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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(lái)源/作者】周世華 【更新日期】2016-09-19

一、引言

理論與實(shí)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(gè)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(cè)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(jià)格 昂貴。該領(lǐng)域的一些專家多年來(lái)一直在探索借助于非線性光學(xué)技術(shù)解決這些問(wèn)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(diǎn)是可以對(duì)入 射的畸變波前進(jìn)行準(zhǔn)確的自動(dòng)校正,因此不需要對(duì)波前畸變進(jìn)行探測(cè)和計(jì)算;而致命的缺點(diǎn)則是要求被校正波前沿同一路徑往返穿過(guò)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(lái)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(duì)波前相位畸變進(jìn)行校正,可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化,價(jià)格大幅度下 降,同時(shí)又不存在兩次通過(guò)介質(zhì)的問(wèn)題。

在自適應(yīng)光學(xué)的實(shí)驗(yàn)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(guò)這些介質(zhì)而傳播的光波相位的隨機(jī) 起伏。然而,在實(shí)際應(yīng)用中,非常重要的是希望能對(duì)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(shí)間起伏的統(tǒng)計(jì)特性。而上面提到的方法很難 對(duì)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(shí)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(shí),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(kāi)始在一個(gè)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(chǎng)存在時(shí),向列相分子可以很快按電場(chǎng)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(jì)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(guò)液晶盒傳播時(shí),其偏振矢量隨著液晶分子的扭轉(zhuǎn) 而旋轉(zhuǎn)。外加電場(chǎng)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(duì)所加電場(chǎng)的響應(yīng)時(shí)間只有亞毫秒量級(jí)[4],但其復(fù)原則是 較慢的機(jī)械過(guò)程,所需時(shí)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(dòng)態(tài)隨機(jī)相位屏的原理性裝置如圖2所示。它是一個(gè)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(gè)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(shí),液晶膜上會(huì)產(chǎn)生與其成比例的相位調(diào)制。

來(lái)自光源的光經(jīng)顯微鏡物鏡和透鏡3擴(kuò)束后進(jìn)入個(gè)液晶光閥4,通過(guò)液晶層并由反射膜反射后再次回到透鏡3。液晶光閥相對(duì)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(guò)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(duì)于另一端旋轉(zhuǎn)某一角度θ時(shí),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(chǎng)在反饋環(huán)中產(chǎn)生橫向作用,使系統(tǒng)的空間和時(shí)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(gè)液晶光閥上,后者工作在相位調(diào)制模式,其作用等價(jià)于一個(gè)動(dòng)態(tài)薄相位屏,相位屏的空間、時(shí)間特性可以通過(guò)改變某些實(shí) 驗(yàn)參數(shù)而加以調(diào)節(jié)。首先,在第二個(gè)液晶光閥的前面加適當(dāng)透鏡可以改變等價(jià)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(shí)間特性場(chǎng)可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)光纖束的一個(gè)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(gè)具有小尺寸相位畸變且時(shí)空性能可控的薄相位屏,這種動(dòng)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(shí)驗(yàn)室研究中得到應(yīng) 用。

四、波前相位畸變的探測(cè)與校正

用液晶空間光調(diào)制器對(duì)波前相位畸變進(jìn)行探測(cè)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(duì)其加以補(bǔ)償?shù)墓庹{(diào)制器。

來(lái)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(guò)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(cè)器5對(duì)疊加結(jié)果進(jìn)行測(cè)量,并將測(cè)量結(jié)果送往計(jì)算機(jī)6,后者驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)7對(duì)光調(diào)制器進(jìn)行探測(cè),直至對(duì)相位畸變實(shí)現(xiàn)*補(bǔ) 償為止。結(jié)果介質(zhì)引起動(dòng)態(tài)畸變,則這種補(bǔ)償過(guò)程會(huì)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(cè)器測(cè)出光強(qiáng)分布,計(jì)算機(jī)根據(jù)式(6)求出當(dāng)時(shí)的相位差,并控制液晶空間光調(diào)制器,使Φ′逼近Φ,從而實(shí)現(xiàn)相位補(bǔ)償。

摘自：中國(guó)計(jì)量測(cè)控網(wǎng)