Dysgwch am Dechnoleg Gwyriad Beam yn Seiliedig ar Gyfathrebu Optegol Gofod mewn 3 Munud

Mae technoleg gwyro trawst yn elfen allweddol o gyfathrebu laser gofod rhydd, ac mae ei berfformiad yn pennu a all cyfathrebiadau laser gofod rhydd ddiwallu anghenion cyfathrebu cyflym a sefydlog. Gellir rhannu technoleg gwyro trawst yn ddau gategori: technoleg gwyro trawst mecanyddol a thechnoleg gwyro trawst anfecanyddol. Yn eu plith, mae technolegau gwyro trawst mecanyddol yn cynnwys galfanomedrau sganio, drychau rheoli cyflym, a drychau anffurfiadwy systemau micro-electromecanyddol; mae technolegau gwyro pelydr anfecanyddol yn cynnwys technoleg gwyro acwsto-optig, technoleg gwyro yn seiliedig ar ddeunyddiau crisial hylifol, a thechnoleg gwyro electro-optegol.

Gadewch i ni edrych ar nodweddion gwahanol dechnolegau gwyro trawst a'u rhagolygon cymhwyso ym maes cyfathrebu optegol gofod.

1.Scanning galvanometer

Galfanomedr sganio yw'r ddyfais gwyro trawst mecanyddol mwyaf aeddfed, sydd yn ei hanfod yn adlewyrchydd golau gydag amser ymateb cam o milieiliadau/is-milieiliadau a chywirdeb pwyntio microradianau, fel y dangosir yn Ffigur 1.

Ffigur 1 Diagram sgematig o galfanomedr sganio

Mae gan y system sganio galfanomedr strwythur syml, maint bach, cywirdeb sganio uchel, cyflymder cyflym, a chost gymharol isel. Fodd bynnag, mae ganddo broblemau megis ystod waith gyfyngedig, ystumiad pincushion, a gwisgo galfanomedr. Mae'r ddyfais hon wedi cyrraedd safonau perfformiad rhagorol o ran ongl gwyro. Er enghraifft, mae gan y galfanomedr sganio cyfres XG210 a lansiwyd gan y cwmni THORLABS Americanaidd ongl gwyro hyd at ± 20 gradd. Ar hyn o bryd, mae ymchwilwyr gartref a thramor yn gweithio ar gynyddu'r cyflymder sganio a defnyddio dulliau megis corbys laser femtosecond a strwythurau galfanomedr aml-ddimensiwn i wella ei berfformiad.

Fodd bynnag, ar gyfer galfanomedrau dau ddimensiwn a thechnolegau sganio galfanomedr uwch-ddimensiwn, mae strwythur y system yn fwy cymhleth, a bydd gwallau cyfeiriadedd yn digwydd mewn cymwysiadau ymarferol, ac mae angen dulliau cywiro da i gywiro'r gwallau. Yn y dyfodol, gallwn ystyried defnyddio technoleg rheoli strwythur amrywiol a thechnoleg rheoli echelin cyfansawdd dwy lefel trwchus a denau i gynorthwyo i atal gwallau gweddilliol. Gellir eu cymhwyso mewn cytserau lloeren gydag amgylcheddau gofod da a chylchoedd gwaith byr i gyflawni olrhain a sganio manwl uchel gyda'r effeithlonrwydd mwyaf posibl. Yn ogystal, mae pŵer laserau mewn cyfathrebu laser yn gyffredinol uchel iawn, felly mae dewis deunyddiau drych galfanomedr gydag adlewyrchedd uwch i leihau difrod arwyneb hefyd yn broblem y mae angen ei datrys yn y dyfodol.

Drychau Llywio 2.Fast

Mae dau strwythur ar gyfer Drychau Llywio Cyflym, FSM (fel y dangosir yn Ffigur 2): un yw strwythur ffrâm echel XY, a elwir hefyd yn strwythur system siafft; y llall yw'r strwythur echel hyblyg, sef prif gyfeiriad datblygu PYDd ar hyn o bryd.

Ffigur 2 (a) Diagram strwythur ffrâm echel XY o'r Drychau Llywio Cyflym; (b) Diagram strwythur echelin hyblyg o'r Drychau Llywio Cyflym

Mae gan y drych rheoli cyflym fanteision cywirdeb lleoli uchel, cydraniad onglog uchel, cyflymder ymateb cyflym, a maint cryno. Fe'i defnyddir yn eang mewn amrywiaeth o systemau optomecanyddol, ac mae'r strwythur cymorth hyblyg hefyd yn lleihau ffrithiant mecanyddol, ond mewn cymwysiadau ymarferol mae'n ei gwneud yn ofynnol Yn ogystal â strwythur ffrâm syrthni mawr, bydd yn arwain at gamgymeriad echel optegol penodol.

Ar hyn o bryd, ar y naill law, mae ymchwil domestig yn y maes hwn yn canolbwyntio'n bennaf ar efelychiad strwythurol a rheolaeth system o adlewyrchwyr cyflym, ac mae cynnydd yn natblygiad adlewyrchwyr newydd yn araf. Mae hyn hefyd yn gysylltiedig â'r angen am wirio ailadroddol parhaus a chostau ymchwil a datblygu uchel. Felly, datblygu system efelychu ar y cyd fel y gellir efelychu gwirio corfforol trwy addasu paramedrau penodol yn y system, a thrwy hynny fyrhau'r cylch datblygu yn fawr, dod o hyd i baramedrau drych cyflym perfformiad uchel yn gyflymach, a gwella effeithlonrwydd optimeiddio yn rhywbeth y mae angen ei archwilio. y dyfodol.

Ar y llaw arall, bydd aflonyddwch thermol a dirgryniadau sylfaenol sy'n bodoli yn yr amgylchedd gofod yn achosi ystumiad echelin optegol a jitter wrth bwyntio trawstiau manwl uchel. Ar hyn o bryd, y dull presennol yw defnyddio trawst sy'n cynnwys interferomedr Michelson a drych rheoli cyflym. System alinio pwyntio i wneud iawn am broblem gwall echel optegol. Fodd bynnag, mae gan y dull hwn gywirdeb isel wrth drin gwallau mesur deinamig. Mae gwella cywirdeb gwallau mesur deinamig i wneud iawn am wallau mewn amser real yn broblem y dylid ei datrys yn y dyfodol.

3.MEMS drych deformable

Mae gan Drych Micro-Electro-Mecanyddol-Anffurfiol System (MEMS-DM) wahanol fathau megis gyriant electrothermol, gyriant piezoelectrig, gyriant electrostatig a gyriant electromagnetig. Yn wyneb y ffaith bod gan yriant electrostatig strwythur syml, mae ganddo fanteision cyflymder ymateb cyflym a'r gallu i weithio o dan signalau amledd uchel, felly mae'n cael ei yrru'n bennaf gan rym electrostatig, ac fe'i gweithredir yn bennaf ar ffurf cynwysyddion gwastad. . Dangosir ei strwythur yn Ffigur 3.

Ffigur 3 MEMS diagram strwythur gyriant drych anffurfadwy

Mae gan ddrychau anffurfiedig system microelectromecanyddol fanteision dwysedd uned uchel, amser ymateb byr, defnydd pŵer isel, cost isel, a chytunedd cylched integredig da, ac fe'u defnyddir yn ehangach yn y maes delweddu; fodd bynnag, mae ganddynt hefyd gyflymder sganio araf a defnydd ynni golau isel. , problemau fel mwy o olau crwydr. Yn ystod y blynyddoedd diwethaf, mae ymchwilwyr wedi dechrau datblygu mwy o actuators uned ar gyfer drychau anffurfadwy er mwyn cynyddu strôc blaen y don a chael cyfradd ffrâm uwch; ar yr un pryd, bydd drychau anffurfiedig gyda mwy o actuators yn arwain at fwy o straen mecanyddol, felly dewis deunyddiau sylfaen ysgafnach, is-caledwch yw'r ffordd ymlaen.

Technoleg gwyro 4.Acoustic a golau

Mae technoleg gwyro acwto-optig yn trosi signalau trydanol amledd uchel yn donnau ultrasonic ac yn eu trosglwyddo i'r cyfrwng gweithio trwy drawsddygiadur i ffurfio gratio, sy'n defnyddio diffreithiant tonnau golau i allwyro'r trawst, fel y dangosir yn Ffigur 4. Y diffreithiant acwsto-optig rhennir yr effaith yn diffreithiant Ramanes a diffreithiant Bragg yn ôl hyd yr ardal acwsto-optig. Gan fod gan diffreithiant Ramanes effeithlonrwydd defnyddio golau isel a bod gan diffreithiant Bragg effeithlonrwydd diffreithiant uchel, defnyddir diffreithiant Bragg yn gyffredinol.

Ffigur 4 Diagram egwyddor o allwyriad acwstig a golau

Mae gan ddyfeisiau gwyro acwto-optig fanteision maint bach, pwysau ysgafn, pŵer gyrru isel, ac effeithlonrwydd diffreithiant uchel. Ar yr un pryd, mae gan dechnoleg gwyro acousto-optig hefyd alluoedd prosesu cyfochrog amser real, lled band amser mawr, cydnawsedd hawdd â chyfrifiaduron, a rheolaeth awtomatig. Fodd bynnag, mae'r diffygion canlynol hefyd: mae'r rhan fwyaf o'r golau diffraction yn olau diffreithiedig trefn gyntaf, sy'n golygu bod gan y ddyfais gwyro acwsto-optegol ddiffygion amlwg yn yr ystod gwyriad ongl fawr, cywirdeb gwyriad isel, anhawster wrth gyflawni rheolaeth fanwl o'r trawst, a chydraniad isel. , bydd "effaith chirp" yn ymddangos o dan sganio cyflym.

Trwy ddefnyddio dulliau megis olrhain ultrasonic ac aml-amlder grisial sengl, gellir cynyddu'r lled band effeithiol i ddatrys y broblem o ddatrysiad isel. Ar gyfer yr "effaith chirp", gellir ychwanegu lens silindrog ar ôl y deflector i ddileu ei ddylanwad. Ar hyn o bryd, mae yna lawer o astudiaethau ar amlder tonnau acwstig digwyddiad, ac mae gwahanol ddulliau o welliant arbrofol wedi'u cynnal i wella effeithlonrwydd diffreithiant a pherfformiad ymateb amledd y diffreithydd acwto-optig o dan amlder tonnau ultrasonic, ond mae'r perfformiad o gynyddu'r ongl gwyro yn anaml wedi'i ddadansoddi.

Yn y dyfodol, gellir ystyried technoleg fector tonnau acwstig y gellir ei reoli i newid cyfeiriad digwyddiad y don acwstig i ehangu ei ongl sganio gwyro. Mae dangosyddion eraill o berfformiad gwyro gwrthwyryddion acwto-optig, gan gynnwys perfformiad lled band, gallu gwrthstatig, a sefydlogrwydd thermol, hefyd yn fannau problemus ymchwil cyfredol.

Technoleg gwyro 5.LCD

Mae technolegau gwyro trawst sy'n seiliedig ar ddeunyddiau crisial hylif yn bennaf yn cynnwys: araeau crisial hylifol fesul cam, araeau microlens crisial hylifol, a rhwyllau polareiddio crisial hylifol.

Mae technoleg Arae Graddol Optegol Liquid Crystal (LCOPA) yn cyfeirio at gymhwyso foltedd i foleciwlau crisial hylifol trwy electrodau. Gan fod moleciwlau crisial hylifol yn cael effaith birfringence a reolir yn electronig, mae'r foltedd cymhwysol yn rheoli graddau gwyriad moleciwlau crisial hylif mewn gwahanol daleithiau, gan effeithio ar y don trawst. Mae'n chwarae rôl modiwleiddio cyfnod o flaen llaw i wireddu sganio trawst, fel y dangosir yn Ffigur 5.

Ffigur 5 Diagram egwyddor o allwyriad arae graddol o grisial hylif

Mae gan LCOPA fanteision gyrru pŵer uchel a foltedd isel, a gall gyflawni gwyriad trawst manwl uchel gyda deheurwydd a dim syrthni mecanyddol. Fodd bynnag, mae ganddo ddiffygion megis amser ymateb hir a lled sbectrwm gweithredu byr. Yn ogystal, mae'r ongl gwyro bach hefyd yn cyfyngu ar ystod cymhwyso LCOPA, sy'n gofyn am ddyfais ymhelaethu ongl i gyflawni ongl gwyro mwy. Fodd bynnag, oherwydd ffactorau megis agorfa effeithiol ac ongl cerdded i ffwrdd y ddyfais mwyhau ongl, ar hyn o bryd mae'n anodd i'r ddyfais ymhelaethu ongl gyflawni chwyddo ongl uwch. Ar yr un pryd, bydd gan yr arae graddol o grisial hylif orchmynion diffreithiant lluosog yn ystod y llawdriniaeth, ac ynghyd â dylanwad effeithiau cydberthynas aflinol, bydd effeithlonrwydd gwyro LCOPA yn cael ei leihau.

Mae Arae Micro-lens Grisial Hylif (LCMLA) yn cynnwys 3 araeau lens, fel y dangosir yn Ffigur 6. O'i gymharu â LCOPA, mae gan LCMLA ongl gwyro mwy ac nid yw'r parth dychwelyd optegol yn effeithio arno, felly mae'r effeithlonrwydd gwyro yn uwch; yr effeithir arno gan amser newid y trefniant moleciwlaidd LC yn y deunydd crisial hylifol, mae'r gwahaniaeth llwybr optegol sy'n ofynnol gan LCMLA yn hirach na LCOPA. Yn fach, gellir gwneud y trwch yn llai, felly mae gan LCMLA amser ymateb llai na LCOPA. Fodd bynnag, er mwyn cyflawni sganio gwyriad trawst parhaus, mae angen defnyddio LCMLA ar y cyd â rhai dyfeisiau gwyro ongl fân, sy'n cynyddu cymhlethdod gweithredu'r cais. Ar ben hynny, mae LCMLA yn cynnwys arae lensys aml-haen, ac mae sefydlogrwydd y system yn waeth na LCOPA. Mae LCMLA yn cyflawni gwyriad trawst trwy newid prif drefn diffreithiant mawr y golau a allyrrir. Mae cydlyniad gofodol yr amrywiaeth microlens yn effeithio ar ei ddatrysiad, sy'n gofyn am gamgymeriad bach iawn ym maint y microlens, sy'n broblem fawr y mae angen ei datrys.

Ffigur 6 Diagram sgematig o arae microlens crisial hylifol

Egwyddor Gratio Polareiddio Crisial Hylif (LCPG) yw bod y golau digwyddiad yn mynd trwy'r polarydd i ffurfio golau chwith a golau llaw dde, ac yna'n mynd trwy'r LCPG i allwyro'r pelydryn golau i ddau gyfeiriad gwahanol. Dangosir y llwybr golau gwyro yn Ffigur 7. Nid yw effaith ymyl y maes trydan yn effeithio ar LCPG ac mae ganddo gydraniad uchel, rheolaeth raglenadwy, ysgafnder a hyblygrwydd. Nid oes ond angen i LCPG gynhyrchu gwahaniaeth llwybr optegol y plât hanner ton cyfatebol, ac mae trwch gofynnol yr haen grisial hylif yn deneuach, gan wneud ei amser ymateb yn fyrrach. Mae'n gyflym ac nid yw'n cael effaith dychwelyd optegol a achosir gan ailosod cam. Yn ogystal, gall hefyd gyflawni gweithrediad sbectrwm eang. Fodd bynnag, mae'n anodd i LCPG sengl gyflawni gofynion mynegai onglau lluosog a maes golygfa fawr ar yr un pryd, ac mae gan LCPG aml-haen ofynion uchel ar y broses baratoi a sefydlogrwydd y system.

Ffigur 7 Diagram sgematig o gratio polareiddio crisial hylifol

Mae'r LCOPA traddodiadol yn ysgafn ac yn hyblyg a gall gyflawni gwyriad manwl o fewn ystod ongl fach. Mae cymhlethdod y system yn gymharol syml ac mae'r broses baratoi yn gymharol aeddfed. Fodd bynnag, mae'r parth dychwelyd optegol a achosir gan ailosod cam yn effeithio arno, ac mae diffygion amlwg mewn effeithlonrwydd gwyro, amser ymateb a dangosyddion eraill. , mae angen gwelliant a datblygiad parhaus o hyd. Nid yw'r parth dychwelyd optegol yn effeithio ar LCMLA a LCPG ac maent wedi gwella'r effeithlonrwydd gwyro yn fawr. Fodd bynnag, mae angen i'r ddau fod â dyfeisiau gwyro ongl fân i gyflawni sganio gwyriad lled-barhaus o'r trawst, ac mae'r ddau yn defnyddio aml-gamau i gyflawni'r ongl gwyro uchaf. Bydd strwythur y gyfres yn arwain at system sy'n rhy hir ac sydd â sefydlogrwydd cymharol wael. O'i gymharu â LCOPA a LCMLA, nid yn unig mae gan LCPG nodweddion ongl gwyro mawr ac effeithlonrwydd gwyro uchel, ond mae ganddo hefyd fantais unigryw gweithrediad sbectrwm eang, ond dim ond gyda chyfwng onglog mawr y gall gyflawni sganio gwyriad trawst. Ar hyn o bryd, technoleg gwyro crisial hylifol yw'r un a astudiwyd fwyaf mewn gwyriad anfecanyddol, ond mae cyfyngiadau sylweddol o ran cyflawni onglau mawr ac effeithlonrwydd uchel o dan amodau golau nad ydynt yn polar. I ddatrys y broblem hon, gellir ystyried pensaernïaeth y ddyfais a'r math o ddeunydd; wrth ddefnyddio dyfeisiau gratio polareiddio crisial hylifol, mae'n anodd cyflawni gwyriad ongl parhaus ar wyriadau ongl mawr. Mae’r rhain yn broblemau y mae angen eu datrys yn y dyfodol.

6.Electro-optegol technoleg gwyro

Gwireddir technoleg gwyro electro-optegol trwy ddefnyddio'r gwyriad a gynhyrchir gan y graddiant mynegai plygiannol sy'n berpendicwlar i gyfeiriad lluosogi trawst, fel y dangosir yn Ffigur 8. O'i gymharu â thechnolegau eraill, mae gan wyrwyr trawst sy'n seiliedig ar grisialau electro-optig fanteision gwyriad mympwyol. ongl, maint bach, cyflymder ymateb cyflym, a sensitifrwydd uchel, ond mae ganddynt y broblem o ddatrysiad isel.

Ffigur 8 Diagram egwyddor o allwyriad electro-optegol

Yn ystod y blynyddoedd diwethaf, mae deunyddiau electro-optegol gydag effeithiau electro-optegol eilaidd wedi'u hadrodd gartref a thramor, megis lithiwm niobate, titanate bariwm, ac ati O'u cymharu â chrisialau ag effeithiau electro-optegol llinol, maent yn well mewn perfformiad megis ymateb cyflymder a foltedd gwyro. Yn eu plith, crisialau KTN Y mwyaf cynrychioliadol.

Grisial KTN yw'r grisial hysbys ar hyn o bryd gyda'r effaith electro-optegol eilaidd fwyaf. Mae ganddo nodweddion rhagorol fel cysonyn dielectrig mawr, colled dielectrig isel, fferoelectricity amlwg ac eiddo optegol aflinol rhagorol. Mae ganddo ystod eang iawn o gymwysiadau ym maes gwyro trawst. rhagolwg. Ar hyn o bryd, mae cwmnïau tramor megis Japan's NTT Company a Phrifysgol Pennsylvania yn yr Unol Daleithiau, yn ogystal â Sefydliad Technoleg Harbin domestig, Prifysgol Nankai, ac Academi Gwyddorau Shandong, wedi gwneud llawer o ymchwil ar nodweddion gwyro KTN grisialau.

Astudiodd NTT Company a Phrifysgol Pennsylvania yn bennaf dechnoleg gwyro trawst grisial KTN yn seiliedig ar chwistrelliad tâl gofod; Astudiodd Academi Gwyddorau Shandong yn bennaf y dechnoleg gwyro trawst a achosir gan raddiant cyfansoddiad grisial KTN; Astudiodd Sefydliad Technoleg Harbin ac eraill yn bennaf electrodau deflectors pelydr grisial KTN. Astudiwyd materion peirianneg megis strwythur a thymheredd gweithredu.

Mae'r problemau canlynol yn bodoli ar hyn o bryd: mae'n anodd cyflawni unffurfiaeth optegol uchel mewn twf grisial a chwrdd ag anghenion cymwysiadau ymarferol; mae angen dulliau rheoli tymheredd manwl gywir ar gyfer ceisiadau ger tymheredd Curie; mae yna gwestiynau am y mecanwaith chwistrellu tâl gofod a polaredd ar dymheredd Curie. Mae angen ymchwilio ymhellach i faterion gwyddonol megis y nano-ranbarth a'r mecanwaith rheoli gwyriad pelydrau.

Er mwyn arddangos manteision ac anfanteision pob technoleg gwyro yn fwy greddfol, cynhaliwyd dadansoddiad cymharol, fel y dangosir yn Nhabl 1.

Tabl 1 Cymhariaeth o dechnolegau gwyro pelydr

Crynodeb

Mae drychau anffurfiedig meicro-electromecanyddol a ddefnyddir yn gyffredin, drychau adlewyrchiad cyflym a galfanomedrau sganio yn newid cyfeiriad yr echelin optegol a allyrrir trwy ddulliau mecanyddol. Gall eu cywirdeb gyrraedd microradianiaid a gall yr ongl gwyro gyrraedd dwsinau o radianau. Mae ganddynt ragolygon cymhwyso eang mewn meddygaeth a meysydd eraill. . Fodd bynnag, mae problemau megis strwythur cymhleth, maint swmpus, a defnydd uchel o ynni. Oherwydd maint mawr systemau optegol addasol, defnyddir drychau anffurfadwy MEMS gartref a thramor yn bennaf yn y maes delweddu. Ym maes gwyro trawst, mae'n anodd diwallu anghenion amgylcheddau gofod ar raddfa fach. i gwrdd â gofynion uchel cemegololi ac ysgafn.

Mae gan offer gwyro acousto-optig lled band gweithio mawr, ond mae'n anodd bodloni cywirdeb gwyro microradianiaid, ac mae ganddo ofynion uchel ar donfedd, ongl ac egni'r golau digwyddiad ac mae'n defnyddio colledion ynni mawr.

Mae gan ddulliau megis araeau graddol crisial hylifol ac araeau microlens ddefnydd pŵer isel a foltedd gyrru isel, ond mae ganddynt gyflymder ymateb araf, gwyriad onglog amharhaol, onglau gwyro mawr ond effeithlonrwydd gwyriad isel ar onglau mawr, gan ei gwneud hi'n anodd cwrdd â gofynion tasg. trosglwyddiad lled band mawr.

O'i gymharu â thechnolegau eraill, mae gan wyrwyr trawst sy'n seiliedig ar grisialau electro-optig fanteision ongl gwyro mympwyol, maint bach, cyflymder ymateb cyflym, a sensitifrwydd uchel. Ystyrir mai nhw yw'r rhai mwyaf addas ar gyfer gwireddu un o brif gyfarwyddiadau technoleg gwyro golau cyflym. Ymhlith gwahanol fathau o ddeunyddiau electro-optegol, mae gan wyrwyr electro-optegol sy'n seiliedig ar grisialau KTN fanteision gwyriad ongl fawr, cyflymder ymateb cyflym, effeithlonrwydd gwyro uchel, cywirdeb gwyro uchel, gweithrediad lled band eang, ac ati, ac mae ganddynt fwy o botensial. mewn cymwysiadau mewn meysydd fel cyfathrebu optegol gofod, dod yn fannau poeth Ymchwil ledled y byd. Ar y naill law, rhaid i'r gwaith dilynol ddadansoddi ac astudio nodweddion twf ac amodau crisialau KTN i dyfu crisialau o ansawdd uchel gyda chyfansoddiad unffurf a siâp rheolaidd; ar y llaw arall, rhaid inni astudio'n raddol fecanwaith gwyro microsgopig crisialau KTN, sy'n bwysig iawn. arwyddocâd ymarferol.