تعرف على تقنية انحراف الشعاع بناءً على الاتصالات البصرية الفضائية في 3 دقائق

تعد تقنية انحراف الشعاع مكونًا رئيسيًا لاتصالات الليزر في الفضاء الحر، ويحدد أدائها ما إذا كانت اتصالات الليزر في الفضاء الحر يمكنها تلبية احتياجات الاتصالات السريعة والمستقرة. يمكن تقسيم تقنية انحراف الشعاع إلى فئتين: تقنية انحراف الشعاع الميكانيكية وتقنية انحراف الشعاع غير الميكانيكية. من بينها، تقنيات انحراف الحزمة الميكانيكية تشمل مسح الجلفانومترات، ومرايا التحكم السريعة، والمرايا القابلة للتشوه في النظام الكهروميكانيكي الصغير؛ تشتمل تقنيات انحراف الشعاع غير الميكانيكية على تقنية الانحراف الصوتي البصري، وتقنية الانحراف القائمة على مواد الكريستال السائل، وتقنية الانحراف الكهروضوئي.

دعونا نلقي نظرة على خصائص تقنيات انحراف الشعاع المختلفة وآفاق تطبيقها في مجال الاتصالات البصرية الفضائية.

1. مسح الجلفانومتر

جهاز انحراف الشعاع الميكانيكي الأكثر نضجًا هو جلفانومتر المسح، وهو في الأساس عاكس للضوء مع زمن استجابة خطوة يبلغ ميلي ثانية / ميلي ثانية فرعية ودقة توجيه ميكروراديان، كما هو موضح في الشكل 1.

الشكل 1: رسم تخطيطي لمسح الجلفانومتر

يتميز نظام مسح الجلفانومتر ببنية بسيطة وحجم صغير ودقة مسح عالية وسرعة عالية وتكلفة منخفضة نسبيًا. ومع ذلك، فإنه يعاني من مشاكل مثل نطاق العمل المحدود، والتشوه المدبس، وتآكل الجلفانومتر. لقد وصل هذا الجهاز إلى معايير أداء ممتازة من حيث زاوية الانحراف. على سبيل المثال، جلفانومتر المسح من سلسلة XG210 الذي أطلقته شركة THORLABS الأمريكية لديه زاوية انحراف تصل إلى ±20 درجة. حاليًا، يعمل الباحثون في الداخل والخارج على زيادة سرعة المسح واستخدام طرق مثل نبضات ليزر الفيمتو ثانية وهياكل الجلفانومتر متعددة الأبعاد لتحسين أدائه.

ومع ذلك، بالنسبة لأجهزة الجلفانومتر ثنائية الأبعاد وتقنيات المسح الجلفانومترية ذات الأبعاد الأعلى، يكون هيكل النظام أكثر تعقيدًا، وستحدث أخطاء في الاتجاه في التطبيقات العملية، ويتطلب الأمر طرق تصحيح جيدة لتصحيح الأخطاء. في المستقبل، يمكننا التفكير في استخدام تقنية التحكم في الهيكل المتغير وتقنية التحكم في المحور المركب السميك والرفيع ذي المستويين للمساعدة في منع الأخطاء المتبقية. ويمكن تطبيقها في مجموعات الأقمار الصناعية مع بيئات فضائية جيدة ودورات عمل قصيرة لتحقيق تتبع ومسح عالي الدقة بأقصى قدر من الكفاءة. بالإضافة إلى ذلك، فإن قوة الليزر في اتصالات الليزر عالية جدًا بشكل عام، لذا فإن اختيار مواد مرآة الجلفانومتر ذات الانعكاسية الأعلى لتقليل تلف السطح يعد أيضًا مشكلة تحتاج إلى حل في المستقبل.

2. مرايا التوجيه السريع

هناك هيكلان لمرايا التوجيه السريع، FSM (كما هو موضح في الشكل 2): أحدهما هو هيكل إطار المحور XY، ويسمى أيضًا هيكل نظام العمود؛ والآخر هو هيكل المحور المرن، وهو الاتجاه الرئيسي لتطوير ولايات ميكرونيزيا الموحدة في الوقت الحاضر.

الشكل 2 (أ) مخطط هيكل إطار المحور XY لمرايا التوجيه السريع ؛ (ب) مخطط هيكل المحور المرن لمرايا التوجيه السريع

تتميز مرآة التحكم السريع بمزايا دقة تحديد المواقع العالية، الدقة الزاوية العالية، سرعة الاستجابة السريعة، والحجم الصغير. يتم استخدامه على نطاق واسع في مجموعة متنوعة من الأنظمة الميكانيكية البصرية، كما أن هيكل الدعم المرن يقلل أيضًا من الاحتكاك الميكانيكي، ولكن في التطبيقات العملية يتطلب ذلك، جنبًا إلى جنب مع هيكل إطار القصور الذاتي الكبير، سيؤدي إلى خطأ معين في المحور البصري.

في الوقت الحاضر، من ناحية، تركز الأبحاث المحلية في هذا المجال بشكل أساسي على المحاكاة الهيكلية والتحكم في نظام العاكسات السريعة، والتقدم في تطوير عاكسات جديدة بطيء. ويرتبط هذا أيضًا بالحاجة إلى التحقق التكراري المستمر وارتفاع تكاليف البحث والتطوير. لذلك، فإن تطوير نظام محاكاة مشترك بحيث يمكن محاكاة التحقق المادي عن طريق ضبط معلمات معينة في النظام، وبالتالي تقصير دورة التطوير بشكل كبير، وإيجاد معلمات مرآة سريعة عالية الأداء بشكل أسرع، وتحسين كفاءة التحسين هو أمر يحتاج إلى الاستكشاف. المستقبل.

ومن ناحية أخرى، فإن الاضطرابات الحرارية والاهتزازات الأساسية الموجودة في البيئة الفضائية ستتسبب في تشويه المحور البصري والارتعاش عند توجيه الحزم عالية الدقة. تتمثل الطريقة الحالية حاليًا في استخدام شعاع يتكون من مقياس تداخل ميكلسون ومرآة تحكم سريعة. نظام محاذاة التأشير لتعويض مشكلة خطأ المحور البصري. ومع ذلك، فإن هذه الطريقة ذات دقة منخفضة في التعامل مع أخطاء القياس الديناميكية. يعد تحسين دقة أخطاء القياس الديناميكية للتعويض عن الأخطاء في الوقت الفعلي مشكلة يجب حلها في المستقبل.

3.MEMS مرآة قابلة للتشوه

المرآة القابلة للتشوه للنظام الكهروميكانيكي الصغير (MEMS-DM) لديها أنواع مختلفة مثل المحرك الكهروحراري، والمحرك الكهرضغطي، والمحرك الكهروستاتيكي، والمحرك الكهرومغناطيسي. نظرًا لأن المحرك الكهروستاتيكي له بنية بسيطة، فهو يتميز بمزايا سرعة الاستجابة السريعة والقدرة على العمل تحت إشارات عالية التردد، لذلك يتم تشغيله في الغالب بواسطة القوة الكهروستاتيكية، ويتم تنفيذه في الغالب على شكل مكثفات مسطحة . يظهر هيكلها في الشكل 3.

الشكل 3: مخطط هيكل محرك المرآة القابل للتشوه MEMS

تتميز المرايا القابلة للتشوه في النظام الكهروميكانيكي الدقيق بمزايا كثافة الوحدة العالية، ووقت الاستجابة القصير، وانخفاض استهلاك الطاقة، والتكلفة المنخفضة، والتوافق الجيد مع الدوائر المتكاملة، وتستخدم على نطاق واسع في مجال التصوير؛ ومع ذلك، فهي تتميز أيضًا بسرعة مسح بطيئة واستخدام منخفض للطاقة الضوئية. ، مشاكل مثل المزيد من الضوء الشارد. في السنوات الأخيرة، بدأ الباحثون في تطوير المزيد من مشغلات الوحدات للمرايا القابلة للتشوه من أجل زيادة ضربة واجهة الموجة والحصول على معدل إطار أعلى؛ وفي الوقت نفسه، ستؤدي المرايا القابلة للتشوه المزودة بعدد أكبر من المحركات إلى زيادة الضغط الميكانيكي، لذا فإن اختيار مواد أساسية أخف وزنًا وأقل صلابة هو الطريق الصحيح للمضي قدمًا.

4. تقنية انحراف الصوت والضوء

تعمل تقنية الانحراف الصوتي البصري على تحويل الإشارات الكهربائية عالية التردد إلى موجات فوق صوتية وتنقلها إلى وسط العمل من خلال محول الطاقة لتشكيل شبكة، والتي تستخدم حيود موجة الضوء لحرف الشعاع، كما هو موضح في الشكل 4. الحيود الصوتي البصري وينقسم التأثير إلى حيود رامانيس وحيود براغ وفقا لطول المنطقة الصوتية البصرية. نظرًا لأن حيود رامانيس يتمتع بكفاءة استخدام منخفضة للضوء، كما أن حيود براج يتمتع بكفاءة حيود عالية، يتم استخدام حيود براج بشكل عام.

الشكل 4: الرسم التخطيطي الأساسي للانحراف الصوتي والضوء

تتميز أجهزة الانحراف الصوتية الضوئية بمزايا الحجم الصغير والوزن الخفيف وقوة القيادة المنخفضة وكفاءة الحيود العالية. وفي الوقت نفسه، تتمتع تقنية الانحراف الصوتي البصري أيضًا بقدرات معالجة متوازية في الوقت الفعلي، وعرض نطاق ترددي كبير، وسهولة التوافق مع أجهزة الكمبيوتر، والتحكم الآلي. ومع ذلك، هناك أيضًا أوجه القصور التالية: معظم الضوء المحيد هو ضوء منحرف من الدرجة الأولى، مما يؤدي إلى وجود عيوب واضحة في جهاز الانحراف الصوتي البصري في نطاق انحراف الزاوية الكبيرة، ودقة انحراف منخفضة، وصعوبة في تحقيق التحكم الدقيق من الشعاع، ودقة منخفضة. ، سيظهر "تأثير غرد" تحت المسح عالي السرعة.

باستخدام طرق مثل التتبع بالموجات فوق الصوتية والتردد المتعدد البلوري الأحادي، يمكن زيادة عرض النطاق الترددي الفعال لحل مشكلة الدقة المنخفضة. للحصول على "تأثير الزقزقة"، يمكن إضافة عدسة أسطوانية بعد العاكس للتخلص من تأثيرها. في الوقت الحاضر، هناك العديد من الدراسات حول تردد الموجات الصوتية الساقطة، وتم تنفيذ طرق مختلفة للتحسين التجريبي لتحسين كفاءة الحيود وأداء استجابة التردد للحارف الصوتي البصري في ظل حدوث الموجات فوق الصوتية، ولكن الأداء ونادرا ما تم تحليل زيادة زاوية الانحراف.

في المستقبل، يمكن النظر في تكنولوجيا ناقلات الموجات الصوتية التي يمكن التحكم فيها لتغيير اتجاه سقوط الموجة الصوتية لتوسيع زاوية مسح انحرافها. المؤشرات الأخرى لأداء انحراف العواكس الصوتية الضوئية، بما في ذلك أداء عرض النطاق الترددي، والقدرة المضادة للكهرباء الساكنة، والاستقرار الحراري، هي أيضًا نقاط ساخنة للبحث الحالي.

5. تكنولوجيا انحراف LCD

تشمل تقنيات انحراف الشعاع المعتمدة على مواد الكريستال السائل بشكل رئيسي: مصفوفات الكريستال السائل المرحلية، ومصفوفات العدسات البلورية السائلة الدقيقة، وشبكات استقطاب الكريستال السائل.

تشير تقنية المصفوفة الضوئية البلورية السائلة (LCOPA) إلى تطبيق الجهد على جزيئات الكريستال السائل من خلال الأقطاب الكهربائية. نظرًا لأن جزيئات الكريستال السائل لها تأثير انكسار مزدوج يتم التحكم فيه إلكترونيًا، فإن الجهد المطبق يتحكم في درجة انحراف جزيئات الكريستال السائل في حالات مختلفة، وبالتالي يؤثر على موجة الشعاع. إنه يلعب دور تعديل الطور في المقدمة لتحقيق مسح الشعاع، كما هو موضح في الشكل 5.

الشكل 5: الرسم البياني الأساسي لانحراف صفيف البلورة السائلة المرحلية

تتمتع LCOPA بمزايا القيادة ذات الطاقة العالية والجهد المنخفض، ويمكنها تحقيق انحراف شعاع عالي الدقة ببراعة وبدون قصور ميكانيكي. ومع ذلك، لديها عيوب مثل زمن الاستجابة الطويل وعرض طيف التشغيل القصير. بالإضافة إلى ذلك، فإن زاوية الانحراف الصغيرة تحد أيضًا من نطاق تطبيق LCOPA، الأمر الذي يتطلب جهاز تضخيم الزاوية لتحقيق زاوية انحراف أكبر. ومع ذلك، نظرًا لعوامل مثل الفتحة الفعالة وزاوية الابتعاد لجهاز تضخيم الزاوية، فمن الصعب حاليًا على جهاز تضخيم الزاوية تحقيق تكبير زاوية أعلى. في الوقت نفسه، سيكون للمصفوفة الطورية من الكريستال السائل أوامر حيود متعددة أثناء التشغيل، بالإضافة إلى تأثير تأثيرات الارتباط غير الخطية، سيتم تقليل كفاءة انحراف LCOPA.

تتكون مصفوفة العدسات الصغيرة من الكريستال السائل (LCMLA) من 3 مصفوفات عدسات، كما هو موضح في الشكل 6. بالمقارنة مع LCOPA، تتمتع LCMLA بزاوية انحراف أكبر ولا تتأثر بمنطقة الإرجاع البصرية، وبالتالي فإن كفاءة الانحراف أعلى؛ يتأثر بزمن تغيير الترتيب الجزيئي LC في المادة البلورية السائلة، ويكون فرق المسار البصري الذي يتطلبه LCMLA أطول من اختلاف LCOPA. صغير، يمكن جعل السمك أصغر، لذا فإن LCMLA لديه وقت استجابة أصغر من LCOPA. ومع ذلك، لتحقيق مسح مستمر لانحراف الشعاع، يجب استخدام LCMLA مع بعض أجهزة انحراف الزاوية الدقيقة، مما يزيد من تعقيد تنفيذ التطبيق. علاوة على ذلك، يتكون LCMLA من مجموعة عدسات متعددة الطبقات، واستقرار النظام أسوأ من LCOPA. يحقق LCMLA انحراف الشعاع عن طريق تغيير ترتيب الحيود الكبير الرئيسي للضوء المنبعث. يؤثر التماسك المكاني لمصفوفة العدسات الدقيقة على دقتها، مما يتطلب خطأً بسيطًا جدًا في حجم العدسات الدقيقة، وهي مشكلة كبيرة تحتاج إلى حل.

الشكل 6: رسم تخطيطي لمجموعة العدسات البلورية السائلة

مبدأ شبكة الاستقطاب البلوري السائل (LCPG) هو أن الضوء الساقط يمر عبر المستقطب ليشكل ضوءًا أعسرًا وضوءًا أيمنًا، ثم يمر عبر LCPG ليحرف شعاع الضوء في اتجاهين مختلفين. يظهر الشكل 7 مسار انحراف الضوء. لا يتأثر LCPG بتأثير حافة المجال الكهربائي ويتميز بدقة عالية وتحكم قابل للبرمجة وخفة ومرونة. يحتاج LCPG فقط إلى توليد فرق المسار البصري للوحة نصف الموجة المكافئة، ويكون السمك المطلوب لطبقة الكريستال السائل أرق، مما يجعل وقت الاستجابة أقصر. إنه سريع وليس له تأثير الإرجاع البصري الناتج عن إعادة ضبط الطور. بالإضافة إلى ذلك، يمكنها أيضًا تحقيق عملية واسعة النطاق. ومع ذلك، من الصعب على LCPG واحد تحقيق متطلبات الفهرس لزوايا متعددة ومجال رؤية كبير في نفس الوقت، كما أن LCPG متعدد الطبقات له متطلبات عالية على عملية التحضير واستقرار النظام.

الشكل 7: رسم تخطيطي لشبكية استقطاب البلورات السائلة

LCOPA التقليدي خفيف ومرن ويمكنه تحقيق انحراف دقيق ضمن نطاق زاوية صغير. تعقيد النظام بسيط نسبيًا وعملية الإعداد ناضجة نسبيًا. ومع ذلك، فإنها تتأثر بمنطقة العودة البصرية الناتجة عن إعادة ضبط الطور، وهناك أوجه قصور واضحة في كفاءة الانحراف وزمن الاستجابة والمؤشرات الأخرى. ، لا يزال يحتاج إلى التحسين والتطوير المستمر. لا يتأثر LCMLA وLCPG بمنطقة العودة البصرية وقد حسنا بشكل كبير من كفاءة الانحراف. ومع ذلك، كلاهما بحاجة إلى أن يكونا مجهزين بأجهزة انحراف ذات زاوية دقيقة لتحقيق مسح انحراف شبه مستمر للشعاع، وكلاهما يستخدم مراحل متعددة لتحقيق أقصى زاوية انحراف. سيؤدي هيكل السلسلة إلى نظام طويل جدًا ويتمتع باستقرار ضعيف نسبيًا. بالمقارنة مع LCOPA وLCMLA، فإن LCPG لا يتمتع فقط بخصائص زاوية انحراف كبيرة وكفاءة انحراف عالية، ولكنه يتمتع أيضًا بميزة فريدة من نوعها للتشغيل واسع النطاق، ولكنه يمكنه فقط تحقيق مسح انحراف الشعاع بفاصل زاوي كبير. في الوقت الحاضر، تعد تقنية انحراف البلورات السائلة هي الأكثر دراسة على نطاق واسع في الانحراف غير الميكانيكي، ولكن هناك قيود كبيرة في تحقيق زوايا كبيرة وكفاءة عالية في ظل ظروف الإضاءة غير المستقطبة. ولحل هذه المشكلة يمكن مراعاة بنية الجهاز ونوع المادة؛ عند استخدام أجهزة شبكية استقطاب الكريستال السائل، من الصعب تحقيق انحراف زاوية مستمر عند انحرافات زاوية كبيرة. هذه هي المشاكل التي يجب حلها في المستقبل.

6. تكنولوجيا الانحراف الكهروضوئي

يتم تحقيق تقنية الانحراف الكهروضوئي من خلال استخدام الانحراف الناتج عن تدرج معامل الانكسار المتعامد مع اتجاه انتشار الشعاع، كما هو موضح في الشكل 8. بالمقارنة مع التقنيات الأخرى، تتمتع منحرفات الشعاع المعتمدة على البلورات الكهروضوئية بمزايا الانحراف التعسفي الزاوية، والحجم الصغير، وسرعة الاستجابة السريعة، والحساسية العالية، ولكن لديهم مشكلة الدقة المنخفضة.

الشكل 8: الرسم التخطيطي الأساسي للانحراف الكهروضوئي

في السنوات الأخيرة، تم الإبلاغ عن مواد كهروضوئية ذات تأثيرات كهروضوئية ثانوية في الداخل والخارج، مثل نيوبات الليثيوم، تيتانات الباريوم، وما إلى ذلك. بالمقارنة مع البلورات ذات التأثيرات الكهروضوئية الخطية، فهي متفوقة في الأداء مثل الاستجابة السرعة وانحراف الجهد. من بينها، بلورات KTN الأكثر تمثيلا.

كريستال KTN هو البلورة المعروفة حاليًا والتي تتمتع بأكبر تأثير كهروضوئي ثانوي. إنه يتميز بخصائص بارزة مثل ثابت العزل الكهربائي الكبير، وفقدان العزل الكهربائي المنخفض، والكهرباء الحديدية الواضحة والخصائص البصرية غير الخطية الممتازة. لديها مجموعة واسعة جدًا من التطبيقات في مجال انحراف الشعاع. احتمال. في الوقت الحاضر، قامت شركات أجنبية مثل شركة NTT اليابانية وجامعة بنسلفانيا في الولايات المتحدة، بالإضافة إلى معهد هاربين للتكنولوجيا المحلي وجامعة نانكاي وأكاديمية شاندونغ للعلوم، بالكثير من الأبحاث حول خصائص انحراف KTN بلورات.

قامت شركة NTT وجامعة بنسلفانيا بدراسة تقنية انحراف الشعاع البلوري KTN بشكل رئيسي على أساس حقن الشحنة الفضائية؛ قامت أكاديمية شاندونغ للعلوم بشكل رئيسي بدراسة تقنية انحراف الشعاع الناجم عن التدرج التركيبي لبلورة KTN؛ قام معهد هاربين للتكنولوجيا وآخرون بدراسة الأقطاب الكهربائية الخاصة بعاكسات الشعاع البلوري KTN. تمت دراسة القضايا الهندسية مثل الهيكل ودرجة حرارة التشغيل.

المشاكل التالية موجودة حاليا: من الصعب تحقيق التوحيد البصري العالي في نمو البلورات وتلبية احتياجات التطبيقات العملية؛ تتطلب التطبيقات القريبة من درجة حرارة كوري طرقًا دقيقة للتحكم في درجة الحرارة؛ هناك أسئلة حول آلية حقن الشحنة الفضائية والقطبية عند درجة حرارة كوري. تتطلب القضايا العلمية مثل منطقة النانو وآلية التحكم في انحراف الشعاع مزيدًا من البحث.

من أجل عرض مزايا وعيوب كل تقنية انحراف بشكل أكثر بديهية، تم إجراء تحليل مقارن، كما هو مبين في الجدول 1.

الجدول بالحجم الكامل

ملخص

تعمل المرايا الميكانيكية الكهروميكانيكية الدقيقة القابلة للتشوه والمرايا الانعكاسية السريعة ومقاييس الجلفانومتر المسحية على تغيير اتجاه المحور البصري المنبعث من خلال الوسائل الميكانيكية. يمكن أن تصل دقتها إلى ميكروراديان ويمكن أن تصل زاوية الانحراف إلى عشرات الراديان. لديهم آفاق تطبيق واسعة في الطب وغيرها من المجالات. . ومع ذلك، هناك مشاكل مثل البنية المعقدة والحجم الضخم والاستهلاك العالي للطاقة. نظرًا للحجم الكبير للأنظمة البصرية التكيفية، تُستخدم المرايا القابلة للتشوه MEMS في الداخل والخارج بشكل أساسي في مجال التصوير. في مجال انحراف الحزمة، من الصعب تلبية احتياجات البيئات الفضائية الصغيرة الحجم. لتلبية المتطلبات العالية للكيميائية وخفيفة الوزن.

تتمتع معدات الانحراف الصوتي البصري بعرض نطاق عمل كبير، ولكن من الصعب تلبية دقة انحراف الميكرو راديان، ولها متطلبات عالية على الطول الموجي والزاوية والطاقة للضوء الساقط وتستهلك خسائر كبيرة في الطاقة.

تتميز طرق مثل المصفوفات الطورية البلورية السائلة ومصفوفات العدسات الدقيقة باستهلاك منخفض للطاقة وجهد قيادة منخفض، ولكنها تتميز بسرعة استجابة بطيئة وانحراف زاوي متقطع وزوايا انحراف كبيرة ولكن كفاءة انحراف منخفضة في الزوايا الكبيرة، مما يجعل من الصعب تلبية متطلبات المهمة نقل النطاق الترددي الكبير.

بالمقارنة مع التقنيات الأخرى، فإن عاكسات الشعاع المعتمدة على البلورات الكهروضوئية تتمتع بمزايا زاوية الانحراف التعسفية، وصغر الحجم، وسرعة الاستجابة السريعة، والحساسية العالية. تعتبر الأكثر ملاءمة لتحقيق أحد الاتجاهات الرائدة في تكنولوجيا انحراف الضوء عالي السرعة. من بين الأنواع المختلفة للمواد الكهروضوئية، تتمتع العواكس الكهروضوئية المعتمدة على بلورات KTN بمزايا انحراف الزاوية الكبيرة، وسرعة الاستجابة السريعة، وكفاءة الانحراف العالية، ودقة الانحراف العالية، وتشغيل النطاق الترددي العريض، وما إلى ذلك، ولها إمكانات أكبر في تطبيقات في مجالات مثل الاتصالات الضوئية الفضائية، لتصبح نقاطًا بحثية ساخنة حول العالم. من ناحية، يجب أن يقوم العمل اللاحق بتحليل ودراسة خصائص وظروف نمو بلورات KTN لنمو بلورات عالية الجودة بتركيبة موحدة وشكل منتظم؛ ومن ناحية أخرى، يجب علينا أن ندرس تدريجيًا آلية الانحراف المجهري لبلورات KTN، وهو أمر مهم جدًا. أهمية عملية.