液晶光柵衍射光場特性研究

高琳 鄭春艷 程慶華 徐大海

【摘要】 液晶光柵作為一種光學相控陣被應用在激光雷達、衛星通信等系統中，可以實現激光束的靈活偏轉。而要對定向光束的質量進行控制，必須對液晶光柵相控陣的波前進行測試，仿真結果可為液晶光柵性能的評價及波前測試提供參考。

【關鍵詞】 液晶光柵 光學相控陣 衍射光強 光束偏轉

引言

目前，光學相控陣被廣泛用于激光雷達、衛星通信等系統中。它是用電光材料作為移相單元組成的陣列器件，利用材料的電光效應對入射光波進行相位調制，從而實現對激光束的光學相控陣技術[1]核心是通過調節出射光波前局部相位分布， 使其在特定方向上彼此同相產生相長干涉， 干涉結果是在所需方向上產生一束高強度的光束，實現激光束的偏轉。液晶光柵相控陣技術是利用液晶作為移相器， 它利用液晶材料的相移隨加載電壓變化的特性， 通過控制液晶移相器陣列的電極電壓分布， 實現液晶移相器陣列出射光束的波前分布和光束偏轉[2-7]。

一、液晶光柵衍射原理

其中，d為光柵周期，θm 為第 m 級衍射光的衍射角，λ為入射光的波長。本文主要研究+1級衍射情況，故m=1。

二、仿真結果與分析

根據二元光學理論和近場衍射理論，用matlab編程仿真液晶光柵的衍射光場。

（1）隨著干擾誤差越大，+1級衍射的能量分散越大，+1級閃耀情況有所下降；

（2）在相同條件下，8臺階的+1級衍射能量比4臺階的大，這是由于8臺階光柵相位輪廓更接近理想鋸齒形閃耀光柵，相位誤差小。

隨著傳播距離的增大，衍射能量損耗增大，相位誤差越大，衍射能量的損耗就越大，誤差起伏達到0.5πrad時，能量已經所剩無幾了。

說明相位誤差會使得出射定向光束光斑增大，能量分散，因此要得到質量較好的定向光束，就必須要減小液晶光柵的相位誤差。

其余仿真條件同上.

三、結論

本文介紹了液晶光柵相控陣的工作原理，指出其相當于一個周期可變的二元閃耀光柵。詳細的分析了這種特殊的相位輪廓的特點，并仿真了相位分布誤差對液晶光柵衍射場的衍射特性的影響，得出相位誤差會導致+1級衍射的光能量損耗，臺階數越少，能量損耗越大；相位誤差越大，衍射能量的損耗就越大；且隨著傳播距離的增大，衍射能量集中度下降。

干擾強度越大會導致在衍射距離較近的位置各衍射級次重疊。仿真還得出入射激光束的準直誤差也會使+1級衍射光能量損耗。本文的研究結果可為液晶光柵的研制和波前測試提供參考。

參 考 文 獻

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孔令講，朱穎，楊建宇，等.一種新的液晶相控陣組件波控方法.光學學報，2009，29（7）：1962-1966[4] W. Bruce， M. Milind， H. Matthew. Liquid crystal beam directors for airborne free-space optical communications. IEEE Aerospace Conference Proceedings， 2004：1702-1709