液晶光学相控阵是下一代光束控制技术的核心器件，提高其耐受激光阈值是当前研究的热点之一。针对较高功率激光入射场景下评测液晶光学相控阵相位调制性能恶化程度的问题，本文基于传统四分之一波片法，实现快速、直接测量液晶对入射激光的相位调制量。验证试验发现，当中心温度为33 ℃时，对应的最大畸变相位为3.6 rad。同时，本文基于该实测相位调制结果，研究出射光的光束质量恶化过程。分析结果表明：当液晶移相器的中心温度变化小于10 ℃时，光束质量恶化小于20%。

基于衍射光栅原理, 以反射式液晶光学相控阵为研究对象, 针对波长1 550 nm波段进行光束扫描角度计算。并对周期性和非周期性的扫描模式进行了仿真分析。编制了周期性和非周期性扫描模式的相位图程序及实验软件。实现了对光波的光学相位进行实时可编程控制。通过光束偏转实验, 验证了最大偏转角度2.4°时, 最大探测距离约为1.3 km。该实验结果对制导、多目标威胁预警和反击中有着指导意义。

为解决现今激光制导**指示器指示效率低下、单次指示集群目标能力差等问题,从光束偏转控制和光束角度放大技术的原理出发,以液晶相控阵和多路复用体全息光栅为控件,设计了可用于多目标指示的大角度激光光束偏转控制系统;分析了影响液晶相控阵光束偏转特性的参数的选取规则,确定了大角度光束偏转系统的设计方法,模拟了激光多目标指示系统的指示过程,并对系统误差来源和误差修正方法进行了理论分析和仿真。结果表明:该系统可以快速地对光束实现最大偏转角度为15.63°的二维准连续、可编程控制的偏转;误差修正方法可有效提高激光光束的指示精度,使误差角度下降50%左右。所提出的激光多目标指示系统的设想,可实现对二维平面内多目标的准连续、准同时的精确指示,可为激光多目标指示器的设计提供参考。

在空间激光通信、组网过程中, 为了能够实现一颗卫星终端对多颗卫星终端的物理光束接入, 从而使得一颗卫星能与多颗卫星实现数据分发、路由、交换等组网功能, 对卫星激光通信捕跟过程中存在的多终端物理接入方法进行了研究。在基于液晶光学相控阵多波束生成能力和多波束赋形的理论基础上, 设计了一种新型的多终端接入方法。该方法的核心是利用液晶光学相控阵的多波束生成与控制能力实现对多个终端的接入。对光束在远场光斑的位置信息以及接入过程中的衍射效率和能量损耗情况进行仿真来验证该方案是否满足空间激光通信终端接入要求。仿真结果发现接入过程中的衍射效率大于80%, 能量损耗小于1 dB, 表明该方案有效可行。

液晶光学相控阵具备非机械光束偏转能力, 将其应用到空间激光通信捕跟系统中, 能够实现快速、灵活、多用户的接入。提出了一种基于液晶光学相控阵的快速跟踪方法, 该方法采用电荷耦合器件(CCD)作为信标光探测器, 比例积分微分(PID)闭环控制算法生成光束指向角控制点数据, 实现对入射光束的捷变偏转, 指向捕跟探测器中心, 达到跟踪的目的。通过理论仿真可知PID闭环控制系统能够抑制高斯白噪声, 跟踪精度小于6.5 μrad。实验验证, 经过10 ms左右的调整, 系统进入稳定跟踪状态, 跟踪精度小于12.6 μrad。

为了对液晶光学相控阵的相位调制量进行高分辨率、高精度的自动化测量, 采用了傅里叶λ/4波片法, 在常规λ/4波片法的基础上, 结合离散傅里叶变换算法完成数据处理过程, 获得更高的测试精度, 并且对测试环境的振动、噪声具备更好的抑制能力。实验中, 利用微机控制步进电机、CCD等辅助设备, 结合傅里叶λ/4波片法形成自动检测设备。结果表明, 将标准λ/4波片作为测试样品, 测试重复精度小于0.3°; 将自行研制的液晶光学相控阵作为待测样品, 获得了其近场的相位分布, 可看到样品的相位周期性与电极间相位凹陷等情况。

提出一种相干激光聚焦式传输进行相干合成的方法。通过液晶相控阵波束方向控制技术, 可以在目标区域内的任意位置进行相干合成。基于实际参数, 建立相干合成理论模型, 在此模型下5束相干激光在距离为100 m、坐标为2 m的位置进行相干合成后, 激光的峰值光强增加到单束激光的16.9倍。研究了目标区域内不同位置的峰值光强变化规律, 分析发现光束抖动的直接原因是出射激光的相位面产生畸变, 深层原因是电压量化引起的相位延迟误差。量化位数小于16时, 增加量化位数可以显著减小位置误差, 提高峰值光强；量化位数大于16时, 量化位数不再是位置误差的主要原因。传播距离大于5000 m时聚焦式相干合成可等效为平行式相干合成, N束激光合成后峰值光强接近单束激光的N2倍。

结合相干合成理论与液晶相控阵波束控制技术，提出了一种基于液晶相控阵阵列的激光相干合成方法，可以获得一维方向上一定角度范围内具有任意波束指向的合成激光。阐明了相干合成理论，并从波束指向、合成光强和波束质量三方面对合成激光进行研究。研究发现，波束指向误差的产生原因是阵列干涉项的极大值非连续，提出了通过增大阵列间距减小波束指向误差的办法，筛选得到了使合成激光的峰值光强与理论值相符的特殊波束指向点，即电极干涉项与阵列干涉项的极大值重合点。仿真表明，这种相干合成方法对激光的波束质量有提高作用。最后通过基于1 × 3 、2 × 2 液晶相控阵阵列的相干合成实验得到了波束指向分别为0° 、0.17° 、0.34° 的合成激光，证明了理论分析的正确性和基于液晶相控阵阵列的激光相干合成方法的可行性。

衍射效率和扫描范围是影响液晶相控阵实际应用的关键指标，为了实现较大的扫描范围，需要制备高分辨率的液晶相控阵器件，然而在高分辨率下液晶的非线性关联效应会影响其衍射效率，从而限制了其扫描范围。从非线性关联机理出发，数值模拟了明确影响衍射效率的关键因素。通过观察液晶材料参数和器件结构参数对衍射效率的影响，明确优化器件衍射效率的方向。基于优化控制思想，采用优化算法应用合适的电极电压进一步提高器件的衍射效率，减小非线性关联效应的影响，为同时实现较大扫描范围和较高衍射效率的液晶相控阵奠定基础。