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液晶空間光調(diào)制器在自適應(yīng)光學(xué)中的應(yīng)用研究

【來源/作者】周世華 【更新日期】2016-09-19

一、引言

理論與實踐均表明,自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)可以有效地校正湍流大氣所引起的波面畸變,因而在天文成像等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。但這種應(yīng)用迄今仍限于世 界上少數(shù)幾個天文觀察站,未能盡快加以推廣的主要原因之一便是用于傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的波前探測與校正系統(tǒng)集光、機(jī)、電、算于一體,因而結(jié)構(gòu)復(fù)雜,價格 昂貴。該領(lǐng)域的一些專家多年來一直在探索借助于非線性光學(xué)技術(shù)解決這些問題的可能性。早期被研究的一種方案基于四波混頻相位共軛,其誘人的優(yōu)點是可以對入 射的畸變波前進(jìn)行準(zhǔn)確的自動校正,因此不需要對波前畸變進(jìn)行探測和計算;而致命的缺點則是要求被校正波前沿同一路徑往返穿過引起畸變的介質(zhì)。后者使它很難 應(yīng)用于天文觀察。本文介紹近年來受到極大重視的一種方法[1～3],即用液晶空間光調(diào)制器對波前相位畸變進(jìn)行校正,可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大大簡化,價格大幅度下 降,同時又不存在兩次通過介質(zhì)的問題。

在自適應(yīng)光學(xué)的實驗室研究中,往往需要人為制造一些畸變介質(zhì)以模擬大氣湍流,例如,加熱的水和空氣均能引起通過這些介質(zhì)而傳播的光波相位的隨機(jī) 起伏。然而,在實際應(yīng)用中,非常重要的是希望能對畸變介質(zhì)的一些性質(zhì)加以控制,例如改變其相位調(diào)制深度及空間、時間起伏的統(tǒng)計特性。而上面提到的方法很難 對這些量進(jìn)行準(zhǔn)確的控制和調(diào)節(jié)。液晶裝置在自適應(yīng)光學(xué)中的另一應(yīng)用便是取代加熱的水和空氣而模擬大氣湍流。

二、液晶空間光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)

典型的液晶空間光調(diào)制器如圖1所示。在玻璃基片上鍍覆一層透明光導(dǎo)膜,光導(dǎo)膜上面是光敏層,然后是夾在兩定向?qū)又g的液晶層,上面又是一層透明光導(dǎo)膜,最后是介電反射鏡。在實際應(yīng)用中,介電反射鏡經(jīng)常與光纖面板相接。

通常所用大部分液晶的分子呈細(xì)桿狀,當(dāng)加熱到100℃以上時,液晶分子隨機(jī)取向,材料表現(xiàn)為各向同性。隨著溫度的下降,分子開始在一個方向上排列,形成所謂向列相,并表現(xiàn)出很強(qiáng)的各向異性。當(dāng)有外加電場存在時,向列相分子可以很快按電場方向準(zhǔn)直。

向列相液晶已廣泛應(yīng)用于信息顯示,如手表、計算器及電視等。用于顯示的液晶被扭轉(zhuǎn)列向,當(dāng)光束通過液晶盒傳播時,其偏振矢量隨著液晶分子的扭轉(zhuǎn) 而旋轉(zhuǎn)。外加電場可以將液晶分子部分地準(zhǔn)直,結(jié)果定向偏振被破壞,并形成橢圓偏振光。向列相液晶對所加電場的響應(yīng)時間只有亞毫秒量級[4],但其復(fù)原則是 較慢的機(jī)械過程,所需時間由[5]

給出。式中η為材料的粘度,Pa·s;d為材料厚度,m;k為彈性系數(shù),N。設(shè)η=10Pa·s,d=5μm,k=10-6N,則有

t= 2.5ms

三、湍流相位屏的模擬

用液晶空間光閥產(chǎn)生具有可控參數(shù)動態(tài)隨機(jī)相位屏的原理性裝置如圖2所示。它是一個二維反饋系統(tǒng),其中調(diào)制器由四部分組成,即液晶膜、反射膜、入 射光阻隔層和光導(dǎo)層。它的作用相當(dāng)于一個類克爾(Kerr)非線性介質(zhì),當(dāng)光導(dǎo)層上有一定強(qiáng)度分布時,液晶膜上會產(chǎn)生與其成比例的相位調(diào)制。

來自光源的光經(jīng)顯微鏡物鏡和透鏡3擴(kuò)束后進(jìn)入個液晶光閥4,通過液晶層并由反射膜反射后再次回到透鏡3。液晶光閥相對于入射光束稍稍傾斜, 這使反射光束在棱鏡5處與入射光束分離,并被棱鏡折射到透鏡6上。與透鏡3具有相同焦距和公共焦平面的透鏡6將液晶層成像于光闌,通過光闌和起偏器后光束 經(jīng)由反饋回路入射到光纖束的輸入平面。光纖束的輸出端與液晶光閥的光導(dǎo)層相連,當(dāng)光纖束的一端相對于另一端旋轉(zhuǎn)某一角度θ時,其上的光強(qiáng)分布也相應(yīng)地旋轉(zhuǎn) 同一角度。旋轉(zhuǎn)的光場在反饋環(huán)中產(chǎn)生橫向作用,使系統(tǒng)的空間和時間不均勻性明顯增加,并表現(xiàn)為光束橫截面的強(qiáng)度起伏。

反饋回路的輸出光束照在第二個液晶光閥上,后者工作在相位調(diào)制模式,其作用等價于一個動態(tài)薄相位屏,相位屏的空間、時間特性可以通過改變某些實 驗參數(shù)而加以調(diào)節(jié)。首先,在第二個液晶光閥的前面加適當(dāng)透鏡可以改變等價相位屏的有效尺寸;而改變反饋系統(tǒng)輸出光束的強(qiáng)度則可以控制相位調(diào)制的深度。其 次,利用衍射效應(yīng)或者借助空間濾波器可以改變?nèi)嗽焱牧鞯目臻g特性。最后,人造湍流的空間和時間特性場可以通過旋轉(zhuǎn)光纖束的一個端面而加以調(diào)節(jié)。這樣,就可 以用非線性光學(xué)的方法產(chǎn)生一個具有小尺寸相位畸變且時空性能可控的薄相位屏,這種動態(tài)隨機(jī)相位屏可模擬大氣湍流效應(yīng)而在自適應(yīng)光學(xué)的實驗室研究中得到應(yīng) 用。

四、波前相位畸變的探測與校正

用液晶空間光調(diào)制器對波前相位畸變進(jìn)行探測與補(bǔ)償?shù)脑砣鐖D3所示。其中9是引起相位畸變的介質(zhì),而10是對其加以補(bǔ)償?shù)墓庹{(diào)制器。

來自光源1的光被分束器2分為兩部分,路光經(jīng)反射鏡3反射后到達(dá)分束器4;第二路光則由反射鏡8反射,并穿過畸變介質(zhì)和光調(diào)制器后在分束器 4處與路光發(fā)生相干疊加。探測器5對疊加結(jié)果進(jìn)行測量,并將測量結(jié)果送往計算機(jī)6,后者驅(qū)動控制系統(tǒng)7對光調(diào)制器進(jìn)行探測,直至對相位畸變實現(xiàn)*補(bǔ) 償為止。結(jié)果介質(zhì)引起動態(tài)畸變,則這種補(bǔ)償過程會不斷地進(jìn)行。

設(shè)路光為具有恒定振幅B的平面波;而畸變介質(zhì)所引起的相位和液晶光調(diào)制器產(chǎn)生的補(bǔ)償相位分別為Φ和-Φ′,并假設(shè)第二路光到達(dá)分束器4的振幅為A,則這列波在該處可表示為

由探測器測出光強(qiáng)分布,計算機(jī)根據(jù)式(6)求出當(dāng)時的相位差,并控制液晶空間光調(diào)制器,使Φ′逼近Φ,從而實現(xiàn)相位補(bǔ)償。

摘自：中國計量測控網(wǎng)