基于介電潤濕效應(yīng)的疊加式液體透鏡波前校正

導(dǎo)讀

波前校正器是自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，而目前基于變形鏡或液晶光調(diào)制器的波前校正器在應(yīng)用中都存在局限。南京郵電大學(xué)微流控光學(xué)技術(shù)研究中心趙瑞、梁忠誠等設(shè)計(jì)了一種基于介電潤濕效應(yīng)的疊加式液體透鏡，通過軟件模擬分析并證明了其對含有曲率誤差、傾斜誤差和活塞誤差的畸變波前具有校正能力。該研究提供了一種小體積、高填充密度、無偏振依賴、高響應(yīng)速度的波前矯正器設(shè)計(jì)方案。

研究背景

自適應(yīng)光學(xué)(Adaptive optics, AO)是一項(xiàng)用于實(shí)時(shí)校正因大氣湍流引起的動(dòng)態(tài)波前畸變，提升光學(xué)系統(tǒng)性能的技術(shù)，目前已在軍事與天文領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的波前校正器能夠主動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)面型以補(bǔ)償所測得的波前誤差[1]，在系統(tǒng)性能、制造成本等方面具有決定性意義。

常見的波前校正器主要存在兩類：變形鏡與液晶光調(diào)制器。其中，變形鏡指在可獨(dú)立控制的能動(dòng)器上加裝鏡面，通過加載電壓改變鏡面形狀，實(shí)現(xiàn)對光束相位的控制。目前對該類波前校正器的研究較為成熟，但高能耗、大體積、高成本等問題仍極大地限制了其應(yīng)用。而液晶光調(diào)制器可通過外部加載電壓，使棒狀液晶分子旋向發(fā)生變化，改變折射率進(jìn)而改變光程，實(shí)現(xiàn)對入射光束相位的調(diào)制。雖然該方案具有功耗低、精度高、體積小等諸多優(yōu)點(diǎn)，但鑒于液晶材料的偏振依賴性、校正頻率低、響應(yīng)速度慢等問題，研制體積小、填充密度高、響應(yīng)速度快的空間調(diào)制器是產(chǎn)業(yè)及科研界的熱點(diǎn)內(nèi)容。

液體透鏡由一種或多種液體制作而成，一般基于電潤濕(Electrowetting, EW)現(xiàn)象工作，通過控制外加電壓改變液體曲率來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)聚焦和光學(xué)變焦等功能。目前已在可變焦距、光束控制、室內(nèi)照明及微型化等方面得到了應(yīng)用。以液體透鏡作為波前校正器相較于變形鏡方案具有體積小、無機(jī)械運(yùn)動(dòng)、易于陣列化的優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)小體積的高密度填充；相較于液晶光調(diào)制器方案，又具有無偏振依賴性、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢，因而具有較高的研究價(jià)值。

本文摘要

1. 設(shè)計(jì)了一種疊加式液體透鏡，能夠獨(dú)立控制三個(gè)不相溶液體的分界面，分析其對含有曲率誤差、傾斜誤差和活塞誤差的畸變波前的校正原理。

2. 采用COMSOL 軟件構(gòu)建疊加式液體透鏡模型，仿真模擬了不同電壓組合下液體界面面型的變化情況，分析了工作電壓與雙液體界面面型的關(guān)系，獲得該疊加式液體透鏡內(nèi)雙液體界面的變化范圍。

3. 采用ZEMAX 軟件，借助點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)變化，分析并證明該透鏡對波前任意點(diǎn)處曲率誤差、傾斜誤差和活塞誤差具有校正能力。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理 

圖1. 疊加式液體透鏡結(jié)構(gòu)示意圖。(a) 液體透鏡結(jié)構(gòu)；(b) 當(dāng)只對底層棱鏡單元施加電壓，(c) 對底層與中層結(jié)構(gòu)施加電壓，(d) 對三層結(jié)構(gòu)同時(shí)施加電壓時(shí)，液體界面變化情況