随着激光光电应用技术的发展,如何有效实现激光束的控制、调制、偏转或探测等功能已经成为制约激光光电应用技术发展的关键瓶颈之一。基于液晶的相位控制阵列具有工作电压低、体积质量小、功耗少、控制方便等优点,目前已经在激光空间光调制等技术领域有了较多的应用,为各种工程应用研究和基础研究提供了有效的空间光调制手段。作为液晶相位控制阵列的一种,液晶相控阵在激光束非机械扫描领域的应用前景尤其令人侧目,可以对激光束实现高效、大角度、高精度、高可靠性和快速的扫描,有望在今后的激光通信、激光雷达和光电对抗等领域实现变革性的应用。虽然目前的液晶相控阵已由美国Raytheon公司实现了原理性应用(甚至有可能已经在个别领域实现了工程应用),然而仍需对制约液晶相控阵性能的关键因素进行进一步深入研究,同时国内在该方面的研究仍处于起步阶段,需不断加强,因此本论文的目的就是对制约液晶相控阵性能的若干关键因素进行研究,同时指出其今后发展需要继续解决的问题。本文主要针对目前制约液晶相控阵器件的关键因素进行研究,包括液晶相控阵的器件物理与结构优化、新型液晶材料、液晶相控阵相位模式的波控技术等进行研究。液晶相控阵的制备工艺是完成本论文工作内容的基础,目前在国内的发展并不成熟,因此在论文中也进行了简要的阐述。提出芯片级联和TFT分时寻组驱动的方法增加通光孔径,实验验证了采用芯片级联的方式将有效通光孔径提高了一倍。在器件物理与结构优化方面,基于电场作用下液晶指向矢的欧拉拉格朗日方程和光束标量传播理论,针对液晶相控阵的偏转角度和衍射效率等光学性能,对制约液晶相控阵相关性能的液晶材料参数与器件结构参数进行分析,认为通过减小液晶各向异性介电常数、提高双折射率并减小液晶盒厚度可以提高器件性能。偏转范围与衍射效率是一个耦合量,器件设计时往往存在此消彼长的关系,制约因素主要是毗邻像素问的液晶弹性关联和边缘场效应等非线性关联机理。对非线性关联效应及其在相位重置点处诱发的回程区进行了讨论。提出了阈值像素和阈值电极填充因子的概念,对器件的制备工艺具有指导作用。另外对液晶相控阵的工作方式进行了初步讨论,分析两种工作方式下毗邻像素非线性关联对器件性能的影响,指出透射式与反射式工作方式的优缺点。在新型液晶材料方面,主要关注两类液晶材料。一种是高双折射率液晶,这种液晶材料是目前制备液晶相控阵器件必须的液晶材料,可以降低非线性关联效应、提高器件响应速度,论文中利用新制备的双折射率达0.42的向列相液晶制备了2.9μm盒厚的液晶相控阵器件,可以发现相同衍射效率与相同周期相位台阶数下该器件的光束偏转角度更大,减弱了非线性关联效应。另外一种液晶材料,也是本论文重点关注的是响应时间达亚毫秒量级的聚合物网络液晶材料,如果应用于液晶相控阵,可以实现响应速度达kHz量级的液晶相控阵器件。制约聚合物网络液晶进行相位调制的因素主要包括电压加载下的光散射强度和瞬态响应特性。研究了聚合物网络液晶制备条件对其光散射强度和瞬态响应特性的影响。从聚合物网络形貌的角度分析聚合物网络液晶的光散射机理和瞬态响应机制,认为聚合物网络形貌中的交联纤维网络特征和交联纤维束网络特征是主要原因,交联纤维特征可以降低光散射强度但容易诱发电致伸缩效应；交联纤维束特征可以耐受较高的加载电压,然而引入较强的光散射强度。制备聚合物网络液晶相位调制器时需要综合考虑光散射和高电压特性,从聚合单体分子结构、液晶溶剂和聚合条件多方面对聚合物网络液晶的聚合物网络形貌进行控制,有望实现亚毫秒响应、相位调制型聚合物网络液晶相控阵及其它液晶空间相位调制器件。在液晶相控阵相位模式的控制方面,发展了两种优化控制方法并有望应用于今后的液晶相控阵波控技术。首先发展了一种基于相位模式测量的方法,通过简单的迭代算法实现相位模式的优化控制,这种控制方法中,可以实时观测每一迭代过程中实际相位模式与理想相位模式的差别,并根据这种差别实时对相位模式进行控制、调整,提高衍射效率。另外提出了一种优化控制的方法,在对液晶相控阵电控-相移特性进行多项式分解的基础上,通过随机并行梯度下降算法对多项式分解的系数进行优化,以衍射效率作为评价函数实现衍射效率的优化提高,生成的新的多项式系数可以作为新的波控数据。在未来,拟将两种相位模式控制方法结合在一起,以实现相位模式的快速精确控制。液晶器件经常出现的向错线无疑也是影响对液晶相控阵波控特性的一个重要因素。论文中提出了一种新型器件结构,以最大程度避免液晶相控阵中向错线的形成。由于结构制备的复杂性,我们在同样存在向错线困扰的液晶微透镜阵列中进行了实验验证。基于模式电极和液晶层之间的超薄介质隔板结构,改善了液晶微透镜阵列的光学性能,实现了良好的变焦性能。从液晶材料参数和器件结构参数的角度对对这种新型液晶微透镜阵列的光学特性与优化作了进一步的讨论,同时利用制备的液晶微透镜阵列进行了原理性的畸变波前动态探测验证性试验,获得较好的实验结果。在解决液晶相控阵快响应液晶材料研究的同时,利用获得的聚合物网络液晶同时尝试了快响应相位调制器的实验,采用光寻址的方式实现了光控快响应液晶空间光调制技术,初步进行了光束偏转、调制传递函数等研究,并对光寻址时寻址光波长、强度和驱动放波信号频率的影响进行了详细讨论。