液晶偏振光栅(LCPG)可实现光束非机械偏转,LCPG在实际制备中液晶分子填充不均匀会导致液晶层厚度不均匀,从而使光通过级联LCPGs有效区域的同一位置时的衍射效率降低。为了提高级联LCPGs的衍射效率,基于琼斯矩阵理论分析了驱动电压对LCPG衍射效率的影响,利用三级级联LCPGs构建光束偏转实验装置,通过施加不同驱动电压来测量光斑能量,得到衍射效率随电压的变化关系曲线。实验结果表明,当电压在2.0~2.4 V范围内时,+1级衍射效率达到0.80~0.84。

为了分析液晶相控阵空间光调制特性与驱动电压之间的关系, 根据液晶连续体弹性形变理论, 提出一种基于非线性最小二乘差分迭代求解液晶指向矢空间分布的方法。该方法利用液晶材料的电光特性, 以阈值电压时的液晶指向矢分布作为初始值, 通过非线性最小二乘法推导在驱动电场的作用下液晶指向矢的空间分布情况, 以及稳定状态时液晶相位延迟与驱动电压之间的相位调制特性曲线。最终通过实验完成了理论验证, 控制液晶相控阵的驱动电压, 实现对远场光束指向的偏转控制。利用驱动电压直接求解电位移矢量, 为后续指向矢与电位移耦合迭代提供初始值, 不仅减少了计算量, 而且更加符合液晶分子在实际电场作用下的运动过程, 减少了模型误差。结果表明: 在系统的终止误差为1.0×10-8时, 不同电压下的迭代时间均值为0.33 s; 在驱动电压为5 V的情况下, 该算法与差分迭代相比, 液晶分子倾斜角的角度误差精度提高了0.09 rad。

液晶相控阵作为一种新型的可编程相位调制器件，可实现小角度范围内的光束偏转。但由于液晶相控阵制作工艺难度大、且受温度及大气扰动等影响，使得光束偏转系统实际偏转角与预期偏转角之间存在一定误差。为了提高液晶相控阵光束偏转精度，本文提出了一种基于分数阶PIλDμ控制器的光束偏转闭环控制回路。CCD作为探测元件，接收待测物体漫反射回来的光。采用斜射式三角测量法，计算预期偏转角与实际偏转角的偏转误差。将误差信号输入到分数阶PIλDμ控制器，控制器生成控制信号传给被控对象液晶相控阵，最终实现光束精确偏转。经仿真实验和性能分析，系统阶跃响应测试经过2步迭代达到稳定输出状态，闭环带宽为7.67 rad/s，对幅值为1、频率为1的正弦扰动信号系统抑制比为-1806 dB。验证了分数阶PIλDμ控制算法能够快速地抑制扰动和噪声，且扰动抑制效果好，稳定性高。

为了解决液晶光学相控阵实际偏转效率远低于理论水平的问题，分别从迭代次数和衍射效率两个方面，将蝙蝠算法与粒子群算法进行了对比。仿真结果表明，蝙蝠算法的优化效果良好，迭代速度快于粒子群算法的，且在相控阵的波束优化方面具有良好的应用前景。