Lærðu um geislabeygjutækni sem byggir á sjónsamskiptum geims á 3 mínútum

Geislabeygingartækni er lykilþáttur í leysisamskiptum í lausu rými og afköst hennar ákvarðar hvort leysir í lausu rými geti mætt hröðum og stöðugum samskiptaþörfum. Geislabeygjutækni má skipta í tvo flokka: vélrænni geislabeygjutækni og óvélrænni geislabeygjutækni. Meðal þeirra, vélrænni geislabeygjutækni felur í sér skönnun galvanometera, hraðvirka stýrisspegla og ör-rafmagnskerfis aflöganlega spegla; óvélræn geislabeygingartækni felur í sér hljóð-sjónbeygjutækni, beygjutækni sem byggir á fljótandi kristalefnum og raf-sjónbeygjutækni.

Við skulum skoða eiginleika ýmissa geislabeygjutækni og notkunarhorfur þeirra á sviði sjónfjarskipta í geimnum.

1.Skanna galvanometer

Þroskaðasti vélræni geislabeygjubúnaðurinn er skannagalvanometer, sem er í meginatriðum ljósspegill með þrepaviðbragðstíma sem nemur millisekúndum/undirmillísekúndum og vísunarnákvæmni míkróradíana, eins og sýnt er á mynd 1.

Mynd 1 Skýringarmynd af skönnun galvanometers

Galvanometerskönnunarkerfið hefur einfalda uppbyggingu, litla stærð, mikla skannanákvæmni, hraðan hraða og tiltölulega lágan kostnað. Hins vegar hefur það vandamál eins og takmarkað vinnusvið, röskun á náladúða og slit á galvanometer. Þetta tæki hefur náð framúrskarandi frammistöðustaðlum hvað varðar sveigjuhorn. Til dæmis, XG210 röð skanna galvanometer sett á markað af bandaríska THORLABS fyrirtækinu hefur sveigjuhorn allt að ±20 gráður. Eins og er, eru vísindamenn heima og erlendis að vinna að því að auka skönnunarhraðann og nota aðferðir eins og femtósekúndu leysirpúlsa og fjölvíddar galvanometerbyggingar til að bæta árangur hans.

Hins vegar, fyrir tvívíddar galvanometera og hærri víddar galvanometerskönnunartækni, er uppbygging kerfisins flóknari og stefnuvillur munu eiga sér stað í hagnýtum forritum og góðar leiðréttingaraðferðir eru nauðsynlegar til að leiðrétta villurnar. Í framtíðinni getum við íhugað að nota stýritækni með breytilegri uppbyggingu og þykka og þunna tveggja þrepa samsetta ásstýringartækni til að aðstoða við að bæla afgangsvillur. Hægt er að beita þeim í gervihnattastjörnumerkjum með góðu rýmisumhverfi og stuttum vinnulotum til að ná fram mikilli nákvæmni rakningu og skönnun með hámarks skilvirkni. Að auki er kraftur leysigeisla í leysisamskiptum almennt mjög mikill, svo að velja galvanometer speglaefni með hærri endurspeglun til að draga úr yfirborðsskemmdum er einnig vandamál sem þarf að leysa í framtíðinni.

2.Hratt stýrisspeglar

Það eru tvö uppbygging fyrir hraðstýrisspegla, FSM (eins og sýnt er á mynd 2): önnur er XY-ás rammabyggingin, einnig kölluð bolkerfisbyggingin; hitt er sveigjanleg ásbygging, sem er helsta þróunarstefna FSM um þessar mundir.

Mynd 2 (a) XY-ás rammabyggingarmynd af hraðstýrisspeglunum; (b) Sveigjanleg ásbyggingarmynd af hraðstýrisspeglunum

Hraðastýrisspegillinn hefur kosti mikillar staðsetningarnákvæmni, hárrar hyrndarupplausnar, hraðvirkrar viðbragðshraða og lítillar stærðar. Það er mikið notað í ýmsum optomechanical kerfum og sveigjanleg stoðbygging dregur einnig úr vélrænni núningi, en í hagnýtum forritum krefst það Samsett með stórri tregðu ramma uppbyggingu mun það leiða til ákveðinnar ljósásvillu.

Á þessari stundu beinist annars vegar innlendar rannsóknir á þessu sviði aðallega að burðarvirkjahermi og kerfisstýringu hraðskreiða endurskinsmerkja og framfarir í þróun nýrra endurskinsmerkja eru hægar. Þetta tengist einnig þörfinni fyrir stöðuga endurtekna sannprófun og háum rannsóknar- og þróunarkostnaði. Þess vegna er eitthvað sem þarf að kanna að þróa sameiginlegt hermikerfi þannig að hægt sé að líkja eftir líkamlegri sannprófun með því að stilla ákveðnar færibreytur í kerfinu, þar með stytta þróunarferilinn til muna, finna afkastamikil hraðspeglabreytur hraðar og bæta hagræðingarskilvirkni. framtíðin.

Á hinn bóginn munu hitatruflanir og grundvallar titringur sem eru til staðar í geimumhverfinu valda röskun á sjónásnum og titringi þegar beinir hárnákvæmni geislar. Eins og er, er núverandi aðferð að nota geisla sem samanstendur af Michelson interferometer og hraðvirkum stjórnspegli. Bendingjastillingarkerfi til að bæta upp fyrir vandamálið með sjónásskekkju. Hins vegar hefur þessi aðferð litla nákvæmni við meðhöndlun á kraftmiklum mæliskekkjum. Að auka nákvæmni kraftmikilla mæliskekkna til að bæta upp villur í rauntíma er vandamál sem ætti að leysa í framtíðinni.

3.MEMS aflaganlegur spegill

Micro-Electro-Mechanical System-Deformable Mirror (MEMS-DM) hefur ýmsar gerðir eins og rafhitadrif, piezoelectric drif, rafstöðudrif og rafseguldrif. Í ljósi þeirrar staðreyndar að rafstöðueiginleiki hefur einfalda uppbyggingu, hefur það kosti þess að viðbragðshraða er hratt og getu til að vinna undir hátíðnimerkjum, svo það er að mestu knúið áfram af rafstöðueiginleikum og er að mestu útfært í formi flatra þétta . Uppbygging þess er sýnd á mynd 3.

Mynd 3 MEMS aflaganlegur spegildrifsuppbyggingarmynd

Aflöganlegir speglar í öreindakerfi hafa kosti mikillar einingaþéttleika, stutts viðbragðstíma, lítillar orkunotkunar, litlum tilkostnaði og góðs samþættra hringrásarsamhæfis og eru meira notaðir á myndgreiningarsviðinu; Hins vegar hafa þeir einnig hægan skannahraða og litla orkunýtingu ljóssins. , vandamál eins og meira flökkuljós. Undanfarin ár hafa vísindamenn byrjað að þróa fleiri einingastilla fyrir aflöganlega spegla til að auka ölduframslagið og fá hærri rammahraða; á sama tíma munu aflöganlegir speglar með fleiri stýrisbúnaði leiða til meiri vélrænni álags, svo að velja léttari grunnefni með lægri hörku er leiðin fram á við.

4.Acoustic og ljós sveigju tækni

Hljóð-sjónbeygjutækni breytir hátíðni rafboðum í úthljóðsbylgjur og sendir þau til vinnslumiðilsins í gegnum transducer til að mynda rist, sem notar ljósbylgjusveiflu til að sveigja geislann, eins og sýnt er á mynd 4. Hljóð-sjónbeygingin. áhrifum er skipt í Ramanes diffraction og Bragg diffraction í samræmi við lengd hljóð-optíska svæðisins. Þar sem Ramanes-diffraction hefur litla ljósnýtingu skilvirkni og Bragg diffraction hefur mikla diffraction skilvirkni, er Bragg-diffraction almennt notað.

Mynd 4 Meginskýringarmynd af hljóð- og ljósbeygju

Hljóð-sjónbeygjubúnaður hefur kosti þess að vera lítill, léttur, lítill akstursstyrkur og mikil sveigjanleiki. Á sama tíma hefur hljóð-sjón-beygjutækni einnig rauntíma samhliða vinnslugetu, mikla tímabandbreidd, auðveldan samhæfni við tölvur og sjálfvirka stjórn. Hins vegar eru einnig eftirfarandi annmarkar: Megnið af dreifða ljósinu er fyrsta stigs sveigjanlegt ljós, sem leiðir til þess að hljóð-optíska sveigjubúnaðurinn hefur augljósa annmarka á sveigjusviði stórhorns, lítil sveigjunákvæmni, erfiðleikar við að ná fínni stjórn geislans og lág upplausn. , mun "típáhrif" birtast við háhraðaskönnun.

Með því að nota aðferðir eins og ultrasonic mælingar og einn kristal fjöltíðni er hægt að auka skilvirka bandbreidd til að leysa vandamálið með lágri upplausn. Fyrir "chirp-áhrifin" er hægt að bæta sívalri linsu á eftir sveigjunni til að útrýma áhrifum hans. Á þessari stundu eru margar rannsóknir á tíðni hljóðbylgna sem falla að, og mismunandi aðferðir við tilraunabætingu hafa verið gerðar til að bæta sveifluvirkni og tíðniviðbragðsframmistöðu hljóð-sjónvarpsins undir tíðni úthljóðsbylgna, en árangur að auka sveigjuhornið hefur sjaldan verið greint.

Í framtíðinni er hægt að íhuga stjórnanleg hljóðbylgjuvektortækni til að breyta atviksstefnu hljóðbylgjunnar til að stækka sveigjuskönnunarhorn hennar. Aðrir vísbendingar um sveigjuframmistöðu hljóðeinangraðra sjóntækja, þar á meðal bandbreiddarafköst, andstæðingurstöðugleiki og hitastöðugleiki, eru einnig núverandi rannsóknarstöðvar.

5.LCD sveigjutækni

Geislabeygjutækni sem byggir á fljótandi kristalefnum inniheldur aðallega: fljótandi kristal fasa fylki, fljótandi kristal örlinsu fylki og fljótandi kristal skautunarrist.

Liquid Crystal Optical Phased Array (LCOPA) tækni vísar til þess að beita spennu á fljótandi kristal sameindir í gegnum rafskaut. Þar sem fljótandi kristal sameindir hafa rafeindastýrð tvíbrotsáhrif, stjórnar beitt spenna hversu sveigju fljótandi kristal sameindir eru í mismunandi ástandi og hefur þar með áhrif á geislabylgjuna. Það gegnir hlutverki fasamótunar að framan til að átta sig á geislaskönnun, eins og sýnt er á mynd 5.

Mynd 5 Meginlínuskýringarmynd af vökvakristalfasa sveigju fylkis

LCOPA hefur kosti mikils krafts og lágspennuaksturs og getur náð mikilli nákvæmni geislabeygju með handlagni og engri vélrænni tregðu. Hins vegar hefur það annmarka eins og langan viðbragðstíma og stutta notkunarrófsbreidd. Að auki takmarkar litla sveigjuhornið einnig notkunarsvið LCOPA, sem krefst hornmögnunarbúnaðar til að ná stærra sveigjuhorni. Hins vegar, vegna þátta eins og áhrifaríks ljósops og gönguhorns hornmögnunarbúnaðarins, er erfitt fyrir hornmögnunarbúnaðinn að ná meiri hornstækkun. Á sama tíma mun fljótandi kristalfasa fylkingin hafa margar dreifingarröð meðan á notkun stendur og ásamt áhrifum ólínulegra fylgniáhrifa mun sveigjanleiki LCOPA minnka.

Liquid Crystal Micro-lins Array (LCMLA) samanstendur af 3 linsufylki, eins og sýnt er á mynd 6. Í samanburði við LCOPA hefur LCMLA stærra sveigjuhorn og er ekki fyrir áhrifum af sjónræna endurkomusvæðinu, þannig að sveigjuskilvirkni er meiri; fyrir áhrifum af breytingatíma LC sameindafyrirkomulagsins í fljótandi kristalefninu, er ljósleiðarmunurinn sem LCMLA krefst lengri en LCOPA. Lítil, þykktin er hægt að gera minni, þannig að LCMLA hefur minni viðbragðstíma en LCOPA. Hins vegar, til að ná samfelldri geislabeygjuskönnun, þarf LCMLA að nota ásamt sumum fínhornbeygjubúnaði, sem eykur flókið útfærslu forritsins. Þar að auki er LCMLA samsett úr marglaga linsufylki og stöðugleiki kerfisins er verri en LCOPA. LCMLA nær fram sveigju geisla með því að breyta aðal stóra dreifingarröð ljóssins sem útgeislar. Staðbundið samhengi örlinsufylkisins hefur áhrif á upplausn þess, sem krefst mjög lítillar villu í stærð örlinsunnar, sem er stórt vandamál sem þarf að leysa.

Mynd 6 Skýringarmynd af fljótandi kristal örlinsu fylki

Meginreglan um Liquid Crystal Polarization Grating (LCPG) er að innfallsljósið fer í gegnum skautarann ​​til að mynda örvhent ljós og rétthent ljós og fer síðan í gegnum LCPG til að sveigja ljósgeislann í tvær mismunandi áttir. Afleiðingarljóssleiðin er sýnd á mynd 7. LCPG hefur ekki áhrif á brúnaráhrif rafsviðs og hefur mikla upplausn, forritanlega stjórn, léttleika og sveigjanleika. LCPG þarf aðeins að búa til ljósleiðarmun jafngildis hálfbylgjuplötu og nauðsynleg þykkt fljótandi kristallagsins er þynnri, þannig að viðbragðstími þess styttist. Það er hraðvirkt og hefur ekki áhrif sjónræns skila af völdum fasa endurstillingar. Að auki getur það einnig náð breitt litrófsaðgerð. Hins vegar er erfitt fyrir einn LCPG að ná vísitölukröfum margra sjónarhorna og stórs sjónsviðs á sama tíma og fjöllaga LCPG hefur miklar kröfur um undirbúningsferlið og stöðugleika kerfisins.

Mynd 7 Skýringarmynd af fljótandi kristalskautunarristi

Hefðbundin LCOPA er létt og sveigjanleg og getur náð fínni sveigju innan lítils hornsviðs. Kerfið er flókið tiltölulega einfalt og undirbúningsferlið er tiltölulega þroskað. Hins vegar er það fyrir áhrifum af sjónræna endurkomusvæðinu af völdum fasa endurstillingar og það eru augljósir annmarkar á sveigjuskilvirkni, viðbragðstíma og öðrum vísbendingum. , þarfnast stöðugrar umbóta og þróunar. LCMLA og LCPG verða ekki fyrir áhrifum af sjónræna skilasvæðinu og hafa verulega bætt sveigjuskilvirkni. Hins vegar þurfa þeir báðir að vera búnir fínhornbeygjubúnaði til að ná hálfsamfelldri sveigjuskönnun á geislanum og báðir nota fjölþrep til að ná hámarks sveigjuhorni. Röð uppbyggingin mun leiða til kerfis sem er of langt og hefur tiltölulega lélegan stöðugleika. Í samanburði við LCOPA og LCMLA hefur LCPG ekki aðeins einkenni stórs beygjuhorns og mikillar sveigjuskilvirkni, heldur hefur það einnig einstakan kost við breitt litrófsaðgerð, en það getur aðeins náð geislabeygjuskönnun með stóru hornabili. Sem stendur er fljótandi kristalbeygjutækni sú mest rannsökuð í óvélrænni sveigju, en það eru verulegar takmarkanir á því að ná stórum sjónarhornum og mikilli skilvirkni við óskautað ljósskilyrði. Til að leysa þetta vandamál má íhuga búnaðararkitektúr og efnisgerð; þegar notaður er fljótandi kristalskautunargrindibúnaður er erfitt að ná samfelldri hornbeygju við stóran hornbeygju. Þetta eru vandamál sem þarf að leysa í framtíðinni.

6.Electro-optical deflection tækni

Rafsjónabeygingartækni er að veruleika með því að nýta beygjuna sem myndast af brotstuðulshallanum hornrétt á útbreiðslustefnu geisla, eins og sýnt er á mynd 8. Í samanburði við aðra tækni hafa geislabeygjur sem byggjast á rafsjónkristöllum kosti handahófskenndar sveigju. horn, lítil stærð, hraður viðbragðshraði og mikið næmi, en þeir hafa vandamálið með lágri upplausn.

Mynd 8 Meginskýringarmynd af raf-sjónbeygju

Á undanförnum árum hefur verið tilkynnt um raf-sjónræn efni með auka raf-sjónáhrifum heima og erlendis, svo sem litíumníóbat, baríumtítanat osfrv. Í samanburði við kristalla með línuleg rafsjónáhrif eru þau betri í frammistöðu eins og svörun. hraða og sveigjuspennu. Meðal þeirra, KTN kristallar.

KTN kristal er sá kristal sem nú er þekktur með stærstu auka raf-sjónáhrifin. Það hefur framúrskarandi eiginleika eins og stóran rafstraumsfasta, lágt rafstraumstap, augljós járnafmagn og framúrskarandi ólínulega sjónræna eiginleika. Það hefur mjög breitt úrval af forritum á sviði geislabeygju. horfur. Sem stendur hafa erlend fyrirtæki eins og Japan's NTT Company og University of Pennsylvania í Bandaríkjunum, auk innlendra Harbin Institute of Technology, Nankai University og Shandong Academy of Sciences, gert miklar rannsóknir á sveigjueiginleikum KTN. kristalla.

NTT Company og Háskólinn í Pennsylvaníu rannsökuðu aðallega KTN kristalgeislabeygjutækni sem byggir á innspýtingu geimhleðslu; Shandong vísindaakademían rannsakaði aðallega geislabeygjutæknina sem stafar af samsetningu halla KTN kristals; Tækniháskólinn í Harbin og aðrir rannsökuðu aðallega rafskaut KTN kristalgeislabeygja. Verkfræðiatriði eins og uppbygging og rekstrarhiti voru rannsökuð.

Eftirfarandi vandamál eru til staðar eins og er: það er erfitt að ná mikilli sjónrænni einsleitni í kristalvexti og mæta þörfum hagnýtrar notkunar; forrit nálægt Curie hitastigi krefjast nákvæmra hitastýringaraðferða; það eru spurningar um geimhleðsluinnspýtingarbúnaðinn og pólun við Curie hitastigið. Vísindaleg atriði eins og nanósvæðið og stjórnunarbúnaður geislabeygju krefst frekari rannsókna.

Til þess að sýna betur kosti og galla hverrar sveigjutækni var gerð samanburðargreining eins og sýnt er í töflu 1.

Tafla 1 Samanburður á geislabeygjutækni

Samantekt

Almennt notaðir vélrænir ör-rafmagnískir aflöganlegir speglar, hraðskinsspeglar og skannagalvanómetrar breyta stefnu ljósássins sem gefur frá sér með vélrænum hætti. Nákvæmni þeirra getur náð örradíanum og sveigjuhornið getur náð tugum radíana. Þeir hafa víðtæka umsóknarhorfur í læknisfræði og öðrum sviðum. . Hins vegar eru vandamál eins og flókin uppbygging, fyrirferðarmikil stærð og mikil orkunotkun. Vegna stórrar stærðar aðlögunar ljóskerfa eru MEMS afmyndanlegir speglar heima og erlendis aðallega notaðir á myndgreiningarsviðinu. Á sviði geislabeygju er erfitt að mæta þörfum lítilla geimhverfis. til að uppfylla miklar kröfur um efnavæðingu og léttan.

Hljóð-sjónbeygjubúnaður hefur mikla vinnubandbreidd, en það er erfitt að mæta sveigjunákvæmni örradíana og hann gerir miklar kröfur um bylgjulengd, horn og orku innfallsljóssins og eyðir miklu orkutapi.

Aðferðir eins og fljótandi kristal fasa fylki og örlinsu fylki hafa lága orkunotkun og lága akstursspennu, en þær hafa hægan viðbragðshraða, ósamfellda hornbeygju, stór beygjuhorn en lítil beygingarvirkni við stór horn, sem gerir það erfitt að uppfylla verkefniskröfur skv. sending með stórum bandbreidd.

Í samanburði við aðra tækni, hafa geislabeygjur byggðar á raf-sjónkristöllum kosti handahófskenndra sveigjuhorns, lítillar stærðar, hraðvirkrar viðbragðshraða og mikils næmis. Þeir eru taldir hentugust til að framkvæma eina af leiðandi stefnum í háhraða ljósbeygjutækni. Meðal ýmissa tegunda raf-sjónaefna hafa raf-sjónaflatar byggðar á KTN kristöllum kosti þess að beygja stóran horn, hraðan viðbragðshraða, mikla sveigjunýtni, mikla sveigjunákvæmni, breiðbandsvíddaraðgerð osfrv., og hafa meiri möguleika í forritum á sviðum eins og sjónfjarskiptum í geimnum, verða rannsóknarstöðvar um allan heim. Annars vegar verður síðari vinnan að greina og rannsaka vaxtareiginleika og skilyrði KTN kristalla til að vaxa hágæða kristalla með einsleitri samsetningu og reglulegri lögun; á hinn bóginn verðum við smám saman að rannsaka smásæja sveigjukerfi KTN kristalla, sem er mjög mikilvægt. hagnýta þýðingu.