液晶光学相控阵(Liquid Crystal Optical Phased Array,LCOPA)是一种以液晶为相位调制材料的电控可编程的光学相控阵列器件,能够提供精确稳定的、快速捷变的光束偏转和波束赋形。采用液晶光学相控阵的激光控制系统可以降低系统的体积、重量和功耗(SWaP),有望在未来的空间激光通信、激光雷达、高能激光器等领域带来巨大的应用价值和前景。虽然液晶光学相控阵已在一些领域实现了原理或工程性应用,但就其实际性能而言仍存在一定的不足,还需要进一步的深入研究。另一方面,国内在液晶光学相控阵方面的研究起步较晚且不够全面,需要对其投入更多的研究工作才能取得长足的发展。因此,本论文的目的是从液晶光学相控阵的实际应用出发,围绕其器件物理及相关波束控制方法进行研究,包括器件原理与系统建模、器件制备与表征、相控接入特性、波束赋形方法等。在器件原理与系统建模方面,基于液晶光学相控阵的电控移相机理和光束传输原理,结合两种典型的波束控制模型,对液晶光学相控阵进行了系统建模,包括液晶指向矢模拟、近场相位计算和远场方向图计算。同时对液晶光学相控阵的近场相位和远场栅瓣进行了数值分析,提出了同时考虑回程区与相控角度因素的偏转效率公式,阐述了远场偏转效率的影响因素和优化思路。该研究结果为液晶光学相控阵的数值分析、参数优化以及器件设计打下了重要的基础。在器件制备与表征方面,分析了液晶光学相控阵器件设计所需考虑的综合因素,为器件结构设计和液晶材料选型提供了参考。探索了液晶光学相控阵的制备工艺和流程,成功研制了透射式一维液晶光学相控阵器件。搭建性能测试平台,对液晶光学相控阵的电压-相移特性曲线、响应时间、偏转精度和偏转准度进行了表征和分析。该研究结果为将来的波控方法研究和实验验证提供了器件物质基础。在相控接入特性方面,面向动态连接的激光相控通信等应用场景,详细阐明了液晶光学相控阵的相控接入机理,揭示出相控接入过程中的角度关系问题。提出了波束矢量传输法,构建了数值计算模型,仿真分析了液晶光学相控阵工作在相控接入时对后向斜入射光束的相位调制和波束偏转特性。通过仿真和实验验证了相控接入时接收角、控制角和到达角之间所满足的线性关系。该研究结果为液晶光学相控阵实现精确的激光相控接入提供了依据。在波束赋形方法方面,主要针对液晶光学相控阵的角度范围、多波束生成和偏振敏感性三个重要的技术难题进行研究。首先,提出了高阶光栅置位法,通过增大近场相位调制的置位阶次来提升液晶光学相控阵的角度范围。对高阶光栅置位法的偏转特性进行了仿真分析,并制备了具有大于4π相位调制深度的宽覆盖型器件。数值仿真和实验结果表明,高阶模-2kπ相位置位的角度范围是传统模-2π相位置位的角度范围的k倍,高阶光栅置位法在偏转效率上也比模-2π相位置位的偏转效率更高。其次,提出了幅相级联法和基于4-f成像的多波束生成系统,采用两个级联的液晶光学相控阵分别对入射光的振幅和相位进行调制,从而实现多波束对应的近场分布。数值模拟结果显示了振幅、相位调制曲线以及远场强度分布的特征。搭建了多波束生成系统,实验结果表明,幅相级联法能够实现任意数目和任意角度的多个波束生成。最后,提出了消偏振二维波束偏转系统,基于偏振划分和双向环路结构,采用两个液晶光学相控阵对任意入射偏振光的两个正交分量进行分别调制。对系统的偏振特性和相位调制进行了理论分析和光学仿真,搭建了消偏振二维波束偏转实验平台。结果表明,本文提出的消偏振系统可以对任意偏振态的入射光进行连续的二维波束偏转。