相位校正板 Phase corrector plates

2022-11-01 13:49:06 浏览:278

定义

用于修改光的相位分布的透明板。

相位校正板(或相位板)是透明板,用于修改通过它们发送的光的相位轮廓 - 例如,用于补偿光学系统中球面像差形式的波前变形。 (下面将讨论进一步的应用。 通常,光学相位变化的空间变化相对平滑和缓慢,例如在毫米的长度尺度上 - 这与透射光栅的情况不同,在更小的结构中使用衍射。

相位曲线可以是径向对称的,也可以不是径向对称的,在某些情况下甚至是伪随机的。

特别是对于目的是补偿球面像差的情况,相变曲线是径向对称的,即仅取决于径向坐标r,即与某个中心位置的距离。 通常,板的指定相变由该径向坐标的多项式函数决定,特别是对于 4 阶、6 阶和 8 阶项。 然而,对于某些应用,也有一些相板具有更复杂的(可能不是径向对称的)甚至伪随机轮廓。

在许多情况下,减反射涂层应用于相位校正板的两个表面,以最大限度地减少反射损耗和寄生反射光束的潜在干扰效应。 所用材料的低吸收系数也是可取的,特别是对于高功率激光束的应用,其中显着的吸收会引入横向温度曲线,这将改变折射率曲线,从而获得相变。

工作原理

相位校正板可以基于两种根本不同的操作原理:

  • 板的一个或两个表面可以具有定制的表面浮雕,这意味着通过板材料(例如光学玻璃)的空间可变光程长度。 由于该材料的折射率大大高于空气的折射率,因此即使是很小的表面特征也会导致实质性的相变。
  • 其他相位校正板利用介质中折射率的变化,同时具有平坦(通常平行)的表面。

光学透镜也有同样的区别:这些透镜可以具有弯曲(凸或凹)表面或内部折射率变化;在后一种情况下,有一个梯度折射率透镜。 事实上,相位校正板由于其相似性有时被称为非球面透镜。 然而,镜头的基本功能是聚焦或散焦光,而相位校正器,顾名思义,用于引入其他类型的相变。

还有一些设计涉及一种以上的光学材料。 例如,可以在具有某种材料的板上产生合适的表面轮廓,并用折射率略有不同且顶部表面略有不同的另一种材料覆盖该表面。 由于折射率对比度小,获得的相轮廓对表面轮廓细节的依赖性要小得多。 因此,需要具有较大高程的剖面图,这更容易以足够的精度生成。

相位校正板的应用

相位校正板可用于各种目的;一些例子:

  • 一个重要的应用领域是成像系统中光学像差的补偿:球面像差、彗差等。 例如,某些光学望远镜的特定解决方案是施密特校正板。 一个特殊且有点不寻常的情况是应用于人类视觉[5]。
  • 同样,当激光束聚焦非常紧密时,通常需要校正像差。 当光束经历波前失真时尤其如此,例如在通过光放大器时。
  • 伪随机相位板可用于测试自适应光学系统。

为了成功应用相位校正板,该光学元件原则上可以插入光束路径中的不同位置。 例如,可以将其放置在光放大器之前或之后,以补偿其像差。 然而,其相变曲线需要针对特定位置进行优化,因为在光束传播过程中相位失真可能会大幅演变。

相位校正板的制造

各种技术可用于制造基于表面浮雕的相位校正板。 例如,可以应用金刚石车削,这也用于光学制造的其他领域,特别是当需要制造自由曲面元件时。 其他选择是蚀刻技术和光刻。

其他技术用于在板内产生折射率变化。 例如,可以应用全息方法来自动获得补偿某些光学元件的光学像差所需的相位轮廓[1]。

替代解决方案

对于相位像差的补偿,使用相位校正板通常不是唯一的解决方案:

  • 一种更灵活,但也更复杂和更昂贵的解决方案是使用空间光调制器 - 有效地构建自适应光学系统。 优点本质上是可以在操作期间优化相位校正曲线。
  • 在许多情况下,像差也可以用普通光学元件的适当组合来补偿,使得来自不同元件的某些像差或多或少地相互抵消。 然而,定制的相位校正板提供了更大的自由度,可以同时补偿多种类型的像差。
  • 有时,可以使用弯月面校正器 - 一种弯月透镜,它不提供聚焦功能,但引入了球面像差,以补偿来自另一个光学元件的这种像差。
  • 有时,像差校正可以集成到另一个光学元件中。 例如,可以使用非球面透镜,甚至可以使用自由曲面,而不是与相位校正板结合使用的普通透镜。 这种方法的优点是设置更简单,并且避免了两个额外的光学表面引入额外的传播损耗。

参考文献

[1] J. Upatnieks, A. Vander Lugt and E. Leith, “Correction of lens aberrations by means of holograms”, Appl. Opt. 5 (4), 589 (1966), doi:10.1364/AO.5.000589
[2] E. Everhart, “Making corrector plates by Schmidt's vacuum method”, Appl. Opt. 5 85), 713 (1966), doi:10.1364/AO.5.000713
[3] R. N. Wilson, “Corrector systems for Cassegrain telescopes”, Appl. Opt. 7 (2), 253 (1968), doi:10.1364/AO.7.000253
[4] D. T. Moore, “Catadioptric system with a gradient-index corrector plate”, J. Opt. Soc. Am. 67 (9), 1143 (1977), doi:10.1364/JOSA.67.001143
[5] A. Y. Yi and T. W. Raasch, “Design and fabrication of a freeform phaseplate for high-order ocular aberration correction”, Appl. Opt. 44 (32), 6869 (2005), doi:10.1364/AO.44.006869
[6] Y. Lumer et al., “Use of phase corrector plates to increase the power of radially polarized oscillators”, J. Opt. Soc. Am. B 27 (7), 1337 (2010), doi:10.1364/JOSAB.27.001337

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