基于液晶空间光调制器的激光束散角控制技术

王姝懿; 刘智; 林鹏; 刘树通; 刘艺

doi:10.37188/CJLCD.2022-0244

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基于液晶空间光调制器的激光束散角控制技术

器件物理及器件制备 | 更新时间：2022-10-28

- 基于液晶空间光调制器的激光束散角控制技术
- Laser beam scatter angle control technology based on liquid crystal spatial light modulator
- 液晶与显示 2022年37卷第11期页码：1430-1438
- 作者机构：
  
  1.长春理工大学光电工程学院，吉林长春 130022
  2.长春理工大学空间光电技术国家地方联合工程研究中心，吉林长春 130022
  3.长春理工大学电子信息工程学院，吉林长春 130022
- 作者简介：
  
  [ "王姝懿（1998—），女，吉林省吉林市人，硕士研究生，2020年于天津理工大学获得学士学位，主要从事液晶空间光调制器和大气激光传输方面的研究。E-mail： 905512353@qq.com" ]
  [ "刘智（1971—），男，吉林长春人，博士，教授，2004年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位，主要从事空间激光通信技术和激光传输特性方面的研究。E-mail： liuzhi@cust.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金叶企孙科学基金(U2141231);应用光学国家重点实验室开放基金(SKLAO2022001A04)
- DOI：10.37188/CJLCD.2022-0244
  中图分类号： TN929
- 收稿日期：2022-07-14，
  
  修回日期：2022-08-01，
  
  纸质出版日期：2022-11-05
- 稿件说明：
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王姝懿, 刘智, 林鹏, 等. 基于液晶空间光调制器的激光束散角控制技术[J]. 液晶与显示, 2022,37(11):1430-1438.

WANG Shu-yi, LIU Zhi, LIN Peng, et al. Laser beam scatter angle control technology based on liquid crystal spatial light modulator[J]. Chinese journal of liquid crystals and displays, 2022, 37(11): 1430-1438.
王姝懿, 刘智, 林鹏, 等. 基于液晶空间光调制器的激光束散角控制技术[J]. 液晶与显示, 2022,37(11):1430-1438. DOI： 10.37188/CJLCD.2022-0244.

WANG Shu-yi, LIU Zhi, LIN Peng, et al. Laser beam scatter angle control technology based on liquid crystal spatial light modulator[J]. Chinese journal of liquid crystals and displays, 2022, 37(11): 1430-1438. DOI： 10.37188/CJLCD.2022-0244.

摘要

在远距离激光通信系统中，为抑制复杂大气信道环境的影响，有必要对激光束散角进行实时调控。而传统光学变焦系统对激光束散角的调控精度不高，需要机械移动透镜组间距离，导致其灵活性和实时性差。本文提出了利用液晶空间光调制器（Liquid Crystal Spatial Light Modulator，LC-SLM）控制激光束散角的方法。通过LC-SLM模拟变焦透镜，由计算机生成不同焦距的相位灰度图并导入LC-SLM，利用不同的相位灰度图的灰度信息控制LC-SLM的外加电压以实现变焦透镜的功能；再利用变焦透镜与已知焦距的匹配透镜共同构成束散角控制系统，变焦透镜与匹配透镜距离恒定不变，通过改变变焦透镜的焦距实现束散角控制。研究结果表明，在基于液晶空间光调制器的激光束散角控制方法中，束散角变化值与理论值误差在5%以内，束散角的RMSE为0.017 5。与传统机械移动透镜组间距离控制束散角的方法相比，束散角均方根误差降低了22%，为激光参数动态调整提供了重要技术支撑。

Abstract

In the long distance laser communication system， it is necessary to control the dispersion angle of laser beam in real time in order to suppress the influence of complicated atmospheric channel environment. However， the traditional optical zoom system has low precision in adjusting the laser beam scatter angle， which requires mechanical movement of the distance between the lens groups， resulting in poor flexibility and real-time performance. In this paper， a method of controlling laser beam scatter angle using liquid crystal on spatial light modulator （LC-SLM） is proposed. LC-SLM was used to simulate the zoom lens， and the phase gray images with different focal lengths were generated by computer and imported into LC-SLM. The applied voltage of LC-SLM was controlled by the gray information of different phase gray images to realize the function of the zoom lens. Then， the control system of beam scattering angle was composed of the zoom lens and the matching lens with known focal length. The distance between the zoom lens and the matching lens was constant， and the beam scattering angle was controlled by changing the focal length of the zoom lens. The results show that the error between the variation value and the theoretical value is within 5%， and the RMSE of the beam divergence angle is 0.017 5. The root mean square error of beam divergence angle is reduced by 22% compared with the traditional method of controlling beam divergence angle by mechanically moving the distance between lens groups， which provides an important technical support for dynamic adjustment of laser parameters.

关键词

Keywords

references

LEE I E ， GHASSEMLOOY Z ， NG W P ， et al . Joint optimization of a partially coherent Gaussian beam for free-space optical communication over turbulent channels with pointing errors ［J］. Optics Letters ， 2013 ， 38 （ 3 ）： 350 - 352 . doi: 10.1364/ol.38.000350 http://dx.doi.org/10.1364/ol.38.000350

ZWICK S ， SCHAUB C ， HAIST T ， et al . Light fields with an axially expanded intensity distribution for Stable three-dimensional optical trapping ［J］. Optics Express ， 2010 ， 18 （ 19 ）： 19941 - 19950 . doi: 10.1364/oe.18.019941 http://dx.doi.org/10.1364/oe.18.019941

MAI V V ， KIM H . Adaptive beam control techniques for airborne free-space optical communication systems ［J］. Applied Optics ， 2018 ， 57 （ 26 ）： 7462 - 7471 . doi: 10.1364/ao.57.007462 http://dx.doi.org/10.1364/ao.57.007462

MAI V V ， KIM H . Beam size optimization and adaptation for high-altitude airborne free-space optical communication systems ［J］. IEEE Photonics Journal ， 2019 ， 11 （ 2 ）： 7902213 . doi: 10.1109/jphot.2019.2901952 http://dx.doi.org/10.1109/jphot.2019.2901952

韩宽宽 . 激光雷达散射截面中可变发散角光学系统研究［D］. 西安：西安电子科技大学， 2014 . doi: 10.1016/j.optlastec.2013.08.007 http://dx.doi.org/10.1016/j.optlastec.2013.08.007

HAN K K . Study of optical system for divergence angle changed of the system on laser radar cross section ［D］. Xi’an ： Xidian University ， 2014 . （in Chinese） . doi: 10.1016/j.optlastec.2013.08.007 http://dx.doi.org/10.1016/j.optlastec.2013.08.007

张栋，孟楷，孟冬，等 . 一种反射光束发散角可调的激光合作目标设计［J］. 科技创新与应用， 2018 ， 8 （ 13 ）： 99 - 101 .

ZHANG D ， MENG K ， MENG D ， et al . Design of a laser cooperative target with adjustable divergence angle of reflected beam ［J］. Technology Innovation and Application ， 2018 ， 8 （ 13 ）： 99 - 101 . （in Chinese）

PARK J ， WON K ， KIM Y . Liquid crystal between two distributed Bragg reflectors enables multispectral small-pitch spatial light modulator ［J］. Light： Science & Applications ， 2022 ， 11 （ 1 ）： 210 . doi: 10.1038/s41377-022-00882-w http://dx.doi.org/10.1038/s41377-022-00882-w

MANSHA S ， MOITRA P ， XU X W ， et al . High resolution multispectral spatial light modulators based on tunable Fabry-Perot nanocavities ［J］. Light： Science & Applications ， 2022 ， 11 （ 1 ）： 141 . doi: 10.1038/s41377-022-00832-6 http://dx.doi.org/10.1038/s41377-022-00832-6

肖红周 . 可变焦液晶透镜的研究［D］. 广州：广东工业大学， 2020 .

XIAO H Z . Study on zoomable liquid crystal lens ［D］. Guangzhou ： Guangdong University of Technology ， 2020 . （in Chinese）

周英杰 . 基于光控取向技术的液晶透镜的研究［D］. 长沙：湖南大学， 2021 .

ZHOU Y J . Research on liquid crystal lens based on photoalignment technology ［D］. Changsha ： Hunan University ， 2021 . （in Chinese）

曹召良，李小平，宣丽，等 . 液晶自适应光学的研究进展［J］. 中国光学， 2012 ， 5 （ 1 ）： 12 - 19 . doi: 10.3788/co.20120501.0012 http://dx.doi.org/10.3788/co.20120501.0012

CAO Z L ， LI X P ， XUAN L ， et al . Recent progress in liquid crystal adaptive optical techniques ［J］. Chinese Optics ， 2012 ， 5 （ 1 ）： 12 - 19 . （in Chinese） . doi: 10.3788/co.20120501.0012 http://dx.doi.org/10.3788/co.20120501.0012

CHEN C W ， CHO M ， HUANG Y P ， et al . Three-dimensional imaging with axially distributed sensing using electronically controlled liquid crystal lens ［J］. Optics Letters ， 2012 ， 37 （ 19 ）： 4125 - 4127 . doi: 10.1364/ol.37.004125 http://dx.doi.org/10.1364/ol.37.004125

FENG F ， WHITE I H ， WILKINSON T D . Aberration correction for free space optical communications using rectangular Zernike modal wavefront sensing ［J］. Journal of Lightwave Technology ， 2014 ， 32 （ 6 ）： 1239 - 1245 . doi: 10.1109/jlt.2014.2301634 http://dx.doi.org/10.1109/jlt.2014.2301634

林培秋，应朝福，徐展斌，等 . 基于纯位相液晶空间光调制器的可变焦透镜的实现［J］. 应用光学， 2010 ， 31 （ 3 ）： 376 - 380 . doi: 10.3969/j.issn.1002-2082.2010.03.007 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1002-2082.2010.03.007

LIN P Q ， YING C F ， XU Z B ， et al . Implementation of controllable zoom lens based on phase-only liquid crystal spatial light modulator ［J］. Journal of Applied Optics ， 2010 ， 31 （ 3 ）： 376 - 380 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1002-2082.2010.03.007 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1002-2082.2010.03.007

齐冀 . 基于LC-SLM的高光束质量变倍率激光扩束技术研究［D］. 长春：长春理工大学， 2018 .

QI J . Research on high beam quality laser zoom beam expanding technique based on LC-SLM ［D］. Changchun ： Changchun University of Science and Technology ， 2018 . （in Chinese）

倪小龙，朱旭芳，于信，等 . 激光束散角复合控制技术［J］. 强激光与粒子束， 2020 ， 32 （ 7 ）： 071008 . doi: 10.11884/HPLPB202032.200078 http://dx.doi.org/10.11884/HPLPB202032.200078

NI X L ， ZHU X F ， YU X ， et al . Laser beam coherence and divergence angle complex controlling technique ［J］. High Power Laser and Particle Beams ， 2020 ， 32 （ 7 ）： 071008 . （in Chinese） . doi: 10.11884/HPLPB202032.200078 http://dx.doi.org/10.11884/HPLPB202032.200078

FANG C L ， DAI B ， ZHUO R ， et al . Focal-length-tunable elastomer-based liquid-filled plano-convex mini lens ［J］. Optics Letters ， 2016 ， 41 （ 2 ）： 404 - 407 . doi: 10.1364/ol.41.000404 http://dx.doi.org/10.1364/ol.41.000404

苏树钊，姜海明，夏宏燕，等 . 电控梯度折射率液晶透镜研究进展［J］. 液晶与显示， 2022 ， 37 （ 3 ）： 310 - 341 . doi: 10.37188/CJLCD.2021-0278 http://dx.doi.org/10.37188/CJLCD.2021-0278

SU S Z ， JIANG H M ， XIANG H Y ， et al . Research progress of electronically controlled gradient refractive index liquid crystal lens ［J］. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays ， 2022 ， 37 （ 3 ）： 310 - 341 . （in Chinese） . doi: 10.37188/CJLCD.2021-0278 http://dx.doi.org/10.37188/CJLCD.2021-0278

张洁，倪小龙，刘智，等 . 高精度连续变倍率激光扩束系统设计［J］. 中国光学， 2019 ， 12 （ 3 ）： 693 - 700 . doi: 10.3788/co.20191203.0693 http://dx.doi.org/10.3788/co.20191203.0693

ZHANG J ， NI X L ， LIU Z ， et al . Design of laser beam expansion systems with high precision and continuous variable ratios ［J］. Chinese Optics ， 2019 ， 12 （ 3 ）： 693 - 700 . （in Chinese） . doi: 10.3788/co.20191203.0693 http://dx.doi.org/10.3788/co.20191203.0693

李颖奎，齐冀，张洁，等 . 基于液晶空间光调制器的变倍率激光扩束技术研究［J］. 液晶与显示， 2018 ， 33 （ 9 ）： 764 - 771 . doi: 10.3788/yjyxs20183309.0764 http://dx.doi.org/10.3788/yjyxs20183309.0764

LI Y K ， QI J ， ZHANG J ， et al . Laser beam expanding technology based on liquid crystal spatial light modulator ［J］. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays ， 2018 ， 33 （ 9 ）： 764 - 771 . （in Chinese） . doi: 10.3788/yjyxs20183309.0764 http://dx.doi.org/10.3788/yjyxs20183309.0764

刘春梅 . 基于LCOS光学变焦系统研究［D］. 合肥：安徽大学， 2013 .

LIU C M . LCOS-based optical zoom system research ［D］. Hefei ： Anhui University ， 2013 . （in Chinese）

吕倩倩 . 基于SLM变焦透镜的光强传输方程相位恢复［D］. 合肥：安徽大学， 2018 .

LV Q Q . Phase retrieval based on SLM tunable-lens and transport of intensity equation ［D］. Hefei ： Anhui University ， 2018 . （in Chinese）

胡楠 . 激光束散角测试技术研究［D］. 长春：长春理工大学， 2010 .

HU N . Research on measurement of divergence laser beams ［D］. Changchun ： Changchun University of Science and Technology ， 2010 . （in Chinese）

李淑艳 . 基于空间光通信系统链路的最优化束散角研究［J］. 粘接， 2020 ， 42 （ 5 ）： 177 - 180 . doi: 10.3969/j.issn.1001-5922.2020.05.042 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1001-5922.2020.05.042

LI S Y . Study on the optimal beam divergence angle based on the link of space optical communication system ［J］. Adhesion ， 2020 ， 42 （ 5 ）： 177 - 180 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1001-5922.2020.05.042 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1001-5922.2020.05.042

申琳，杨进华，韩福利，等 . 基于光斑图像的激光束散角测量方法研究［J］. 兵工学报， 2011 ， 32 （ 7 ）： 890 - 895 .

SHEN L ， YANG J H ， HAN F L ， et al . Research on laser beam divergence angle measurement method based on spot image ［J］. Acta Armamentarii ， 2011 ， 32 （ 7 ）： 890 - 895 . （in Chinese）

李武军，李恩琪，党晨，等 . 空间光调制器加载菲涅尔透镜特性研究［J］. 西安工业大学学报， 2021 ， 41 （ 5 ）： 515 - 518 .

LI W J ， LI E Q ， DANG C ， et al . Characteristics of the fresnel lens based on spatial light modulation ［J］. Journal of Xi’an Technological University ， 2021 ， 41 （ 5 ）： 515 - 518 . （in Chinese）

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