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  • 基于介電潤濕效應的疊加式液體透鏡波前校正

    作者:許可 來源:投稿 時間:2023-03-29 22:19 閱讀:1385 [投稿]
    該研究提出的基于介電潤濕效應的疊加式液體透鏡,可用于對畸變波前中的活塞誤差、曲率誤差和傾斜誤差進行校正。通過使用COMSOL與ZEMAX軟件進行仿真模擬,分析了液體界面面型和波前校正特性。

    導讀

    波前校正器是自適應光學系統中的關鍵器件,而目前基于變形鏡或液晶光調制器的波前校正器在應用中都存在局限。南京郵電大學微流控光學技術研究中心趙瑞、梁忠誠等設計了一種基于介電潤濕效應的疊加式液體透鏡,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、高響應速度的波前矯正器設計方案。

    研究背景

    自適應光學(Adaptive optics, AO)是一項用于實時校正因大氣湍流引起的動態波前畸變,提升光學系統性能的技術,目前已在軍事與天文領域得到了廣泛的應用。自適應光學系統中的波前校正器能夠主動產生一個面型以補償所測得的波前誤差[1],在系統性能、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:變形鏡與液晶光調制器。其中,變形鏡指在可獨立控制的能動器上加裝鏡面,通過加載電壓改變鏡面形狀,實現對光束相位的控制。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用。而液晶光調制器可通過外部加載電壓,使棒狀液晶分子旋向發生變化,改變折射率進而改變光程,實現對入射光束相位的調制。雖然該方案具有功耗低、精度高、體積小等諸多優點,但鑒于液晶材料的偏振依賴性、校正頻率低、響應速度慢等問題,研制體積小、填充密度高、響應速度快的空間調制器是產業及科研界的熱點內容。

    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)現象工作,通過控制外加電壓改變液體曲率來實現自動聚焦和光學變焦等功能。目前已在可變焦距、光束控制、室內照明及微型化等方面得到了應用。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、無機械運動、易于陣列化的優勢,可實現小體積的高密度填充;相較于液晶光調制器方案,又具有無偏振依賴性、響應速度快等優勢,因而具有較高的研究價值。

    本文摘要

    1. 設計了一種疊加式液體透鏡,能夠獨立控制三個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系,獲得該疊加式液體透鏡內雙液體界面的變化范圍。

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

    結構設計與工作原理 


    圖1. 疊加式液體透鏡結構示意圖。(a) 液體透鏡結構;(b) 當只對底層棱鏡單元施加電壓,(c) 對底層與中層結構施加電壓,(d) 對三層結構同時施加電壓時,液體界面變化情況

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