液晶相控陣技術的研究進展

羅娜　楊文皓　王琦

關鍵詞：液晶相控陣；光束精確偏轉；高能激光；空間光通信；激光雷達

中圖分類號：O 753.2 文獻標志碼：A

引言

光束偏轉技術是指控制光束在一定空間內進行精準的指向，因其具有靈巧、精準和保密性強等優(yōu)勢，在激光雷達、空間光通信、生物醫(yī)學和軍事等諸多領域有著廣泛的應用背景[1-5] 。光束偏轉是實現目標搜索、瞄準、跟蹤、捕獲和成像的重要技術環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的光束偏轉技術[6-8] 主要依靠機械轉動裝置實現光束指向控制。但是傳統(tǒng)機械式光束偏轉具有體積大、能耗高、系統(tǒng)復雜和不易控制等缺點。隨著新型激光雷達和空間光通信技術的出現，對光束偏轉技術的要求也越來越高，傳統(tǒng)的機械式光束偏轉技術已經不能滿足現代技術的需求，因此許多新型光束偏轉技術應運而生，主要包括微機械式光束偏轉技術、聲光光束偏轉技術和電光光束偏轉技術。

微機械式光束偏轉技術通過微機電系統(tǒng)控制微小位移實現光束偏轉，該技術雖然對機械式光束偏轉技術問題進行了優(yōu)化，但是存在結構復雜，能耗高的缺點；聲光光束偏轉技術是利用聲光效應來構建成不同的光柵，使光束衍射到相應的角度來實現光束偏轉的技術[9]，與微機式光束偏轉技術相比具有結構簡單、驅動功率小和易操作等優(yōu)點，但是偏轉角度小，衍射效率低；電光光束偏轉技術不同于微機式和聲光光束偏轉技術，它是利用電光效應使介質折射率發(fā)生變化，從而對光束方向進行控制。液晶作為電光光束偏轉技術的主要材料，其具有驅動電壓低、相位調制深度大和損傷閾值高等優(yōu)點[10]，更能滿足新型激光雷達和空間光通信技術的需求。

本文從國內外的研究現狀對液晶相控陣進展進行介紹，并對液晶相控陣關鍵技術的研究進行了總結，介紹了液晶相控陣在高能激光、空間光通信和激光雷達中的應用。

1 液晶相控陣技術

液晶相控陣是以液晶為相位調制材料，結合電控可編程電極陣列的相控調制器件，每個電極和它所控制區(qū)域的液晶組成一個可控單元，當對每個可控單元施加不同驅動電壓時，會使液晶分子的指向矢發(fā)生不同程度上的偏轉，進而影響到液晶分子的有效折射率，達到對該器件的光束進行相位調制，改變光束的出射方向，在指定的方向上產生遠場干涉，實現光束偏轉。其具備結構緊湊、體積小、重量輕和驅動電壓低等優(yōu)點，不僅可以提高激光光束指向的分辨率，精準空間掃描角度[11]，而且能夠提供精確穩(wěn)定的、快速捷變的光束偏轉和波束賦形[12]。在激光雷達、空間光通信和紅外追蹤等領域具有重要的研究應用價值。

1.1 國外研究現狀

國外對于液晶相控陣的研究開始得比較早。1984 年，美國的Raytheon 公司就著手進行了研究，5 年后，世界上第一個液晶相控陣器件問世， 所使用的波長為1.06 μm。1991 年，Raytheon 公司又研制出了一個有效口徑為4.3 cm×4.1 cm，單元間距為1 μm 的液晶相控陣，如圖1（a）所示。1996 年，Raytheon 公司研制出了一種一維反射式液晶相控陣，該器件具有更高的衍射效率，有效口徑為2 cm×2 cm，有5 000 根電極，電極間距為2μm，其使用波長為1.06 μm，可實現±5°范圍內的角度偏轉。2000 年，RockwellScientific 公司研制出有效口徑為5 mm×5 mm，相控單元寬10 μm，長5 mm，在有效空間內含有512 根電極，工作波長為1.5 μm，可在±1.5°范圍內實現連續(xù)偏轉的液晶相控器件，如圖1（b）所示[13]。結合大角度偏轉裝置，能夠實現±20°范圍內的連續(xù)角度偏轉，制成的樣機如圖1（c）所示[13]。2001 年，美國的BNS 公司推出首個基于LCoS（Liquid Crystal on Silicon）的一維反射式液晶相控陣[14]，如圖1（e）所示，此器件有效口徑為0.74 cm×0.74 cm，電極寬度1 μm，電極間距0.8 μm，具有4 086 個可控單元，驅動電壓5 V，工作波長在514 ～1 550 nm 之間， 偏轉角度為±3°[15]。2004 年，BNS 又發(fā)布一款電極數為12 288 根，電極寬度1 μm，電極間距縮小為0.6 μm，驅動電壓從5 V 增加到13.2 V 的液晶相控陣[16]， 如圖1（ f） 所示。2005 年RockwellScientific 公司推出了雙頻液晶透射式液晶相控陣，不同于反射式，它具有更低的系統(tǒng)Swap[17]（體積、重量和功率） ， 如圖1（ d）所示。2006年，BNS 公司推出了一維液晶空間光調制器，該器件的獨立可控陣元數為12 288 根，有效孔徑為19.66 mm×19.66 mm，零級衍射光效率為80%～90%，光束偏轉角度為±（4°～7°），響應時間為5～30 ms，工作波長范圍為635 nm～1.55 μm。2007 年，BNS 公司又推出了二維液晶空間光調制器，該器件獨立可控陣元數為 512×512，工作波長范圍為532 nm～1.55 μm。兩款產品的實物圖如圖1（h）—（j）所示。

為了獲得更大角度的偏轉，BNS 公司提出通過級聯的方法，將兩個相控陣器件進行級聯。Rockwell Scientific 公司通過此法，最終獲得了有效口徑為4 cm×4 cm，電極寬度為8 μm，工作波長為1.55 μm， 偏轉角為±1.25°的液晶相控器件， 系統(tǒng)樣機如圖2（ a） 所示。2007 年Raytheon 公司根據APPLE 項目，對器件進行優(yōu)化，電極數增至10 000 根，電極間距1 μm，有效口徑4 cm，并進行了113 W/cm ²耐受激光功率測試，如圖2（a）所示。如圖2（b）所示，采用粗精兩級系統(tǒng)，提高了角度偏轉范圍，該系統(tǒng)能夠實現±20°角度偏轉。2009 年，David等公布了一種利用鐵電液晶制成的光學相控陣，可實現0 至2 弧度的角度偏轉，偏轉效率可達91%[18]。2017 年，SLM 公司制作并發(fā)表了一款二維液晶相控陣，獨立可控電極數為20 736 根，單元天線的尺寸為8 μm×8 μm，有效孔徑為15.36 mm×8.64 mm，響應速度很快，僅有5.6 ms[19]。2019年，新加坡材料研究與工程研究所Yin 等[20] 提出一種基于一維納米天線透射式液晶空間光調制器，可以在0～11°的偏轉角度內實現光束掃描，衍射效率大于35%。

1.2 國內研究

相比較國外的研究，國內對液晶相控陣的研究開始的相對較晚。2002 年，長春光機所，以液晶為調制材料設計出了用于實驗的光學相控陣掃描系統(tǒng)[21]。2006 年，電子科技大學在對液晶光柵的原理和理論進行了分析計算后設計出了電控液晶光柵[22]。2008 年，哈爾濱工業(yè)大學對液晶相控陣進行了數學建模和仿真，研制出的一維透射式液晶相控陣，最大偏轉角度為 2.001 4°[23]。2010 年，電子科技大學研制出了電極周期為5 μm，電極間距為1 μm，液晶盒6 μm，電極寬度為4 μm 的液晶相控陣，總的驅動電極數為1920 根，通光口徑為11 cm×11 cm，有效區(qū)域10 mm×10 mm，可對1.62 μm 波長的波束進行光束偏轉，實現了±3°范圍內的角度掃描，如圖3（a）所示。2016 年，電子科技大學在原有的液晶相控器件的基礎上進行了優(yōu)化，設計出了第二代液晶相控器件，電極寬度為4 μm，電極間隔1 μm，液晶盒厚為7 μm，陣列大小為 10 mm×10 mm，可控陣元電極為 1 920 根，在入射激光波長為1 064 nm 的條件下，實現了±5°范圍內的連續(xù)光束掃描。如圖3（b）所示。2018 年，電子科技大學設計出一種PA-in-PA 結構的大口徑液晶空間光調制器，其可以在0°～3°范圍內實現光束偏轉，光束衍射效率超過80%。2019 年，李松振等人設計了一種二維液晶光柵，在外加電場的作用下，二級光的衍射效率可達80%，它可以實現低散射、高效率的光束偏轉。2020 年，合肥工業(yè)大學提出了一種基于向列相液晶的F 波段移相器，該器件面積為4 mm×4 mm，厚度為490 μm，當外加電壓從0～4 V 時，相移變化從0°～350.7°。2021 年，電子科技大學設計并制作出了可堆疊光學相控陣，可適用于任何液晶材料，轉向精度可達10 μrad，最快響應時間為1.52 ms，且這種結構具有實現亞毫秒響應的潛力。

2 液晶相控陣關鍵技術研究

2.1 波束控制

單個的液晶相控陣器件可實現的角度偏轉有限，為增大角度偏轉范圍、提高分辨率，人們開始研究多個元件的組合。2004 年，佛羅里達大學級聯多個電控雙折射棱鏡，將作為精掃描的液晶相控陣器件與一組二進制的棱鏡組合，光束通過每一層雙折射棱鏡都能獲得一定的角度放大，經過一系列的雙折射棱鏡后系統(tǒng)能夠達到±48°的偏轉范圍，如圖4（a）所示。2009 年，Raytheon公司將液晶空間光調制器與體全息光柵級聯，實現了±45°范圍內的二維光束掃描，衍射效率為15%～20%。2011 年，電子科技大學將布拉格光柵與液晶空間光調制器級聯，在0～11.82°范圍內實現了連續(xù)掃描，光束偏轉效率為～2%。2017年，Steven[24] 等人將他們新研制的多個液晶光柵級聯在一起，實現了二維光柵掃描，掃描范圍為64°×64°，角度分辨率為3.2°，衍射效率可達80%。2017 年，電子科技大學的汪相如團隊[25]將兩組一維液晶相控陣器件分別放在兩條光路上得到二維光束小角度范圍內的掃描，當偏轉角度在0.19°范圍內時，偏轉精度大于25 rad，偏轉效率為 84.7%，光路圖如圖4（ b）所示。2018年，電子科技大學提出將液晶相控陣與倒置望遠鏡系統(tǒng)結合，也實現了光束在大角度范圍的掃描。2019 年，長春理工大學將液晶偏振光柵與液晶半波片級聯，并將兩組這樣的組合分別放在X、Y 方向上，實現了二維光束的掃描，掃描視場為40°× 40°，如圖4（c）所示。

2.2 系統(tǒng)分析建模

掃描模型[26]，1996 年，美國空軍高級研究實驗室建立了分析光學相控陣的通用模型——閃耀光柵模型。閃耀光柵模型又在S.Serati 分析和應用中進一步發(fā)展。在2010 年，孔令講提出非周期閃耀模型[27]，豐富了掃描模型種類。周期閃耀光柵模型能夠實現的偏轉角度有限且呈離散狀態(tài)，而非周期閃耀光柵模型能實現任意連續(xù)的角度偏轉，但是會受到調制精度和電壓量化的影響。2016 年，汪相如為實現超高精度掃描，提出子孔徑相干法[28]，進一步優(yōu)化了掃描模型。

器件模型[26]，主要用于分析邊緣效應、回程區(qū)和相位凹陷對液晶相控陣的影響。為了分析影響衍射效率的因素，James 等[29] 分析了邊緣效應，發(fā)現邊緣效應會導致不對稱的能量轉移，且隨著入射角的增大邊緣效應的影響將會降低；徐林對相位凹陷和回程區(qū)進行了分析，發(fā)現衍射效率隨著相位凹陷和回程區(qū)的變大而顯著減小。因器件本身邊緣效應無法忽略，并對器件性能產生很大的影響。Hallsting[30] 給出了邊緣效應對波面展寬的經驗模型并提出修正柵極電壓降低邊緣效應。Person 等[31] 提出使用修正全息圖減小邊緣效應。Chiang 提出使用圓偏振光減小邊緣效應。Efron 和Apter 對邊緣效應進行了仿真，分析并驗證了液晶層厚度和電極寬度越大邊緣效應越強。

2.3 系統(tǒng)性能優(yōu)化

系統(tǒng)性能優(yōu)化包括精度優(yōu)化與效率優(yōu)化。Tholl[32] 發(fā)現波束偏轉角是由波陣面展開的平均斜率決定。為了提高偏轉精度，Engstrom采取微調相位面法修正波陣面斜率，但這樣會降低衍射效率。宋艷[33] 在未考慮邊緣效應的影響下，提出電壓量化臺階相位面平移法，提高了掃描精度和效率。周研等提出優(yōu)化波陣面斜率法，修正了波束指向角度。

效率優(yōu)化是衡量系統(tǒng)性能的重要因素。Hallstig 等發(fā)現衍射效率降低的直接原因是波陣面的相位畸變，給出了計算波陣面相位偏差均方根誤差的公式，提出相位修正可以通過調節(jié)電壓與波陣面的相位偏差的比例系數來實現[30]。

Mcmanamon 提出對電壓進行校正可以采用爬山法[34]，而尹曉虎[35] 則采用模式搜索自適應法對電壓進行校正。Harris 提出調節(jié)電壓–相位延遲系數對相位進行優(yōu)化[36]。卓一靜等[37] 利用相位恢復算法獲得真實波陣面分布，并利用波前迭代控制算法對波陣面相位畸變進行補償。

3 液晶相控陣的應用

3.1 高能激光

目前，液晶相控陣高耐受功率的研究依然是各國的研究熱點。率先開始研究的是美國的Raytheon 公司和美國空軍研究實驗室。Raytheon公司早在2007 年公布了可耐受激光功率高達113 W/cm² 的液晶相控陣， 如圖2（ b） 所示。2010 年，美國空軍實驗室公布他們所研制的可耐受100 W/cm²功率的光學相控陣。在耐受功率研究過程中熱沉積是主要解決的問題，一方面要減少產熱，另一方面要增大散熱。 由于石英玻璃的導熱系數為1 W/（m·K），而硅片的導熱系數為148 W/（m·K），因此將石英玻璃用硅片代替極大程度上增加了散熱。傳統(tǒng)的液晶相控陣結構是透射式的，而反射式液晶相控陣可以減少對激光的吸收，并且由于光束兩次經過液晶層，它對光束產生的相位延遲量是透射式液晶相控陣的兩倍，在結構上還可以在背面安裝水冷散熱系統(tǒng)，增加器件的散熱，在高能激光應用中比透射式液晶相控陣更有優(yōu)勢。

2017 年，電子科技大學設計了反射式的液晶相控陣，設計了高效的散熱模塊導電層，耐受功率達到272.4 W/cm²。

3.2 空間激光通信

液晶相控陣應用于空間激光通信領域是其發(fā)展的必然趨勢。其傳播信息容量大、通信頻帶寬、抗干擾能力強等優(yōu)點讓其在軍用和民用領域都具有極大的優(yōu)勢。歐洲航天局（ESA）和日本是最早開始進行空間激光通信實驗的。ESA 從1985 年開始就發(fā)射了裝有半導體激光器的衛(wèi)星，并進行了太空中衛(wèi)星與衛(wèi)星之間的激光通信的實驗。1994 年，ESA 建立了激光通信基站。2001 年ESA 又搭建地球同步衛(wèi)星激光通信，隨后又發(fā)射了一枚中繼衛(wèi)星，與1998 年法國發(fā)射的激光通信終端進行通信實驗，在此過程中，通信速率可達50 Mbit/s，誤碼率為10^?6。同年又進行了激光通信基站與中繼衛(wèi)星之間的高速率通信，在實驗過程中，地球同步衛(wèi)星終端接收來自低軌衛(wèi)星終端的數據，傳輸速率可達50 Mbtit/s，方向傳輸速率為2 Mbtit/s[38]。2008 年ESA 在45 000 km 的高空，使用激光通信技術進行了1.8 Gbit/s 的激光實驗。而日本也在2003—2006年間，完成激光通信測試，實現低軌衛(wèi)星與地面移動光學站的傳輸。2014 年日本設計完成了質量僅為5.8 kg 的通信終端，最大傳輸距離可達1 000 km，下行通信速率為 10 Mbit/s。美國航天局在2000 年完成激光通信演示系統(tǒng)，2013 年實現月球軌道與多個地面基站的通信，最大下行和上行速率分別達到 622 Mbit/s 和 20 Mbit/s。2019年，電子科技大學，提出一種雙用戶接入的光架構，可以顯示中繼衛(wèi)星終端和用戶終端的一對一通信鏈路，此架構跟蹤精度小于50 μrad。

3.3 激光雷達

液晶光學相控陣激光雷達具有掃描速度快、靈活性高、體積小、重量輕且能進行遠距離掃描等優(yōu)點，在軍事和民用領域備受關注。2005 年美國空軍實驗公布了他們設計的液晶光學相控陣雷達系統(tǒng)，如圖5（a）所示，其光學移相器大小為4 cm，此激光雷達系統(tǒng)的最大特點在于它的光束發(fā)射系統(tǒng)是100 kW 的光纖激光器陣列，該陣列是由很多個4 W 的光纖激光構成。2004年，雷聲公司設計了重2 kg 的可編程相控陣激光雷達， 體積小， 僅約為1600 cm³（ ≈12 cm×12 cm×12 cm），總功耗小于10 W，其距離分辨率可達0.2 m 且作用距離可實現4 000 m，因其響應速度慢，穩(wěn)定性不高，沒有進一步應用，如圖5（b）所示。2007 年，雷聲公司的APG-79 相控陣激光雷達在經過美國海軍的允許后裝備在了F/A-18 戰(zhàn)斗機上，它具有很強的目標跟蹤能力，在空攻擊時可以在較遠的距離上將目標截獲，如圖5（b）所示。2007 年，哈爾濱工業(yè)大學采用液晶光波導和達曼光柵研制出了相控陣激光雷達系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠實現二維掃描，視場角為10°× 10°，角分辨率為0.67 mrad，能夠探測1.52 km，距離分辨率可達1.5 ～1.9 m，每幀掃描25×50 個點，成像速率可達16～24 幀/s。電子科技大學和中國科技集團第27 所研究所共同研制了液晶光學相控陣并進行了激光雷達實驗。

4 結論

液晶相控陣因其掃描精度高、輕便靈巧和驅動電壓低等優(yōu)勢備受業(yè)內關注。本文總結了液晶相控陣國內外的研究現狀和關鍵技術的研究，同時也總結了液晶相控陣在高能激光、空間光通信和激光雷達中的應用成果。希望為液晶相控陣的后續(xù)研究提供一些參考。