液晶光栅衍射光场特性研究

高琳 郑春艳 程庆华 徐大海

【摘要】 液晶光栅作为一种光学相控阵被应用在激光雷达、卫星通信等系统中，可以实现激光束的灵活偏转。而要对定向光束的质量进行控制，必须对液晶光栅相控阵的波前进行测试，仿真结果可为液晶光栅性能的评价及波前测试提供参考。

【关键词】 液晶光栅 光学相控阵 衍射光强 光束偏转

引言

目前，光学相控阵被广泛用于激光雷达、卫星通信等系统中。它是用电光材料作为移相单元组成的阵列器件，利用材料的电光效应对入射光波进行相位调制，从而实现对激光束的光学相控阵技术[1]核心是通过调节出射光波前局部相位分布， 使其在特定方向上彼此同相产生相长干涉， 干涉结果是在所需方向上产生一束高强度的光束，实现激光束的偏转。液晶光栅相控阵技术是利用液晶作为移相器， 它利用液晶材料的相移随加载电压变化的特性， 通过控制液晶移相器阵列的电极电压分布， 实现液晶移相器阵列出射光束的波前分布和光束偏转[2-7]。

一、液晶光栅衍射原理

其中，d为光栅周期，θm 为第 m 级衍射光的衍射角，λ为入射光的波长。本文主要研究+1级衍射情况，故m=1。

二、仿真结果与分析

根据二元光学理论和近场衍射理论，用matlab编程仿真液晶光栅的衍射光场。

（1）随着干扰误差越大，+1级衍射的能量分散越大，+1级闪耀情况有所下降；

（2）在相同条件下，8台阶的+1级衍射能量比4台阶的大，这是由于8台阶光栅相位轮廓更接近理想锯齿形闪耀光栅，相位误差小。

随着传播距离的增大，衍射能量损耗增大，相位误差越大，衍射能量的损耗就越大，误差起伏达到0.5πrad时，能量已经所剩无几了。

说明相位误差会使得出射定向光束光斑增大，能量分散，因此要得到质量较好的定向光束，就必须要减小液晶光栅的相位误差。

其余仿真条件同上.

三、结论

本文介绍了液晶光栅相控阵的工作原理，指出其相当于一个周期可变的二元闪耀光栅。详细的分析了这种特殊的相位轮廓的特点，并仿真了相位分布误差对液晶光栅衍射场的衍射特性的影响，得出相位误差会导致+1级衍射的光能量损耗，台阶数越少，能量损耗越大；相位误差越大，衍射能量的损耗就越大；且随着传播距离的增大，衍射能量集中度下降。

干扰强度越大会导致在衍射距离较近的位置各衍射级次重叠。仿真还得出入射激光束的准直误差也会使+1级衍射光能量损耗。本文的研究结果可为液晶光栅的研制和波前测试提供参考。

参 考 文 献

[1]. P. F. Mcmanamon， D. L. Corkum， J. L. Friedman， et al. Optical phased array technology. Proceeding of the IEEE， 1996， 84（2）：268-298

[2] P. F. Mcmanamon. An overview of optical phased array technology and status. Proceedings of SPIE， 2005， 5947：1-10

[3] Kong Lingjiang， Zhu Ying， Yang Jianyu et al . . A new method of scanning angles screening of liquid crystal phased array component [ J] . Acta Optica Sini ca ， 2009， 29（ 7） ： 1961～ 1966

孔令讲，朱颖，杨建宇，等.一种新的液晶相控阵组件波控方法.光学学报，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