CN110346998B - 一种共形液晶光学相控阵系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种共形液晶光学相控阵系统，应用于液晶光学相控技术、液晶光电子器件技术领域，针对现有技术无法使用多个液晶光学相控阵器件直接排列为共形天线的问题，本发明包括：激光器、偏振片、液晶光学相控阵以及多个共形实现装置；所述激光器的出射激光依次经过偏振片、液晶光学相控阵和多个共形实现装置；垂直入射至各共形实现装置的光，经共形实现装置后分为折射光及与入射光方向呈一定角度偏转的透射光；所述偏转后的透射光作为下一个共形实现装置的入射光；所述相邻两个共性实现装置中心线的夹角等于前一个共形实现装置透射光的偏转角度；实现了使用一个液晶光学相控阵设计实现共形液晶光学相控阵的效果。

Description

一种共形液晶光学相控阵系统
技术领域
本发明属于液晶光学相控技术、液晶光电子器件技术领域，特别涉及一种液晶光学相控阵口径扩展技术。
背景技术
作为现代天线技术的研究热点，共形相控阵天线在军用民用通信领域都有着广阔的应用前景，特别是在飞行器等载体上。共形相控阵的优势在于：共形相控阵的波束扫描范围可以实现半球乃至3/4球域覆盖，并且在波束扫描过程中天线的重要性能保持相对稳定；易于共形于载体表面，对载体的空气动力学性能影响小，具有较强的隐蔽伪装的能力；使设备的结构强度得到提高，减少体积和质量；与相同孔径大小的平面相控阵相比，共形相控阵载体的散射截面积RCS(Radar Cross-Section)更小。一般来说共形相控阵天线都是微波波段天线，例如波导缝隙天线与微带天线。
在诸多激光应用系统中，液晶光学相控阵是实现非机械光束偏转的主流方案。液晶光学相控阵的技术核心思想和微波相控阵类似，通过控制激光近场波前的相位分布，经过远场相干后，波束将重新赋形，从而实现自定义调整光束形状、光束指向、光束个数、光束能量的目的。液晶光学相控阵是一种实时可编程波束控制器件，它采用驱动电压低和相位调制深度大的向列相液晶作为相位调制的电光材料，使器件具有惯性小，精度高，捷变扫描和低SWaP(大小、重量和功耗)等优势。但由于液晶光学相控阵器件的基底为石英，且其有效光学面积占比较小，无法使用多个器件直接排列为共形天线。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种共形液晶光学相控阵系统，使用一个液晶光学相控阵设计实现共形液晶光学相控阵。
本发明采用的技术方案为：一种共形液晶光学相控阵系统，包括：激光器、偏振片、液晶光学相控阵以及多个共形实现装置；所述激光器的出射激光依次经过偏振片、液晶光学相控阵和多个共形实现装置；垂直入射至各共形实现装置的光，经共形实现装置后分为折射光及与入射光方向呈一定角度偏转的透射光；所述偏转后的透射光作为下一个共形实现装置的入射光；所述相邻两个共性实现装置中心线的夹角等于前一个共形实现装置透射光的偏转角度。
进一步地，所述共形实现装置，包括：电控二分之一波片、偏振分光棱镜、固定角度的二分之一波片、液晶偏振光栅、单元液晶移相器和以及液晶光楔；经电控二分之一波片的光入射偏振分光棱镜，经偏振分光棱镜分为折射光与透射光，透射光依次经固定角度的二分之一波片、液晶偏振光栅射出，反射光依次经单元液晶移相器、液晶光楔射出。
进一步地，固定角度的二分之一波片为45°放置的二分之一波片。
更进一步地，所述与入射光方向呈一定角度偏转的透射光的偏转角度由液晶偏振光栅的偏振角度决定。
进一步地，所述单元移向器的加载电压与液晶光学相控阵的加载电压匹配。
进一步地，所述液晶光楔器件的偏转角度由系统偏差决定。
进一步地，所述偏振片的偏振方向与液晶光学相控阵的光轴方向一致。
进一步地，所述单元液晶移相器用于补偿该共形实现装置中反射光的相位。
本发明的有益效果：本发明使用偏振分光棱镜实现激光分束，采用电控二分之一波片保证每个出射光路的光信息完全相同，使用液晶单元移向器进行相位补偿，使用45°放置的二分之一波片与LCPG保证共性的弯曲角度，可以根据载体的形状定义整个天线的形状，本发明的共形液晶光学相控阵系统，采用单个光学相控阵实现大面积共形液晶光学相控阵，具备结构简单，操作方便的优点。
附图说明
图1为本发明的共形液晶光学相控阵的一维结构示意图；
图2为本发明的共形装置示意图；
图3为本发明中使用的单元移相器和二分之一波片的结构示意图；
图4为本发明的共形液晶光学相控阵的二维结构示意图；
附图标记说明：1-激光器；2-偏振片；3-液晶光学相控阵；4-共形装置；5-电控二分之一波片；6-偏振分光棱镜；7-二分之一波片；8-液晶偏振光栅；9-单元移相器；10-光楔；11-石英基底；12-ITO电极；13-PI取向层；14-液晶；15-间隔子；16-相控阵；17-共形装置；18-反射镜。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
如图1所示，本发明的一种共形液晶光学相控阵系统，包括激光器1、偏振片2、液晶光学相控阵3和多个共形实现装置4；所述激光器的出射激光依次经过偏振片1、液晶光学相控阵2和多个共形实现装置4；所述多个共形实现装置中后一个共形实现装置相对前一个共形实现装置呈一定角度偏转。
其中，偏振片1的偏振方向与液晶光学相控阵2的光轴方向一致。
如图2所示为本发明的共形实现装置，包括：一个电控二分之一波片5，偏振分光棱镜(PBS)6，二分之一波片7，液晶偏振光栅(Liquid Crystal Polarization Grating，LCPG)8，一个单元液晶移相器9和一个液晶光楔10；电控二分之一波片5用于调节每一路的发射光强，使得每一路反射光强相同；所述偏振分光棱镜6用于对入射光进行半反射半透射，将入射光分成反射激光和透射激光两路激光射出；所述45°角度放置的二分之一波片7将PBS的透射光变为圆偏振光；所述液晶偏振光栅8提供了整个共形相控阵的弯曲角度，对圆偏振光进行偏转；所述单元液晶移相器9用于补偿对应光路的相位，使近场相位连续分布；所述液晶光楔10具有小角度偏转特性，微调出射光，使得出射光完美按照预设角度出射。
所述激光器的出射激光经过偏振片2后变为P光，P光的偏振方向与液晶相控阵3的光轴方向平行，激光被调制；被调制的P光垂直入射电控二分之一波片5后变为椭圆偏振光，该椭圆偏振光同时含有P光和S光分量；经过偏振分光棱镜6分光后，P光透射，S光反射。被反射的S光经过单元液晶移相器9补偿与其他光路的相位差；而后，光经过液晶光楔10进行小角度偏转调整，使得出射光按照预设角度出射。被透射的P光经过45°放置的二分之一波片7变为圆偏振光；圆偏振光经过液晶偏振光栅(LCPG)8偏转α角，入射到下一个共形装置的电控二分之一波片。
所述每个共形装置中的电控二分之一波片是一个可实现二分之一波片功能的液晶单元器件，其偏振变换角度可通过琼斯矩阵法计算得到。
所述每个共形装置中的单元移向器的加载电压由目标偏转角度决定，与液晶光学相控阵的加载电压匹配。
所述每个共形装置中的液晶光楔10的偏转角度是由系统偏差决定的。
相邻两个共形实现装置的夹角是由前一个共形实现装置中LCPG的偏转角度α决定的，每个共形实现装置中LCPG的偏转角度α可以相同，也可以不相同，可以单独设定。所以，可以根据载体形状设置每个LCPG的偏转角，即可以根据载体的形状定义整个天线的形状。
每一个共形实现装置为一个光学系统的组件，类似于微波中的T/R组件，且可以在共形实现装置中加入放大器可做出有源的组件。
如图3所示，本发明中使用的单元移相器和二分之一波片的结构包括石英基底11，ITO(Indium Tin Oxides，氧化铟锡)电极12，PI取向层13，液晶14，间隔子15；所述单元移相器和二分之一波片的结构为现有已知技术，本发明在此不做详细阐述。
如图4所示，本发明的液晶光学相控阵的二维结构可利用多个反射镜实现。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种共形液晶光学相控阵系统，其特征在于，包括：激光器、偏振片、液晶光学相控阵以及多个共形实现装置；所述激光器的出射激光依次经过偏振片、液晶光学相控阵和多个共形实现装置；垂直入射至各共形实现装置的光，经共形实现装置后分为折射光及与入射光方向呈一定角度偏转的透射光；所述偏转后的透射光作为下一个共形实现装置的入射光；相邻两个共形实现装置中心线的夹角等于前一个共形实现装置透射光的偏转角度；
所述共形实现装置，包括：电控二分之一波片、偏振分光棱镜、固定角度的二分之一波片、液晶偏振光栅、单元液晶移相器以及液晶光楔；经电控二分之一波片的光入射偏振分光棱镜，经偏振分光棱镜分为折射光与透射光，透射光依次经固定角度的二分之一波片、液晶偏振光栅射出，反射光依次经单元液晶移相器、液晶光楔射出。
2.根据权利要求1所述的一种共形液晶光学相控阵系统，其特征在于，固定角度的二分之一波片为与偏振分光棱镜的透射光方向呈45°放置的二分之一波片。
3.根据权利要求2所述的一种共形液晶光学相控阵系统，其特征在于，所述与入射光方向呈一定角度偏转的透射光的偏转角度由液晶偏振光栅的偏振角度决定。
4.根据权利要求2所述的一种共形液晶光学相控阵系统，其特征在于，所述单元液晶移向器的加载电压与液晶光学相控阵的加载电压匹配。
5.根据权利要求4所述的一种共形液晶光学相控阵系统，其特征在于，所述液晶光楔的偏转角度由系统偏差决定。
6.根据权利要求1所述的一种共形液晶光学相控阵系统，其特征在于，所述偏振片的偏振方向与液晶光学相控阵的光轴方向一致。
7.根据权利要求1所述的一种共形液晶光学相控阵系统，其特征在于，所述单元液晶移相器用于补偿该共形实现装置中反射光的相位。
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