domaines. . Cependant, il existe des problèmes tels qu'une structure complexe, une taille volumineuse et une consommation d'énergie élevée. En raison de la grande taille des systèmes optiques adaptatifs, les miroirs déformables MEMS au pays et à l'étranger sont principalement utilisés dans le domaine de l'imagerie. Dans le domaine de la déviation du faisceau, il est difficile de répondre aux besoins des environnements spatiaux à petite échelle. pour répondre aux exigences élevées de chimisation et de légèreté.

L'équipement de déviation acousto-optique a une large bande passante de travail, mais il est difficile d'atteindre la précision de déviation des microradians, et il a des exigences élevées en matière de longueur d'onde, d'angle et d'énergie de la lumière incidente et consomme d'importantes pertes d'énergie.

Les méthodes telles que les réseaux multiéléments à cristaux liquides et les réseaux de microlentilles ont une faible consommation d'énergie et une faible tension de commande, mais ils ont une vitesse de réponse lente, une déviation angulaire discontinue, de grands angles de déviation mais une faible efficacité de déviation aux grands angles, ce qui rend difficile la satisfaction des exigences de la tâche de transmission à large bande passante.

Par rapport à d'autres technologies, les déflecteurs de faisceau basés sur des cristaux électro-optiques présentent les avantages d'un angle de déviation arbitraire, d'une petite taille, d'une vitesse de réponse rapide et d'une sensibilité élevée. Ils sont considérés comme les plus appropriés pour réaliser l’une des principales orientations de la technologie de déviation de la lumière à grande vitesse. Parmi divers types de matériaux électro-optiques, les déflecteurs électro-optiques basés sur des cristaux KTN présentent les avantages d'une déviation à grand angle, d'une vitesse de réponse rapide, d'une efficacité de déflexion élevée, d'une précision de déviation élevée, d'un fonctionnement à large bande passante, etc., et ont un plus grand potentiel. dans des applications dans des domaines tels que les communications optiques spatiales, devenant ainsi un point chaud de la recherche dans le monde entier. D'une part, les travaux ultérieurs doivent analyser et étudier les caractéristiques et les conditions de croissance des cristaux KTN pour faire croître des cristaux de haute qualité avec une composition uniforme et une forme régulière ; d’autre part, il faut étudier progressivement le mécanisme de déviation microscopique des cristaux KTN, ce qui est très important. importance pratique.