一文了解液晶光学相控阵技术

王琦¹，高旭峰¹，张大伟¹，黄俊²

1 上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海市现代光学系统重点实验室，教育部光学仪器与系统工程研究中心

光学相控阵技术，是一种通过改变材料的一些特性来引入相位差完成调制光束功能的技术，能被用于实现光束偏转，这使得其在空间激光通信、目标跟踪、光信息处理和存储、生物医学等诸多领域有着广泛的应用前景。

传统机械的光束偏转技术由于体积大、稳定性差、功耗高、响应速度慢以及不易和驱动电压相结合等缺点，极大地限制了空间光学、信息光学的发展，因此研究新型非机械式光束偏转技术尤为重要。其中，液晶光学相控阵因其体积小、结构简单、易于集成、功耗小以及其能够对运动中的目标进行自动捕获、瞄准和跟踪的特点，被研究人员广泛关注，以期能够满足未来空间通信与军事发展的需求。

液晶光学相控阵是一种可以用于精确偏转光束的器件，它可通过不太复杂的电控可编程驱动电路使激光光束以尽可能高的衍射效率，偏转到一个偏转范围尽可能大的期望角度上去，具有体积小、质量小、结构简单、易于集成、功耗小的特点。

自Raython公司、BNS公司、Rockwell公司、美国空军实验室等研究机构通过研制液晶光学相控阵实现光束偏转以来，这种偏振敏感型液晶光栅已经成为一种重要的主动电光器件，也是最有可能实用化的光学相控阵。波前探测、自适应光学等方面是未来液晶光学相控阵可用的民用领域。

作为一种精确偏转光束的器件，对光束控制能力的好坏直接决定了其性能。偏转效率、响应时间、最大偏转角（扫描范围）和工作频带都是衡量器件性能的重要指标。下面主要从这几个性能指标看看国内外研究进展及性能改善。

• 国外研究进展

1991年，Raytheon公司研制了一款孔径为4.3 cm×4.1 cm的一维（1D）透射式向列液晶光学相控阵，如图1（a）所示。这款器件在可见光到红外波段内实现了±4°范围内的离散偏转，在偏转角为4°和2°时偏转效率分别为60%和85%。1996年，他们又研制了一款有效孔径为2 cm×2 cm的一维反射式高衍射效率的向列液晶光学相控阵，其概念设计与原理如图1（b）所示。这款器件对束腰直径为10.6 μm的光束实现了±5°范围内的离散偏转，在偏转角为0.81°和2.5°时的偏转效率分别为97%和76%。

图1 透射式和反射式液晶光学相控阵的概念设计（如图左部所示）和原理（如图右部所示）。（a）Raython公司于1991年研制的透射式液晶光学相控阵；（b）Raython公司于1996年研制的反射式液晶光学相控阵

相比于Raython公司，Boulder Nonlinear Systems（BNS）公司研制的器件均是基于硅上液晶（LCoS）技术的反射式液晶光学相控阵。同时，BNS公司也相当重视用户的体验，他研制的产品不仅对驱动电路进行了集成化，而且开发了良好的人机交互界面。

图2 BNS公司研制的一维反射式液晶光学相控阵。（a）一维反射式液晶光学相控阵（1 pixel×4096 pixel）照片图及其在波长为1550 nm时的光束偏转实验结果；（b）一维反射式液晶光学相控阵光学头（1 pixel×12288 pixel）照片图

Rockwell公司则致力于对液晶光学相控阵器件的体积、质量及功耗进行优化。2004年，他们研制出一款孔径为5 mm×5 mm、基于双频液晶的反射式光学相控阵，如图3（a）和图3（b）所示。这款器件对1550 nm的光束实现了±1.5°范围内的离散偏转。与反射型液晶光学相控阵器件相比较，透射型器件有更小的体积、质量、功耗，Rockwell公司在2005年研制了一款孔径为4 cm×4 cm、基于双频液晶透射式光学相控阵，如图3（c）~图3（e）所示。这款器件对1550 nm的光束是实现了±2°范围内的离散偏转。

图3 Rockwell公司研制的一维反射式、透射式双频液晶光学相控阵。反射式双频液晶光学相控阵的（a）核心单元和（b）测试器件外观；透射式双频液晶光学相控阵的（c）核心单元、（d）测试器件外观和（e）结构示意图

尽管液晶材料具有巨大的电光效应，但对于较厚的液晶层，这种效应将被减弱。为了规避这种效应，Vescent Photonics公司发明了液晶包层波导结构。在2008年，Vescent Photonics公司研制出了一款孔径约为5 cm×5 cm的一维液晶光学相控阵，它的质量小于5 g。该相控阵的性能原理及结构如图4所示。

图4 Vescent Photonics公司研制的一维液晶光学相控阵的演示实验及其原理结构。（a）演示实验；（b）原理及结构

• 国内研究进展

对于光学相控阵的研究，国内已初具规模。但对于液晶光学相控阵而言，国内起步较晚，仍处于起步阶段。

哈尔滨工业大学在国内较早地将光束控制和液晶相控阵的理论、技术和应用作为整体项目，在液晶波前校正以及影响衍射效率等方面进行了探究，该研究成果为后续的相关研究提供了基础。

哈尔滨工业大学的张建研究团队依据自建的一维液晶盒模型深入研究液晶的电压-相移特性，为液晶光学相控阵的驱动电压以及盒厚设计提供了参考依据；依据所构建锯齿状相位延迟模型对回程区、光栅周期及最大相位延迟量对于器件衍射效率的影响进行了综合分析。基于液晶光学相控阵的理论分析，该团队于2008年研制了一款一维透射式向列相液晶光学相控阵。这款器件对632.8 nm的红光实现的最大偏转角为2.0014°，实现了60个角度的准连续偏转，并对影响衍射效率的“相位凹陷”现象进行了定性分析，提出相位凹陷的产生与驱动电极的离散性密切相关，通过减小电极之间的距离可以有效减少甚至消除相位凹陷。

电子科技大学的研究人员对液晶的特性、液晶模型及液晶光学相控阵都有一定的研究。2005年，根据激光雷达的设计要求，他们研制了一款一维透射式向列相液晶光学相控阵。这款器件在635~1060 nm波段内实现的最大偏转角为3.0381°，实现了±1°范围内100个角度的准连续偏转，在偏转角0.2°和1.8°时的偏转效率分别为70%和20%。

中国科学院长春光学精密机械物理研究所对液晶光学相控阵也开展了研究，并确立了电场与晶体折射率的关系，在此基础上，提出非规则光学相控阵的基本理论，随后对相位调制曲线非线性等问题进行了探讨。

近些年来，长光所的宣丽研究员团队开展了基于液晶光学相控阵的光束精调和大角度光束偏转的研究，提出了两种新的相位调制方法：径向子孔径相干算法和对称径向子孔径相干算法。依据这两种算法，可以在对液晶光学相控阵的一维与二维扫描中实现高精度、灵活的波束转向的同时，有效地避免了由光束孔径变化引起的转向角整体漂移，极大地提高了光束偏转的稳定性。同时，宣丽研究员团队也建立了径向子孔径相干算法和对称径向子孔径相干算法的基本数学框架及相应的局部误差消除的方法，补充了相位生成算法的理论支撑，为其应用于其他波束控制，提供了直观、必要的参考。

•  性能的改善

对于偏转效率的提升而言，主要是考虑入射光束经过器件的精确调制后，如何将其大份额能量偏转到特定方向上去。电场边缘效应和相位回程区是影响偏转效率的主要因素。

优化控制和实现波前相位的控制是减弱电场边缘效应的有效方法。2003年，Harris通过4种不同的方法分别对电压-相位关系进行优化，如图5所示，这4种不同的方法在有效扫描的范围内均有较高的偏转效率。2004年，Cruneisen等提出一种使用光电导介质充当电极层的方法，消除了电场边缘效应带来的效率损失，显著提高了偏转效率。

图5 通过4种优化方法提高衍射效率

多种波控算法也被用来减弱电场边缘效应。目前有效控制波前相位的算法是对计算的实际相位进行迭代反馈，能够将偏转效率提升10%以上。虽然迭代反馈的算法可以有效提升偏转效率，但其扩展性展性较差。为了提高有效控制波前相位算法的扩展性，研究者在自适应光学优化随机并行梯度下降算法的基础上，提出一种控制并优化液晶相控阵偏转效率的方法，该方法适用于周期与非周期闪耀光栅模型。近年来，由于蝙蝠算法和快速搜寻优化算法能够有效压缩旁瓣，使主瓣的能量提升，故这两种算法也受到研究者的青睐。

近年来，针对偏转效率提升的问题，研究人员也提出一些新的解决方案。台湾交通大学的研究人员于2010年制作了一种使用稳定聚合物的自由极化的蓝色液晶相控阵，其偏转效率和系统的利用率都得到了提升。同时，随着占空比的减小，远场分布的旁瓣越来越多，这使得衍射效率下降。故可以通过改变占空比来提升偏转效率。

对于偏转角度的改善而言，主要考虑的问题是提升其最大偏转角度与高偏转分辨率。器件可偏转的角度取决于独立可编程的电极数目，即独立可编程的电极数目越多的器件，偏转的分辨率也就越高。但在制备工艺以及驱动电路集成难度的限制下，器件在一个子阵列中所能够拥有的独立可编程电极的数目是有限的。

美国空军研究实验室的Paul博士通过精调/粗调结合的层叠式结构改善了器件的偏转分辨率，实现了光束的准连续偏转。2003年，Raytheon公司通过8片全息片与液晶光学相控阵的叠加实现了 45°的最大偏转角，偏转效率超过98%。Rockwell公司于2004年采用液晶光学相控阵与双折射棱镜级联的方式实现了40°的最大偏转角。Vescent Photonics公司则采用液晶包层波导结构实现了80°的最大偏转角，实现了在±40°范围内的连续偏转且偏转效率不低于80%。

2017年，中国科学院光电技术研究所的杜升平通过改变液晶电极间相位差来控制光束的出射方向，对电子科技大学研制的液晶光学相控阵在0.15°的扫描范围内实现了优于20 μrad的连续光束偏转。2012年，该所通过沃拉斯顿棱镜与液晶相控阵级联的方式实现了13.25°的最大偏转角。

相比于液晶光学相控阵在低功率激光的通信与传输领域的应用来看，多址通信的研究与高能激光相控系统的研发仍然面临诸多问题，主要集中在：如何提高液晶光学相控阵的耐受功率、如何实现多路激光协同等问题。

2016年，牛津大学的Gomez等利用液晶光学相位控在室内实现了一点对两点的无线通信。2018年，电子科技大学研究人员通过级联两个透射式液晶光学相控阵来调制入射激光束的振幅和相位，在多个任意方向同时实现了光束的近场波峰，如图6所示。

为了提升液晶光学相控阵的激光耐受功率，满足器件在高能激光偏转场景下的应用，国内外各国纷纷对高能激光相控系统进行研究。2006年，美国Raython公司研制的液晶光学相控阵的耐受功率达到了113 W/cm²，见图7。

图7 Raython公司研制的耐受高功率的液晶光学相控阵

2010年，美国空军实验室采用1064 nm的连续激光对其液晶光学相控阵进行了测试，器件的耐受功率达到100 W/cm²。但由于国外各国已将高能激光相控技术封锁，相关的公开和详细报道甚少。

中国工程物理研究所对液晶光学相控阵的膜层激光损伤进行了详细的探究，特别是对导电层氧化铟锡和取向层聚酰亚胺进行了详细的分析，这为国内后续在高能激光相控系统的研究提供了基础。

电子科技大学汪相如团队在中国工程物理所的研究基础上，分别从器件吸收率、冷却流速、热沉积结构及基底材料这几个角度，详细探讨了高能激光对于液晶光学相控阵性能的影响，深入研究了如何提高液晶相控阵的激光耐受功率。2018年，他们研制了以氧化铟锡作为导电层、以聚酰亚胺作为取向层，带有散热系统的石英基底反射式液晶光学相控阵，在1064 nm的连续激光加载下，器件的耐受功率达到272.4 W/cm²。