液晶空间光调制器在自适应光学中的应用

　　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