液晶空间光调制器在自适应光学中的应用研究

【来源/作者】周世华 【更新日期】2016-09-19

一、引言

理论与实践均表明,自适应光学技术可以有效地校正湍流大气所引起的波面畸变,因而在天文成像等领域有着重要的应用前景。但这种应用迄今仍限于世 界上少数几个天文观察站,未能尽快加以推广的主要原因之一便是用于传统自适应光学望远镜的波前探测与校正系统集光、机、电、算于一体,因而结构复杂,价格 昂贵。该领域的一些专家多年来一直在探索借助于非线性光学技术解决这些问题的可能性。早期被研究的一种方案基于四波混频相位共轭,其诱人的优点是可以对入 射的畸变波前进行准确的自动校正,因此不需要对波前畸变进行探测和计算;而致命的缺点则是要求被校正波前沿同一路径往返穿过引起畸变的介质。后者使它很难 应用于天文观察。本文介绍近年来受到极大重视的一种方法[1～3],即用液晶空间光调制器对波前相位畸变进行校正,可使系统结构大大简化,价格大幅度下 降,同时又不存在两次通过介质的问题。

在自适应光学的实验室研究中,往往需要人为制造一些畸变介质以模拟大气湍流,例如,加热的水和空气均能引起通过这些介质而传播的光波相位的随机 起伏。然而,在实际应用中,非常重要的是希望能对畸变介质的一些性质加以控制,例如改变其相位调制深度及空间、时间起伏的统计特性。而上面提到的方法很难 对这些量进行准确的控制和调节。液晶装置在自适应光学中的另一应用便是取代加热的水和空气而模拟大气湍流。

二、液晶空间光调制器的结构及性质

典型的液晶空间光调制器如图1所示。在玻璃基片上镀覆一层透明光导膜,光导膜上面是光敏层,然后是夹在两定向层之间的液晶层,上面又是一层透明光导膜,最后是介电反射镜。在实际应用中,介电反射镜经常与光纤面板相接。

通常所用大部分液晶的分子呈细杆状,当加热到100℃以上时,液晶分子随机取向,材料表现为各向同性。随着温度的下降,分子开始在一个方向上排列,形成所谓向列相,并表现出很强的各向异性。当有外加电场存在时,向列相分子可以很快按电场方向准直。

向列相液晶已广泛应用于信息显示,如手表、计算器及电视等。用于显示的液晶被扭转列向,当光束通过液晶盒传播时,其偏振矢量随着液晶分子的扭转 而旋转。外加电场可以将液晶分子部分地准直,结果定向偏振被破坏,并形成椭圆偏振光。向列相液晶对所加电场的响应时间只有亚毫秒量级[4],但其复原则是 较慢的机械过程,所需时间由[5]

给出。式中η为材料的粘度,Pa·s;d为材料厚度,m;k为弹性系数,N。设η=10Pa·s,d=5μm,k=10-6N,则有

t= 2.5ms

三、湍流相位屏的模拟

用液晶空间光阀产生具有可控参数动态随机相位屏的原理性装置如图2所示。它是一个二维反馈系统,其中调制器由四部分组成,即液晶膜、反射膜、入 射光阻隔层和光导层。它的作用相当于一个类克尔(Kerr)非线性介质,当光导层上有一定强度分布时,液晶膜上会产生与其成比例的相位调制。

来自光源的光经显微镜物镜和透镜3扩束后进入个液晶光阀4,通过液晶层并由反射膜反射后再次回到透镜3。液晶光阀相对于入射光束稍稍倾斜, 这使反射光束在棱镜5处与入射光束分离,并被棱镜折射到透镜6上。与透镜3具有相同焦距和公共焦平面的透镜6将液晶层成像于光阑,通过光阑和起偏器后光束 经由反馈回路入射到光纤束的输入平面。光纤束的输出端与液晶光阀的光导层相连,当光纤束的一端相对于另一端旋转某一角度θ时,其上的光强分布也相应地旋转 同一角度。旋转的光场在反馈环中产生横向作用,使系统的空间和时间不均匀性明显增加,并表现为光束横截面的强度起伏。

反馈回路的输出光束照在第二个液晶光阀上,后者工作在相位调制模式,其作用等价于一个动态薄相位屏,相位屏的空间、时间特性可以通过改变某些实 验参数而加以调节。首先,在第二个液晶光阀的前面加适当透镜可以改变等价相位屏的有效尺寸;而改变反馈系统输出光束的强度则可以控制相位调制的深度。其 次,利用衍射效应或者借助空间滤波器可以改变人造湍流的空间特性。最后,人造湍流的空间和时间特性场可以通过旋转光纤束的一个端面而加以调节。这样,就可 以用非线性光学的方法产生一个具有小尺寸相位畸变且时空性能可控的薄相位屏,这种动态随机相位屏可模拟大气湍流效应而在自适应光学的实验室研究中得到应 用。

四、波前相位畸变的探测与校正

用液晶空间光调制器对波前相位畸变进行探测与补偿的原理如图3所示。其中9是引起相位畸变的介质,而10是对其加以补偿的光调制器。

来自光源1的光被分束器2分为两部分,路光经反射镜3反射后到达分束器4;第二路光则由反射镜8反射,并穿过畸变介质和光调制器后在分束器 4处与路光发生相干叠加。探测器5对叠加结果进行测量,并将测量结果送往计算机6,后者驱动控制系统7对光调制器进行探测,直至对相位畸变实现*补 偿为止。结果介质引起动态畸变,则这种补偿过程会不断地进行。

设路光为具有恒定振幅B的平面波;而畸变介质所引起的相位和液晶光调制器产生的补偿相位分别为Φ和-Φ′,并假设第二路光到达分束器4的振幅为A,则这列波在该处可表示为

由探测器测出光强分布,计算机根据式(6)求出当时的相位差,并控制液晶空间光调制器,使Φ′逼近Φ,从而实现相位补偿。

摘自：中国计量测控网