马阎星,吴坚,粟荣涛,马鹏飞,周朴,许晓军,赵伊君
国防科技大学前沿交叉学科学院
截至目前激光加工如何改善光伏材料的工艺流程，光学相控阵技术已经发展了70多年，针对不同的应用方向，发展出了液晶、MEMS、光波导、相干合成等多种器件和技术方案，在激光雷达、空间光通信、高亮度激光产生、合成孔径探测等应用领域获得了初步应用。光学相控阵技术通过对光束阵列中单元光束相位的控制，从而实现阵列光束等相面的重构或精密调控，具有系统体积质量小、响应速度快、光束质量好等优点。
\ 光学相控阵基本原理 /
在《物理学词典》中，相控阵定义为相位补偿（或延时补偿）基阵，它既可用以接收，也可用以发射。
其工作原理是对按一定规律排列的基阵阵元的信号均加以适当的移相（或延时），用来获得阵波束的偏转。按照上述定义，光学相控阵技术既包括用于光束发射阵列的光束大角度偏转技术，也包括用于远距离目标高分辨率成像的阵列望远镜干涉成像技术。
从发射角度来讲，光学相控阵是对阵列发射光束的相位进行控制，从而实现阵列光束整体偏转或者相位误差补偿。光学相控阵的基本原理如图1所示，其中图1（a）是非相干合成阵列，即只有“阵”，没有“相控”的情况；图1（b）~（d）是光学相控阵（即相干合成阵列）的三种不同工作状态。
图1 光学相控阵技术在光束发射中的应用原理图
非相干合成系统只是将阵列光束进行简单的功率叠加，不对阵列光束的相位进行控制，其光源可以是多台波长不同的激光器，远场光斑尺寸由发射阵列单元的尺寸决定，与阵元数量、阵列等效口径和光束阵列占空比无关，不能算作真正意义上的相控阵。但是非相干合成系统结构简单金年会app、对光源性能要求低、输出功率高，已经获得大量应用。
从接收角度来讲，光学相控阵应用在远距离目标高分辨率成像中（图2），由望远镜阵列、相位延迟器阵列、光束组合器和成像器件组成，目标发出的光传输到望远镜阵列，之后相位延迟器可将各路光束的相位差补偿为0，经光束组合器后进行干涉，获得目标源的复相干度。根据范西特-泽尼克定理计算出目标图像，该技术被称为干涉成像技术，是合成孔径成像技术中的一种。从系统结构来看，干涉成像系统和相控阵发射系统的结构基本相同，只是两种应用情况中的光路传输方向相反。
图2 光学相控阵技术在远距离高分辨率成像中的应用原理图
\ 光学相控阵技术在激光发射领域的应用 /
光学相控阵技术在激光发射方面也有多种不同的应用场景，主要包括补偿大气湍流、光束大角度偏转和构建高亮度光源等。
1、补偿大气湍流
20世纪70年代，美国休斯实验室（Hughes Re-search Laboratory）首先将阵列光束相位控制技术应用到了大气湍流补偿实验中，称之为相干光自适应技术（coherent optical adaptive techniques，COAT）。由此，休斯实验室开展了7路光束COAT实验，实验原理如图3所示（图中以两路光束示意）。此次实验证明了COAT技术对大气湍流引起的相位畸变能够进行有效补偿。
图3 两路COAT实验系统原理图
受到当时技术条件限制，COAT技术在后期并没有得到良好发展。进入21世纪后，随着光纤激光相干合成技术的发展，阵列光束在大气传输过程中的相位畸变实时补偿技术再次获得重视。
2005年，美国陆军实验室Mikhail Vorontsov提出了APPLE（adaptive photonics phase-locked elements）概念，这在当时引起了高能激光领域的剧烈反响，被认为是高功率激光相控阵的重要发展方向，之后光纤激光相干合成技术成为研究热点，国内外数十家单位开展了相关研究。
2011年，美国代顿大学和陆军实验室基于7路自适应光纤准直器阵列，实现了传输距离为7 km的目标在回路相干合成，达到预期效果。这证明，系统从种子源到目标间所有因素引起的相位误差均得到了有效校正。
随后，代顿大学的研究团队将光束数量拓展到了21路，实验原理与7路基本相同，开展了不同大气湍流情况下的目标在回路相干合成实验，获到了良好效果，远场光斑桶中功率提升16倍。
国内相关研究工作开展较少，主要是国防科技大学和中国科学院光电技术研究所开展了相关研究工作。
国防科技大学在国内首先开展了光纤激光目标在回路相干合成技术方面的研究，于2011年开展了2路10 W级光纤激光目标在回路相干合成室内实验，2012年将路数拓展至9路，实现了总功率100 W的目标在回路相干合成实验，传输距离为10 m。
2011年，中国科学院光电技术研究所开展了3路光纤激光目标在回路相干合成室内实验，2013年将合成数量拓展到7路，传输距离为5 m。
经过数年攻关，两家单位于2018年左右开展了室外更远距离的目标在回路相干合成实验，中国科学院光电技术研究所实现了7路200 m远距离传输，在远场获得了稳定的干涉光斑；国防科技大学实现了6路800 m远距离传输，远场光斑中央主瓣能量较开环时提升了3倍。
2、光束大角度偏转
光学相控阵技术的另一个重要应用方向是光束的无机械大角度偏转。目前，可实现大角度偏转的光学相控阵技术主要是基于光波导、MEMS结构或液晶的低功率小型器件，应用领域集中在激光雷达、图像投影、光学存储等近距应用场景中。
在这一研究方向，业界普遍认为约翰·霍普金斯大学的R.A.Meyer在1972年首先采用钽酸锂晶体移相器实现了一维46通道光学相控阵，验证了光学相控阵技术的可行性。此后，人们将硅基光电子、MEMS和液晶等先进技术引入到光学相控阵中，推动了这一领域的快速发展。
在硅基光子相控阵方面，2013年，美国麻省理工学院的研究人员首先在硅基芯片上实现了64×64单元的大规模二维光学相控阵（图4），阵元尺寸为9 μm×9 μm，发射激光波长为1.55 μm。证明了大规模二维硅基光学相控阵的可行性，在光学相控阵研究发展历程中具有重要意义。
图4 麻省理工学院64×64光子相控阵原理及实物图
采用硅基微机电结构实现的光学相控阵，最早可追述到1977年美国IBM实验室K.E.Petersen研制的16单元光学调制器阵列。该产品被应用在一个小显示系统中，获得了预期效果。
之后这一技术得到了持续发展。1992年，斯坦福大学的O.Solgaard等人提出了一种新型的可变形光栅光学调制器，进一步提升了MEMS结构光学相控阵器件的响应带宽，降低了研制难度。
2013年，Byung-Wook Yoo等人针对之前MEMS器件均采用薄膜反射技术难以承受高功率激光的问题，提出采用高对比度亚波长光栅技术（high-index-contrast subwavelength grating，HCG）的光学相控阵技术，并制备了8×8的光学相控阵器件。2014年，该课题组进一步提升了阵元数量和器件的填充因子，制备了32×32光学相控阵器件，填充因子达到85%。
2018年，美国加利福尼亚大学Youmin Wang等人采用MEMS技术实现了160×160阵列光学相控阵，首次在同一块光学相控阵器件上同时实现了高光学效率、宽波长操作、快速响应时间和大偏转角度等多项功能，如图5所示。
图5 2018年加州大学课题组制备的160×160 MEMS相控阵器件实物图
在液晶相控阵方面，相关理论研究早在20世纪30年代以前就已开始。由于无法获得透明电极，实验研究开始较晚，开始于20世纪70年代，是目前最成熟的光学相控阵技术，被广泛应用在显示、光束控制等领域。随着液晶器件研制技术的不断成熟，开始走向高功率激光应用领域。
2006年，美国Rockwell Scientific公司报道了高功率液晶空间光调制器，声称可以耐受千瓦级高功率激光的辐照，将应用于高功率激光的波前调控领域。液晶的耐受激光功率情况主要受限于透明电极在所用激光波段在的透过率，为此科研人员在电极材料、散热技术等方面开展了大量技术研究。目前液晶器件对连续激光的耐受功率密度可达到数百瓦每平方厘米，对脉冲激光的耐受功率密度可达到数十焦耳每平方厘米。
在上述各种光学相控阵器件中，液晶光学相控阵技术最为成熟，应用最为广泛，但是在耐受激光功率、光束偏转速度、大角度偏转效率等方面仍然存在不足，其激光加工如何改善光伏材料的工艺流程他光学相控阵器件仍处在实验室阶段或初期应用阶段。
3、构建高亮度光源
光学相控阵在高功率激光方面的重要研究方向是构建高亮度光源，即激光相干合成技术。
受到材料损伤阈值和各种物理效应限制，绝大部分激光器的输出激光亮度提升均存在一定瓶颈。为此，人们在激光器刚出现后不久就开展了相干合成技术研究。
1964年，美国Bell实验室就实现了两路氦氖激光的相干合成，随后人们对化学激光器、气体激光器、固体激光器、半导体激光器、染料激光器、光纤激光器等各种类型激光器均开展了相干合成技术研究。
相干合成的核心思想是通过精密控制阵列光束的波前相位，使其获得如同单路光束的光束质量和传输效果。相干合成技术可通过增加光束数量来实现输出功率的大幅提升，最终实现激光亮度的提升。
目前以光纤激光相干合成技术研究最为热门。光纤激光相干合成技术研究起步于20世纪初，2003年美国诺格公司和麻省理工学院首先开展了光纤激光相干合成技术研究，分别实现了4路瓦级和2路十瓦级光纤激光相干合成。2005年，美国陆军实验室Mikhail Vorontsov提出APPLE方案之后，高功率光纤激光领域掀起了相干合成技术研究的热潮，在锁相技术、合成阵元数量、输出功率等方面均取得了飞速发展。
在合成阵元数量方面，2006年美国林肯实验室C.X.Yu等利用主动相位控制技术实现了32路光纤激光的相干合成。2011年法国Thales研究中心Bourderionnet等人实现了64路光纤激光的相干合成，锁相精度优于λ/10。2015年，在DARPA计划的支持下，美国林肯实验室实现了101路光纤激光的相干合成。2020年，国内国防科技大学实现了107路光纤激光的相干合成，是当前这一领域的最大合成数量。
在合成功率方面，国防科技大学的相关课题组于2011年率先将光纤激光相干合成的输出功率推向千瓦以上。随后，美国麻省理工学院实现了总功率4 kW的光纤激光相干合成。2015年，林肯实验室实现了42路高功率光纤激光的相干合成，输出总功率达到44 kW，光束质量近衍射极限，这是当前国际上最高的光纤激光相干合成功率。
2019年，国内国防科技大学联合中科院上海光机所采用7路1.2 kW光纤激光器，实现了总功率约8 kW的光纤激光相干合成，是国内当前光纤激光相干合成的最高功率。此外，美国诺格公司于2009年以光纤激光作为前级、板条激光作为放大级，实现了7路万瓦级激光的相干合成，输出功率达到105.5 kW（图6），是迄今为止最高功率的激光相干合成。
图6 美国诺格公司105.5 kW板条激光相干合成实物图
综上所述，作为高功率光纤激光相控阵的核心技术，光纤激光相干合成技术在合成数量和输出功率等两个主要性能指标方面均取得了巨大进步。合成光束数量已超过百束，输出功率达到数十千瓦，但在走向实用过程中，仍然存在较多技术问题亟待解决，主要包括高功率单频/窄线宽光纤激光器技术、大阵元数量光束相位调控技术、阵列光束高效合成技术等。
\ 光学相控阵技术在远距离成像领域的应用 /
为了对远距离目标进行高分辨率成像，人们不断增加光学望远镜口径，但是受到材料、加工技术、系统体积重量等因素的限制，单孔径望远镜系统的光学口径增加变得极为困难，而采用多个子望远镜实现的干涉成像技术是解决这一困难的有效途径。
干涉成像技术早期研究开始于20世纪70年代。1978年美国亚利桑那大学就建立了Multiple Mirror Telescope (MMT) 阵列望远镜，但由于当时的技术限制，分辨率没有明显提高。
2012年，美国洛克希德·马丁公司提出了一种基于干涉成像原理的新技术，称为分块式平面光电探测成像技术（segmented planar imag- ing detector for electro-optical reconnaissance，SPIDER）。经过多年攻关，目前已经初步实现了对目标成像。虽然实验效果仍然差强人意，但该方案的基本原理已得到验证，经过进一步的深入研究，有望快速获得令人满意的成像效果，是新一代紧凑型大孔径望远镜的重要发展方向之一。
\ 光学相控阵技术的发展展望 /
光学相控阵技术已经历了数十年的发展，目前已在激光雷达、空间光通信、干涉成像等多个领域获得了应用，但也存在很多问题需要解决，现总结如下激光加工如何改善光伏材料的工艺流程：
1）光学相控阵技术是一个很宽泛的概念，正如《物理学词典》中给出的定义，它是一种相位补偿（或延时补偿）基阵，既可用以接收，也可用以发射。因此，符合上述定义的器件、设备、系统均可以称为光学相控阵的一种形式，而不是局限于某种特定的器件或技术。
比如，有人认为光学相控阵必须是全电控的，不能出现机械运动器件，但是大家公认的第一部微波相控阵FHMUSA中的移相器采用的就是机械控制方式。只是在大多数情况下机械控制方式响应速度较慢，不能满足应用需求。
2）光学相控阵技术已经进入多个技术领域，发展出了多种不同的技术方案，某一技术方案的发展状态不能代表光学相控技术的整体状况。因此金年会客户端，在具体应用研究中，需要针对实际情况进行深入调研分析，选择合适的器件和技术，避免半途而废。
3）从激光发射功率来看，低功率情况下应用的相控阵技术和器件更加成熟，未来将率先走向大规模应用；而高功率应用相对发展较慢，需要攻克更多的技术难题。
4）从通光口径来看，10 cm以下的小口径器件和技术更加成熟，大口径技术存在问题较多，发展缓慢。
总体来看，光学相控阵技术仍处于关键技术研究阶段，到大规模应用还有一定距离金年会官网。
本文改写自《红外与激光工程》期刊中“光学相控阵技术发展概述”一文
