液晶光學(xué)相控陣相位延遲及衍射效率研究.pdf

1、在自由空間光通信、紅外對抗和目標(biāo)跟蹤等應(yīng)用領(lǐng)域中，激光束敏捷控制技術(shù)是一個關(guān)鍵性的共性技術(shù)。光學(xué)相控陣是一種新型的可編程光束控制器件，它的出現(xiàn)不但能解決激光束精確指向、快速靈活控制的空間掃描問題，而且使光電系統(tǒng)的集成度更高，柔性控制能力更強(qiáng)，制造成本更低。美國空軍研究實驗室聲稱，“光學(xué)相控陣將使光學(xué)系統(tǒng)發(fā)生革命性的變化”。
　　液晶光學(xué)相控陣是一種正在發(fā)展中的新型器件，許多理論和實際問題有待進(jìn)一步研究，特別是實現(xiàn)高衍射效率和寬光束

2、偏轉(zhuǎn)范圍是器件設(shè)計與加工的關(guān)鍵核心技術(shù)。本論文通過建立數(shù)學(xué)模型、編制仿真軟件和實際器件的研制，對器件的相位延遲特性及其對衍射效率的影響進(jìn)行研究，為器件參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)。
　　論文從以下四方面展開研究：
　　1、建立一維液晶盒模型，根據(jù) Frank-Oseen彈性連續(xù)體理論研究液晶在電場作用下的電壓—相移特性，為液晶光學(xué)相控陣的盒厚設(shè)計以及驅(qū)動電壓提供參考依據(jù)。為克服差分迭代法在電壓較高時不能穩(wěn)定收斂的問題，提出一種基于追

3、趕法的改進(jìn)的混合差分迭代算法。在模型中考慮了取向膜的厚度，使算法的物理模型更具普遍性。根據(jù)該算法，分析了取向膜厚度、預(yù)傾角以及液晶盒厚度對液晶電壓—相移特性的影響。
　　2、按照器件實際結(jié)構(gòu)建立二維液晶盒模型，基于非均勻網(wǎng)格有限差分方法編寫液晶盒內(nèi)的電位分布、指向矢分布、相位分布以及遠(yuǎn)場衍射光強(qiáng)分布的仿真軟件，對器件的相位延遲和衍射特性進(jìn)行仿真分析。建立僅含兩個電極的液晶盒數(shù)學(xué)模型并提出評價函數(shù)，從相位延遲分布均勻性的角度分析邊緣

4、場效應(yīng)影響。
　　3、建立鋸齒狀相位延遲模型，綜合分析回程區(qū)、最大相位延遲量以及光柵周期三個參數(shù)對衍射效率的影響，并用實驗驗證部分理論分析。結(jié)果表明，回程區(qū)是影響衍射效率的重要因素。當(dāng)存在回程區(qū)時，最優(yōu)的最大相位延遲量并不是2π，而是與回程區(qū)大小和光柵周期都有關(guān)系。另外還分析了電極尺寸、取向膜厚度以及液晶盒厚度對回程區(qū)的影響。
　　4、在理論分析的基礎(chǔ)上，實際加工研制了一維液晶光學(xué)相控陣器件，并測試其可編程光束偏轉(zhuǎn)性能。針對

5、在偏轉(zhuǎn)光束兩側(cè)各出現(xiàn)一對較強(qiáng)衍射旁瓣的實驗現(xiàn)象，提出一種簡化的相位分解法和一種解析形式的數(shù)學(xué)模型，指出兩相鄰電極之間形成的相位凹陷是產(chǎn)生衍射旁瓣的直接原因，并就相位凹陷對衍射效率的影響進(jìn)行定量分析。
　　研究結(jié)果表明，回程區(qū)與相位凹陷是影響衍射效率的兩個重要因素。其中回程區(qū)是器件所固有的無法消除的特征參數(shù)，通過減小液晶盒厚度和電極尺寸可以減小回程區(qū)大小。而相位凹陷產(chǎn)生的根源在于驅(qū)動電極的離散性，通過減小電極之間的間距可以有效減小甚