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液晶光楔阵列调制光束偏转的研究

光学学报 2024年

作者：曹凡徐律涵刘志强叶茂电子科技大学光电科学与工程学院

在光镊和激光雷达等领域中需要对光束方向进行控制，然而传统的光束偏转系统需要通过机械移动才能实现，系统体积庞大、控制方式复杂。传统光学元件只能实现某种特定的功能，为了提高器件的多功能性和集成度，迫切需要开发能同时实现多... 详细信息

在光镊和激光雷达等领域中需要对光束方向进行控制，然而传统的光束偏转系统需要通过机械移动才能实现，系统体积庞大、控制方式复杂。传统光学元件只能实现某种特定的功能，为了提高器件的多功能性和集成度，迫切需要开发能同时实现多种光学操作的多功能元件。本文利用液晶材料可电控调制折射率的特性，设计一种新的电极结构，并利用液晶材料的线性响应区，通过在不同区域施加不同的电压组合，能够在工作区域形成不同的倾斜直线电压分布。通过采集干涉图并利用Zernike多项式进行波前重构，结果表明制备的液晶光楔阵列器件可以实现单独调制光束的偏转。

关键词：光学器件电控调制液晶光楔光束偏转

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具有光束偏转功能的亚波长光栅偏振分束器

光电子．激光 2019年第8期30卷 791-796页

作者：黄诚姜夕梅白成林房文敬范鑫烨牛慧娟聊城大学物理科学与信息工程学院山东省光通信科学与技术重点实验室

针对亚波长光栅偏振分束器无法实现垂直出射光、集成耦合效率低的问题,本文设计了一种具有光束偏转功能的亚波长光栅偏振分束器,可实现偏振分束且能获得垂直出射光。器件上层采用光栅衍射理论设计了可实现偏振分束的周期亚波长光栅,下... 详细信息

针对亚波长光栅偏振分束器无法实现垂直出射光、集成耦合效率低的问题,本文设计了一种具有光束偏转功能的亚波长光栅偏振分束器,可实现偏振分束且能获得垂直出射光。器件上层采用光栅衍射理论设计了可实现偏振分束的周期亚波长光栅,下层通过严格耦合波法与波前相位控制理论设计了具有光束偏转功能的非周期亚波长光栅。基于有限元软件COMSOL对设计的器件进行仿真分析,结果表明该器件可分开TE与TM混合偏振光且能实现光束垂直出射,两种偏振光的总透射率在1550nm处超过了76.5%,偏振消光比为14.0dB。因此通过该偏振分束器不但可以获得垂直出射的单偏振光,而且能有效提高垂直耦合型器件的工作效率,有望应用在面向光纤通信的集成光电器件中。

关键词：亚波长光栅偏振分束器光束偏转波前相位控制光栅衍射

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基于弱值放大技术的光束偏转角测量研究

基于弱值放大技术的光束偏转角测量研究

作者：陈丽琼华中师范大学

学位级别：硕士

量子弱测量在光学精密测量中有着广泛应用,相较于经典测量,弱测量的系统与仪器耦合弱、不会导致量子退相干。弱测量在经历前选择、弱耦合、后选择之后能得到放大的弱值,可以用于信号放大和微小参数估计。本文基于弱值放大技术开展光束... 详细信息

量子弱测量在光学精密测量中有着广泛应用,相较于经典测量,弱测量的系统与仪器耦合弱、不会导致量子退相干。弱测量在经历前选择、弱耦合、后选择之后能得到放大的弱值,可以用于信号放大和微小参数估计。本文基于弱值放大技术开展光束微小偏转角测量的实验研究。首先,搭建了Sagnac干涉仪,通过压电陶瓷驱动镜产生光束的微小偏转;其次,将光束角度偏转量转化为光束横向位置偏移量,并用探测器进行测量;最后,通过半波片调节顺时针和逆时针光路的相对相位φ,使系统测量精度最大化。与传统测量方法相比,弱测量方法能放大光束偏移量,使测量结果更为准确。弱测量实验方案可测量的光束最小偏转角为3.245 × 10-7rad,表明该方法适用于光束微小偏转角的测量。

关键词：弱值放大光束偏转弱测量后选择

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硅基光波导相控阵光束偏转技术研究

硅基光波导相控阵光束偏转技术研究

作者：周恒超西安工业大学

学位级别：硕士

硅基光波导相控阵是一种新型光学相控阵,通过电控加热方式对入射光束进行相位调制,实现光束的偏转。相比于传统的机械式光束偏转器件,硅基光波导相控阵具有响应速度快、偏转精度高、体积小、重量轻、功耗低、全固态化等诸多优点,在激光... 详细信息

硅基光波导相控阵是一种新型光学相控阵,通过电控加热方式对入射光束进行相位调制,实现光束的偏转。相比于传统的机械式光束偏转器件,硅基光波导相控阵具有响应速度快、偏转精度高、体积小、重量轻、功耗低、全固态化等诸多优点,在激光雷达、无人驾驶、空间光通信和激光武器等领域有着广阔的应用和发展前景。目前,硅基光波导相控阵中存在光束偏转效率低,单光束扫描效率与搜索数据率不高等问题。因此,本文从硅基光波导相控阵调制机理出发,开展了硅基光波导相控阵的光束偏转效率优化与多光束形成方法的研究,主要研究内容如下:研究硅基光波导相控阵调制机理,首先介绍了硅基光波导相控阵的工作机理和主要器件的组成;在此基础上,以一维硅基光波导相控阵为例,研究了硅基光波导相控阵的光束偏转原理;从硅材料的热光效应入手,分析了硅基光波导相控阵的相位调制机理,推导出驱动电压与远场光束偏转角度之间的关系;最后,利用基尔霍夫衍射原理,研究了硅基光波导相控阵光传输特性,建立了硅基光波导相控阵光束传播模型,为光束偏转效率的优化和多光束形成提供了理论支撑。针对硅基光波导相控阵光束偏转效率低的问题,分析了硅基光波导相控阵的阵元间距与阵元宽度对光束偏转效率的影响;设计了硅基光波导相控阵光束偏转效率优化系统,建立了相应的优化评价指标;提出了基于Alopex算法的硅基光波导相控阵光束偏转效率优化方法,并与传统的爬山算法进行了仿真对比。结果表明,当阵元数目相同时,所提方法在优化速度与优化效果上均优于爬山算法,当阵元数目增大时,爬山算法的优化效果大幅下降,而Alopex算法依然保持良好的优化效果。针对单光束扫描效率与搜索数据率低等问题,根据激光相控阵雷达多目标探测和多目标跟踪两种工作模式,提出了子孔径法和孔径复用法两种硅基光波导相控阵多光束形成方法,建立了各自的远场光束衍射模型,分析了两种方法对光束性能的影响,并对两种方法进行了仿真对比。结果表明,子孔径法在多光束形成过程中,光束扫描范围不变,但光束扫描分辨率逐渐降低,该方法适用于多目标探测过程;而孔径复用法在多光束形成过程中,扫描分辨率维持不变,但光束扫描范围逐渐减小,更适用于多目标跟踪过程。

关键词：硅基光波导相控阵相位调制光束偏转偏转效率优化多光束

面向空间激光通信的光束偏转与波前畸变补偿机制研究

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无线互联科技 2022年第17期19卷 1-3页

作者：高辉赵学阳哈尔滨石油学院黑龙江哈尔滨150028

文章首先对光束角度偏转技术、影响因素以及具体应用方案展开分析,并将其作为研究基础;其次,对光束波前畸变检测技术及应用详细研究,确定不同技术的优劣势,制定针对性的方案;最后,制定波前畸变补偿方案,保证结果的精准性,为相关方面研... 详细信息

文章首先对光束角度偏转技术、影响因素以及具体应用方案展开分析,并将其作为研究基础;其次,对光束波前畸变检测技术及应用详细研究,确定不同技术的优劣势,制定针对性的方案;最后,制定波前畸变补偿方案,保证结果的精准性,为相关方面研究工作提供借鉴和支持。

关键词：激光通信光束偏转波前畸变畸变补偿

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基于介电润湿液体棱镜的光束偏转技术及应用

基于介电润湿液体棱镜的光束偏转技术及应用

作者：张凯南京邮电大学

学位级别：硕士

光束偏转技术在全息投影、激光雷达扫描、自由空间通讯和太阳能照明等诸多领域有着不可或缺的作用。传统的机械式光束控制技术需要依靠光学器件的振动或旋转来实现大角度的光束偏转,存在体积大、精确度低、结构繁琐和能耗高等问题,从而... 详细信息

光束偏转技术在全息投影、激光雷达扫描、自由空间通讯和太阳能照明等诸多领域有着不可或缺的作用。传统的机械式光束控制技术需要依靠光学器件的振动或旋转来实现大角度的光束偏转,存在体积大、精确度低、结构繁琐和能耗高等问题,从而限制了其实用性。基于介电润湿效应的光束偏转控制技术具有响应速度快、体积小、能耗低和易于阵列化等特点,具有极高的应用潜力。首先,本文设计了一种基于介电润湿液体棱镜阵列的光束调整器,以实现对三维空间光束（包括平行光、会聚光、发散光）的控制和调节;根据几何光学、矩阵光学和电润湿理论,推导了光束调整器的光学传递函数;利用仿真软件COMSOL建立了光束调整器的物理模型,仿真分析了光束调整器的控光性能。结果表明:该光束调整器可以实现对平行光束的平移、扩束、缩束、会聚和发散。当平行光入射到光束调整器上,平移后光束的最大平移距离为0.71mm,会聚后出射光束焦距f可以在15.8mm～∞（双凸液体界面）范围内调节,发散后光束焦距的变化范围为-∞～-38.1mm（双凹液体界面）。此外,该光束调整器还可以实现对非平行光的会聚、发散和准直。在上述光束偏转控制技术基础上,设计了一种基于介电润湿液体棱镜的光束扫描器,阐述了其结构特点,推导出该扫描器的光束扫描路径公式,以及光束扫描半径与液体界面倾斜角的关系;同时,利用COMSOL软件,仿真验证了光束扫描器的双层液体界面可以实现360°自由旋转。此外,液体界面的倾斜角度可自由调节,其变化范围0°～45°;最后,通过MATLAB仿真分析了双层液体界面同向旋转与反向旋转时光束扫描路径图案的变化规律。结果表明:同向扫描时,扫描频率比k越大,视场盲区越少。而反向扫描时,扫描频率比k越大,视场边缘盲区越多,但其视场中心扫描效果却极佳。

关键词：介电润湿效应光束偏转光束调整器光束扫描器光学传递函数

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液晶光学相控阵可编程光束偏转研究

光子学报 2008年第8期37卷 1497-1502页

作者：张健徐林吴丽莹刘翔张进厂哈尔滨工业大学超精密光电仪器工程研究所哈尔滨150001

研究了一种一维透射式向列相液晶光学相控阵.建立了器件的数学模型,根据Frank-Oseen液晶连续体弹性形变理论计算了电场作用下液晶指向矢分布,定量分析了器件的相位延迟及衍射特性.研制了含1024个驱动电极的实际器件,由FPGA对电极驱动电... 详细信息

研究了一种一维透射式向列相液晶光学相控阵.建立了器件的数学模型,根据Frank-Oseen液晶连续体弹性形变理论计算了电场作用下液晶指向矢分布,定量分析了器件的相位延迟及衍射特性.研制了含1024个驱动电极的实际器件,由FPGA对电极驱动电压进行可编程控制.经实验测试,该器件可以实现60个角度的准连续随机可编程电控偏转与扫描,最大偏转角度为2.0014°.根据器件的理论模型,对光束偏转的衍射效率进行了定性讨论,发现电极之间形成的"相位凹陷"是形成衍射旁瓣的直接原因.

关键词：光学相控阵液晶光束偏转

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钛酸钡晶体的可控光束偏转性能研究

钛酸钡晶体的可控光束偏转性能研究

作者：王传智哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

目前迅速发展的信息化时代要求我们不断对通讯领域进行创新与发展,这不仅是为了满足人们的正常生活需求,也是为了未来的民族复兴。对于光通讯领域,人们已经探究了许多年。其中,光束偏转的研究更是光通讯领域的热门方向。而光束偏转的材... 详细信息

目前迅速发展的信息化时代要求我们不断对通讯领域进行创新与发展,这不仅是为了满足人们的正常生活需求,也是为了未来的民族复兴。对于光通讯领域,人们已经探究了许多年。其中,光束偏转的研究更是光通讯领域的热门方向。而光束偏转的材料与方式已经引起众人的关注,更是不断地对其创新与研究。基于电光材料的光束偏转发展非常迅速,人们对许多电光材料都展开了研究,主要是探究光束偏转的方式以及偏转范围。钛酸钡晶体(BaTiO),是一种典型的ABO型的钙钛矿材料,属于铁电材料,具有良好的铁电性、介电性、压电性以及非线性光学特性等属性。基于钛酸钡晶体的光束偏转研究非常的少,但是作为生长技术成熟,性能优良的电光材料应该在光束偏转领域发挥出其优秀的性能表现。本文主要研究了基于钛酸钡晶体的温度效应与电光效应实现了光束偏转,达到了低损耗、低成本以及响应迅速的偏转效果。首先,对钛酸钡晶体的折射率与施加温度之间的关系进行了理论分析,并通过对电光效应关系的分析,设计出相应的电场梯度,从而在理论上实现了光束偏转,达到了科学的创新性。然后,搭建出了温控装置,利用加热片与制冷片以及温控表等实验器材,设计出了可以高精度控制温度梯度的温控装置,将钛酸钡晶体置于温控平台上,可以实现稳定可靠的光束偏转现象。相比于其他基于温度场的光束偏转实验,本实验在控制上精度非常高,可以预先设定参数,操作过程也非常的简单。本文还对温度梯度分布进行了测试,与假设基本一致。本文还搭建出了一维与二维分光系统,在分光上实现了高精度与低损耗的效果。最后,对样品进行了电极设计,构建出了呈梯度变化的电场,利用钛酸钡晶体的线性电光效应,实现了基于钛酸钡晶体的电控光束偏转。通过对电场的模拟仿真,对电场分布有了更加详细的理解,与假设基本符合。本文最后还将温控实验与电控实验结合一起得到了更大的偏转角度,研究了温度场对线性电光效应参数中的折射率以及电光系数的影响,对影响的理论值进行了探讨,其实验结果与理论基本符合,从而完成了基于钛酸钡晶体的可控光束偏转的研究。本文从研究材料上为光束偏转领域又提供了一种比较稳定可靠的电光材料,为应用领域增加了材料的选择。对温控方式的研究,帮助人们更好地理解温度效应对光束偏转的积极作用。最后创新性地设计了纯钛酸钡晶体电极,同样可以实现基于电控的光束偏转,这为偏转方式提供了一种新的可能性。本文为光束偏转领域的发展提供了重要的研究意义与价值。

关键词：钛酸钡晶体温度分布电光效应光束偏转

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基于硅基超表面的高效率大角度光束偏转

光学学报 2021年第3期41卷 9-15页

作者：陈磊严金华郭焕祥张航浙江工业大学理学院浙江杭州310023

提出一种由石英和硅纳米束构成的周期性超表面结构。利用相位分布呈周期性梯度变化的特点,可实现垂直入射光的特定角度偏转,偏转角度可通过改变硅纳米束宽度和周期进行调节。仿真结果表明,当偏转角度在±45°范围内,偏转效率超过60%,远... 详细信息

提出一种由石英和硅纳米束构成的周期性超表面结构。利用相位分布呈周期性梯度变化的特点,可实现垂直入射光的特定角度偏转,偏转角度可通过改变硅纳米束宽度和周期进行调节。仿真结果表明,当偏转角度在±45°范围内,偏转效率超过60%,远场发散角为3°左右。所提结构简单,结合可调激光器、波分复用器组成光束扫描装置并通过改变波长可实现光束角度扫描。所提结构可应用于大角度范围的固态光束扫描。

关键词：衍射光束偏转超表面激光雷达