波前校正

2020-12-17 09:49:31 浏览:1345

定义

波前校正通过改变光波前传输的光程或改变传输媒介的折射率来改变入射光波前的相位结构,从而达到对波面相位进行校正的目的。

背景

大多数波前校正器是通过改变自身镜面的面形(即改变光程差)实现对波面相位的校正,而其它如基于液晶技术的器件是通过改变折射率的方法对波面相位进行校正的。一般要求波前校正器有足够多的空间自由度,能够很好地拟合所要校正的波像差,而且响应速度应远超过扰动波前的时间改变频率。当然,波前校正器的线性度、校正量、实现的难易程度、成本等因素也是考虑的要点。

目前,波前校正器主要有分离促动器连续表面变形镜、拼接子镜变形镜、薄膜变形镜、双压电片变形镜、微电子机械系统(MEMS)变形镜、基于液晶技术的空间光调制器及自适应次镜。

波前校正器

1、分离促动器连续镜面变形镜

主要由 3个部件组成: 基底、促动器和连续镜面薄片。薄片面形由促动器的推拉改变。要求基底的刚度远大于薄镜片的刚度,这样促动器的推拉运动效果就会大部分地在薄镜片上面反应出来。

这种变形镜采用的促动器一般由压电或电致伸缩材料制成,由锆钛酸铅材料Pb(Zr,Ti)03制成的压电促动器称为PZT,由铌镁酸铅材料Pb(Mg,Nb)03制成的电致伸缩促动器称为PMN,当给促动器施加电压时,促动器的长度会发生改变,从而引起镜面的局部面形发生类似高斯函数的形变。

2、薄膜变形镜

薄膜镜的形变原理如下图所示,薄膜自身刚度很小,所以只需很小的力就能使其面形发生改变,一般用图示中的电致伸缩促动器来使薄膜发生形变。薄膜的周围需要固定支撑,并提供张力使薄膜形成平面。

由于薄膜镜具有整体质量轻、成本低、能够主动校正波像差等优点,满足了空间反射镜超轻、超大口径等的要求,在空间科学领域得到了广泛的应用。

3、双压电片变形镜

双压电片变形镜的基本结构如下图所示,它由 2 片压电陶瓷片粘接在一起,在2片压电陶瓷片中间排列有控制电极,陶瓷片的上下端面设置有公共电极,在一面陶瓷面上粘接有一薄光学玻璃片作为反射镜。双压电片变形镜利用的是压电陶瓷的横向压电效应,当给控制电极施加电压时,其中的一片压电陶瓷横向扩张,另一片压电陶瓷横向收缩,整体作用的效果就是使镜面在施加电压的电极位置发生局部弯曲变形。

双压电片变形镜的横截面示意图

4、MEMS变形镜

MEMS包括微能源、微驱动器、微传感器、微控制器和微操作器等,集成于一个微小的空间,可实现一种或多种设定的功能。MEMS变形镜就是用类似电子芯片光刻技术制成的含有多个微小校正单元的变形镜。根据制作方法的不同,MEMS变形镜有两种实现形式,一种是类似薄膜变形镜的校正器,如左图所示;另一种是表面微机械加工的校正器,如右图所示,类似分离促动器变形镜。

基于MEMS技术的薄膜变形镜

拼接式MEMS变形镜

5、基于液晶技术的空间光调制器

前面介绍的波前校正器都是通过控制光程差进行光学相位补偿,而液晶空间光调制器是通过控制折射率来调制波前相位。这是由于液晶材料具有电控双折射效应,光入射到液晶层,被分为e光和o光,对应的折射率分别是非寻常光折射率ne和寻常光折射率no,当给液晶层施加电压时,电场作用下液晶分子会发生偏转,且不同电压对应于不同液晶倾角。e光的折射率会随所加电压的大小而改变,当垂直于液晶层表面施加电压,保持入射光的偏振方向平行于液晶光轴时,液晶空间光调制器就能够对入射光产生纯相位调制。

液晶空间光调制器作为一种新型的波前校正器件,具有校正单元多、价格低廉、制作周期短和校正准确度高等优势,目前已成为国内外的研究热点。

参考文献

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成像基本概念

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