液晶空間光調制器在自適應光學中的應用研究

【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,自適應光學技術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域有著重要的應用前景。但這種應用迄今仍限于世 界上少數幾個天文觀察站,未能盡快加以推廣的主要原因之一便是用于傳統自適應光學望遠鏡的波前探測與校正系統集光、機、電、算于一體,因而結構復雜,價格 昂貴。該領域的一些專家多年來一直在探索借助于非線性光學技術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,其誘人的優點是可以對入 射的畸變波前進行準確的自動校正,因此不需要對波前畸變進行探測和計算;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。后者使它很難 應用于天文觀察。本文介紹近年來受到極大重視的一種方法[1～3],即用液晶空間光調制器對波前相位畸變進行校正,可使系統結構大大簡化,價格大幅度下 降,同時又不存在兩次通過介質的問題。

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

二、液晶空間光調制器的結構及性質

典型的液晶空間光調制器如圖1所示。在玻璃基片上鍍覆一層透明光導膜,光導膜上面是光敏層,然后是夾在兩定向層之間的液晶層,上面又是一層透明光導膜,最后是介電反射鏡。在實際應用中,介電反射鏡經常與光纖面板相接。

通常所用大部分液晶的分子呈細桿狀,當加熱到100℃以上時,液晶分子隨機取向,材料表現為各向同性。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,并表現出很強的各向異性。當有外加電場存在時,向列相分子可以很快按電場方向準直。

向列相液晶已廣泛應用于信息顯示,如手表、計算器及電視等。用于顯示的液晶被扭轉列向,當光束通過液晶盒傳播時,其偏振矢量隨著液晶分子的扭轉 而旋轉。外加電場可以將液晶分子部分地準直,結果定向偏振被破壞,并形成橢圓偏振光。向列相液晶對所加電場的響應時間只有亞毫秒量級[4],但其復原則是 較慢的機械過程,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,N。設η=10Pa·s,d=5μm,k=10-6N,則有

t= 2.5ms

三、湍流相位屏的模擬

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

來自光源的光經顯微鏡物鏡和透鏡3擴束后進入個液晶光閥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層相連,當光纖束的一端相對于另一端旋轉某一角度θ時,其上的光強分布也相應地旋轉 同一角度。旋轉的光場在反饋環中產生橫向作用,使系統的空間和時間不均勻性明顯增加,并表現為光束橫截面的強度起伏。

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

四、波前相位畸變的探測與校正

用液晶空間光調制器對波前相位畸變進行探測與補償的原理如圖3所示。其中9是引起相位畸變的介質,而10是對其加以補償的光調制器。

來自光源1的光被分束器2分為兩部分,路光經反射鏡3反射后到達分束器4;第二路光則由反射鏡8反射,并穿過畸變介質和光調制器后在分束器 4處與路光發生相干疊加。探測器5對疊加結果進行測量,并將測量結果送往計算機6,后者驅動控制系統7對光調制器進行探測,直至對相位畸變實現*補 償為止。結果介質引起動態畸變,則這種補償過程會不斷地進行。

設路光為具有恒定振幅B的平面波;而畸變介質所引起的相位和液晶光調制器產生的補償相位分別為Φ和-Φ′,并假設第二路光到達分束器4的振幅為A,則這列波在該處可表示為

由探測器測出光強分布,計算機根據式(6)求出當時的相位差,并控制液晶空間光調制器,使Φ′逼近Φ,從而實現相位補償。

摘自：中國計量測控網