光学相控阵在光束偏转中的应用分析及进展

传统的光束扫描通常是采用机械运动的方法实现的，这种实现方式扫描速度和精度相对较低且体积非常庞大、重且昂贵，同时大口径反射镜带来-系列问题 ，如镜面热变形、环境温度变化引起的镜面变形和自重镜面变形。

由微波相控阵发展而来的光学相控阵技术很好地解决了电磁波束快速、灵巧发射的问题。1971年，R.A.Meyer用钽酸锂移相器制成了-个-维光学相控阵，验证了相控阵原理 ]，光学相控阵技术不断发展。本文重点针对光学相控阵阐述其原理、偏转效率及角度，分析了不同材料实现的光学相控阵优缺点，最后介绍了应用光学相控阵和体全息相位光栅实现光束转向的高能激光系统 APPLE(adap。

2 光学相控阵随着相关技术的突破，近年来，光学相控阵技术作者简介：陈 黎(1988-)，男，实习研究员，主要从事激光技术研究。E-mail：teapoy409###gmail.com收稿日期：2012-09.18352 激 光 与 红 外 第 43卷得到了较快的发展，可以较为方便地形成光束的二维扫描 。光学相控阵不仅使相控阵激光雷达系统成为可能，而且在目标捕获、高精度瞄准、高分辨率成像和自适应光学系统等方面有广阔的应用前景。

2.1 光学相控阵的基本原理通常来说，可以将光学相控阵列看作是透射相位光栅，理论基础是夫朗和费多缝衍射，如图 1所示。光束经过光学相控阵后，产生-个梯度的相位延迟，类似于经过-个棱镜，光束发生偏转。光学相控阵无论采用何种材料，-般都采用电压驱动的方式，相控单元的相位延迟量与电压正相关。为获得大角度的光束角度偏转，相控阵需要很高的驱动电压来产生大角度偏转所需要的光程差，驱动控制电路-般很难满足这样的要求，所以-般采用相位折叠的方法 ，这主要根据光波是-种正弦波，其周期为2丌，采用相控单元的相移量对2盯求余数，可控制每个调相单元所控制的相位延迟量在-个 2盯范围内。

1Unfoided Phase Pro l/ -删undish蟮b p ascfront图1 以2 为模的移相Fig.1 modulo 2 phase shining2.2 光学相控阵的偏转效率折叠式相控阵本质上是-个闪耀光栅，周期性的锯齿型相位结构导致了高效率的光束偏转。在非机械实现的光束偏转中，控制单元由电控制，使它们成了动态可调的光栅。闪耀相位光栅衍射效率公式：叼 [ ]2式中，q代表每个周期相位台阶数。由相位台阶数引起的衍射效率如表 1所示。

表 1 相位台阶数对应的衍射效率Tab.1 efficiency versus number of steps in a rampq(相位台阶数) 8 10 12 16 20衍射效率/% 95.O 96.8 97.7 98.7 99.22.3 光学相控阵的偏转角度以上讨论中，没有考虑到单个相控单元尺寸的影响，相控单元的尺寸大小制约着相控阵列的有效偏转角度，如图2所示。

iD图 2 光束偏转时 的包络面Fig.2 the envelope under which beam steering occurs光束经过相控阵的远场分布可以理解为每个相控阵单元的远场复振幅的相干叠加 ]，对于每个相位控制单元，宽度为d，由于这个尺寸远小于光斑尺寸，可以认为尺寸内光照为均匀的，对于均匀光分布的圆口径光斑：在最大光强-半处的光束的全宽发散角为 兰 。不考虑单元间距，那么 D： n口f，总的衍射发散角为 O- ，当总光束偏转 角度逐渐增大，每个单元处对总光束的贡献逐渐减小，相控单元的尺寸大小制约着相控阵列的有效偏转角度。

2.4 不同材料光学相控阵对比分析自光学相控阵原理得到验证以来，光学相控阵技术不断发展，得到了不同材料实现的光学相控阵，我们将应用上面偏转效率和偏转角度的讨论结果来分析不同材料实现的光学相控阵的优缺点。主要有四种材料形成的光学相控阵 LiNO，，A1GaAs，PLZT陶瓷材料、液晶。早期的相控阵由 LiNO 移相器构成，这种方式实现的光学相控阵能够实现的频率较高，但由于其较大的相移器间隔(百微米)限制了其偏转角度及效率。1991年，D.P.Wight实现了由A1GaAs光波导材料形成的光学相控阵 J，这种实现方式能获得较小相控单元大小( m)，因此可以获得较大的偏转角度(20。)，同时由于相位变化时由于光波导材料中晶体的电光效应，可以获得较高的扫描频率，但是由于其工艺较复杂，阵列总单元数-般为几十个，大规模集成的相控阵还未见报道。

PLZT陶瓷材料相控阵技术 是在 PLZT透明陶瓷上表面通过溅射沉积形成-个叉指状的电极结构，产生-个切向于表面的电场分布，引起介质折射率变化，这种实现方式单元间隔较大(百微米)，偏转角度只能实现星度(mrad)↑年来，基于液晶的光学相控阵技术得到较快的发展，这种方式是基于激 光 与 红 外 No.4 2013 陈 黎等 光学相控阵在光束偏转中的应用分析及进展 353给液晶加电压时液晶分子的取向发生变化，使入射偏振光的有效折射率发生变化而产生相移，虽然通过在液晶中掺杂高分子材料 I9 和用近晶向液晶代替向列型液晶 可以增加液晶的响应速度，但是液晶分子的响应时间仍较长(毫秒量级)，同时回程区效应 5 限制了其衍射效率。

3 光学相控阵大角度光束偏转技术3.1 与其他大角度光束偏转技术相结合由前文光学相控阵的偏转角度可知，受相控阵单元的尺寸制约，光学相控阵不能实现大角度偏转，但是在实际应用中我们总希望光束偏转器件能实现大角度且高精度的偏转 ，这就需要光学相控阵与其他大角度光束偏转技术相结合。

体全息光栅可以实现大角度的光束偏转同时具有高的衍射效率J，掺杂银和铈的光敏玻璃在紫外线照射下折射率减小，-束参考光以特定的角度与- 束信号光相干在光敏玻璃上，再通过热处理，形成全息光栅1 。当入射光束以合适的角度入射至全息光栅时能偏转至参考光的方向，这就实现了角度的放大。通过调制通过全息光栅的光束的角度，可以实现光束的偏转或不偏转，通过多层全息光栅的使用，可以实现多重转向角而且这些角度可以达到相当大的角度从而实现我们所需要的特定的大角度的偏转。通过全息光栅前的光束角度调制可以利用某些星度连续偏转的光束偏转系统，比如前文提到的光学相控阵。单个全息光栅可 以达到大于99%的衍射效率，尺寸可以达到 5 am，由散射和吸收引起的损失小于 0.5%，非常适用于高功率激光系统。

另-种实现大角度光束偏转的技术为液晶偏振光栅 ，液晶偏振光栅通过对入射光的偏振态进行调制从而实现光束偏转。偏振光栅因为其空间不同的双折射率而具有独特的衍射特性 ，与传统的相位光栅或振幅光栅不同，偏振光栅通过调制不同地方的偏振状态而且对于圆偏振光的第-级可以达到几乎 100%的衍射效率。液晶偏振光栅的偏转原理如图3所示 l O，SA 1.5A 2A0 0 A I (b)关状态下的向列液晶双折射率周期线性变化的侧视图(b)side-view geometry of the continuous，in-planeconfiguration of the nematic LC with a periodiclinear birefringenee(of-state)(-State(C)加电压时的侧视图(e)side-view geometry with the applied voltage(on-state)J Off-St ate碾 -O f-Stae：(e)左旋圆偏振光的衍射特性(e)LCP polarized incident lightJ ：Righ Handed Circular Polarization(RCP) Left Handed Circular Polarization(LCP)(f)液晶偏振光栅处于高电压时的光传输特性(f)incident light transmits on-axis(zero-order difractiondirection)when LCPG is in high vohage state图3 液晶偏振光栅的结构和衍射特性Fig.3 structure and diffraction properties of theliquid crystal polarization grating不加电压时右旋圆偏振光入射，经过偏振光栅变为第-级的左旋圆偏振光，左旋偏振光人射，经过偏振光栅变为第-级的右旋圆偏振光。当加高压时，入射光偏振状态和方向不发生变化。

3.2 新型相控阵-微透镜阵列由以上讨论可以知道，传统的光学相控阵难以实现大角度偏转，必须要与其他大角度光束偏转技术相结合，而且其中技术最成熟的液晶光学相控阵《 354 激 光 与 红 外 第 43卷的响应速度很难提升，转换速度难以达到实际应用所需的kHz量级，这就使得人们努力探索新的光束偏转技术，出现了新型相控阵-微透镜阵列。

微透镜阵列是通过透镜组实现光束偏转，可以通过正透镜或负透镜实现偏转。微透镜阵列可以实现大的偏转的角度(±12。)、高速扫描(kHz)、高指向精确度与稳定性同时光束损耗较小 。在微透镜实现的光束偏转中，机械运动没有完全消除，但是被减小 到微米 量级∩ 以实现 的透镜 直径 从1 mm～10 m。为了实现光束偏转，至少需要两个级联的微透镜阵列，通过移动-个微透镜阵列来实现光束偏转。

图4 正透镜阵列实现 的光柬偏转F培.4 positive lenslet array for beam steering微透镜阵列的偏转原理类似于-个具有可变闪耀角的闪耀光栅n 。偏转角 0-arctan 其中 为横(侧)向移动位移，P为微透镜间距，f/#为聚焦透镜的 数。微透镜阵列可以看作-相位屏，其相位传输函数：r(x)[rect(号)P exp(iax)mb㈡]×式中，a为由于微透镜阵列移动引起的相位斜率；p为透镜阵列周期；d为透镜的有效区域；L为透镜阵列的孔径；comb为狄拉克梳齿形函数。微透镜阵列近场相位传输函数如图5所示。

Near Fieid coordinate(in P)图5 微透镜阵列的近场相位传输函数Fig.5 near field phase transmission of the microlens array由图5可以看出，微透镜阵列的近场相位传输函数与光学相控阵的近场相位传输函数是-样的，都可以看作是透射相位光栅，只是实现方式不同，-个是通过材料的电光效应或电压改变液晶分子的取向，-个是通过微透镜阵列。

4 相控阵的应用 -APPLE系统APPLE系统最早由美国陆军实验室提出，他们在2005年 SPIE会议上，发表了-篇名为(adaptivephotonics phase-locked elements，APPLE)：System Ar-chitecture and Wavefront Control Concept”的特邀文章 。文章中对 APPLE的子孔径结构、系统整体结构和系统控制做出了初步说明。APPLE子孔径系统主要由光束转向元件、液晶位相调制器、光学扩束系统、带中心孔光探测器、光纤位置调节器、经高功率放大器光纤以及光探测器等构成。APPLE系统采用随机并行梯度下降法(SPGD)控制 引，该算法是-种有效的梯度估计算法，通过对性能评价函数 J( )所包含的所有控制参量并行施加随机扰动，然后根据扰动大型性能评价函数的变化量来进行梯度估计，其全局的性能评价函数为各个子孔径的Strehl比之和，然后同样采用由光纤尾端的三维空间位置控制信号 1 和施加在液晶片上的电压信号的迭代运算来控制。其中光束转向部分的详细结构示意图如图6所示。

Zone-F1l 0PASP11IG Holosraptie GratingsZone-saleet 0l'AsAdaptive卸ticSPGD AD Controber图6 光束转向系统结构 图Fig.6 configuration of beam steering system由图6可以看出，光束转 向部分 由区域填充OPA、全息光栅、区域选择 OPA、同时为了减小大气湍流造成的影响 引入了自适应光学系统。我们重点对 APPLE子孔径系统中的光束转向部分进行分析。光束转向部分采用的OPA为雷声公司研制的口径为34 mm，可以承受千瓦级激光辐照的液晶材料相控阵。单独使用 OPA可以使激光光束偏转3o～5。。而为 了扩大 APPLE系统的扫描范 围，APPLE系统中采用双层 OPA加全息光栅的方式，第- 层 OPA通过对激光光束的星度转向实现对全息光栅的照射部位选择，然后利用全息光栅实现激光光束的大角度偏转，最后再利用 OPA实现对出射光束偏转角度的精确控制。利用这种方式可以实现对激激 光 与 红 外 No.4 2013 陈 黎等 光学相控阵在光束偏转中的应用分析及进展 355光光束 ±45。的角度控制，该全息光栅由佛罗里达中央大学研制 ，其所用的材料为光热折变无机玻璃。

综上可以看出 APPLE系统采用基于算法的电控而非机械方式实现了对光束偏转的灵活控制，偏转角度大，控制精度高。同时APPLE系统 目前还有- 些问题亟待解决：采用的液晶材料稳定性、耐强光差，而且从本质上说其 SPGD算法实现的控制系统仍是开环的 ，如何在这种结构下实现 目标的捕获、跟踪与瞄准还有待解决。

5 总 结光学相控阵可以实现光束的精确偏转，这种实现方式无需机械运动就可以实现光束的控制，具有速度快、灵活、指向精度高、空间分辨率高等优点。

本文在阐述光学相控阵的基本原理的同时，结合光学相控阵偏转角度的讨论，分析了不同材料实现的光学相控阵优缺点。由于现有材料单元间隔不能达到光波长量级，只能实现星度的偏转 ，在应用中必须结合大角度光束偏转技术如体全息相位光栅技术、液晶偏振光栅技术和新型的微透镜阵列光学相控阵技术。最后简要介绍了已成功实现大角度、高精度偏转的 APPLE系统，分析了该系统实现大角度偏转的原理，指出了其技术的领先性和局限性。