一種波前校正器及其校正方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體地說涉及一種波前校正器及其校正方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 波前校正器（也稱作變形鏡）作為自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，近些年來得到了 快速發(fā)展。與傳統(tǒng)固體鏡片變形鏡技術(shù)途徑相比，液體鏡面變形鏡能夠利用液面自身的張 力作用保持平滑，從而解決了傳統(tǒng)固體鏡片技術(shù)存在中高頻像差這一固有問題，被越來越 多的應(yīng)用到自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)中。
[0003] 現(xiàn)有的液體鏡面變形鏡主要包括鐵磁液體驅(qū)動(dòng)型和液晶驅(qū)動(dòng)型，前者利用通電線 圈的電磁力改變鐵磁液體表面形狀來校正反射光的波前畸變，在穩(wěn)定狀態(tài)下能夠利用液面 自身的張力作用保持平滑，克服傳統(tǒng)鏡片固有的中高頻像差，但液面面形容易受到重力、氣 流等外界干擾，也存在液體表面光反射率低、表面鍍膜難度大等問題；后者對液晶分子加電 后改變分子極化方向，對于偏振入射光來說液晶分子極化方向的變化導(dǎo)致折射率的變化， 從而達(dá)到校正透射光波前畸變的目的，液晶變形鏡的驅(qū)動(dòng)器密度可以做的很高，而且制造 工藝成熟，被廣泛應(yīng)用在小口徑自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中，但只能適用于偏振光，并且液晶材料抗 激光損傷閾值較低并存在嚴(yán)重的色散現(xiàn)象。
[0004] 液體界面存在著張力，改變界面的張力狀態(tài)就可以改變液面的形狀，在改變液面 張力狀態(tài)的各種方法中，電浸潤法具有結(jié)構(gòu)簡單、控制精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，在許多 領(lǐng)域被得到應(yīng)用。電浸潤法已經(jīng)被成功應(yīng)用在可變焦距液體透鏡技術(shù)中，該技術(shù)利用電浸 潤效應(yīng)改變液面曲率從而控制液體透鏡的焦距，成為最廉價(jià)的成像系統(tǒng)。盡管電浸潤技術(shù) 在透鏡成像方面已經(jīng)成功商業(yè)化，但目前仍然未被應(yīng)用到自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)中，要實(shí)現(xiàn)這一 應(yīng)用，還需要解決很多原理和技術(shù)上的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)的種種不足，為了解決上述問題，現(xiàn)提出一種響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性 高、面形響應(yīng)形狀多樣化、操作便捷、成本低、控制精度高、適用于自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的波前校 正器及其校正方法。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：
[0007] -種波前校正器，包括容器、至少一個(gè)電源和至少一個(gè)電極，所述容器設(shè)置為密閉 結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部設(shè)置有折射率不同的導(dǎo)電液體和絕緣液體，所述電極呈離散狀設(shè)置在容器的 外側(cè)壁，其正極與電源相接，其負(fù)極與導(dǎo)電液體連接。
[0008] 進(jìn)一步，所述導(dǎo)電液體和絕緣液體互不相容。
[0009] 進(jìn)一步，所述導(dǎo)電液體和絕緣液體的高度和等于容器的高度。
[0010] 進(jìn)一步，所述電極的負(fù)極處設(shè)置有導(dǎo)線，所述導(dǎo)線的一端與電極的負(fù)極連接，其另 一端與導(dǎo)電液體連接。
[0011] 進(jìn)一步，所述電極設(shè)置在導(dǎo)電液體和絕緣液體的液面接觸處。
[0012] 進(jìn)一步，所述電極與電源一一對應(yīng)設(shè)置。
[0013] 進(jìn)一步，所述容器設(shè)置為柱狀結(jié)構(gòu)，其橫截面的外接圓直徑設(shè)置為10_200mm，其高 度設(shè)置為5-20mm。
[0014] 進(jìn)一步，所述容器的上下表面均鍍有對入射光高透過率的膜。
[0015] 另，本發(fā)明還提供一種波前校正器的校正方法，包括如下步驟：
[0016] (1)向所述容器內(nèi)注滿導(dǎo)電液體和絕緣液體，所述導(dǎo)電液體的折射率為Ii1，所述絕 緣液體的折射率為n 2;
[0017] (2)將所述電極呈離散狀設(shè)置在容器外側(cè)壁；
[0018] (3)啟動(dòng)電源，對所述電極分別施加不同的控制電壓，改變導(dǎo)電液體和絕緣液體的 高度，并分別標(biāo)記為Ii 1 (X，y)和h2 (X，y);
[0019] (4)將所述入射光經(jīng)容器的表面入射至導(dǎo)電液體和絕緣液體內(nèi)部，則入射光的波 前分布變化量S (x，y)為：
[0020] S(x, y) = y)+n2h2(x, y)；
[0021] (5)取入射光不同位置A(Xi，y;)和B(Xy yj，對應(yīng)導(dǎo)電液體的高度分別標(biāo)記為 hii Ui，yj和Kj (χ.〗，y.)，對應(yīng)絕緣液體的高度分另Ij標(biāo)記為h2i (Xi, y;)和h2j (χ.〗，y.)，貝丨J位置 A和B的波前分布變化量分別為S (Xl，yi)和S (Xj，yj):
[0022] S (x；, y；) = Xi1Iili (xi7 y；) +n2h2i (x；, y；),
[0023] S (x.j，y.) = I^hlj (x.j，y.) +n2h2j (x.j，y.);
[0024] (6)所述入射光在位置A、位置B的波前相對變化量為：
[0025]
，所述波前相對變化量 即對入射光波長畸變的校正補(bǔ)償量。
[0026] 進(jìn)一步，所述入射光的波前相對變化量正比于施加控制電壓后導(dǎo)電液體的液面高 度相對變化量。
[0027] 本發(fā)明的有益效果是：
[0028] 1、本發(fā)明采用電浸潤效應(yīng)改變液體表面的張力狀態(tài)，從而精確控制液面面形來校 正入射光的波前畸變，具有響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，適合應(yīng)用于自適應(yīng)光學(xué)波前校正 系統(tǒng)中。
[0029] 2、本發(fā)明中電極呈離散狀設(shè)置在導(dǎo)電液體和絕緣液體的液面接觸處，促使液面形 狀變化具有更大的自由度，并且，所述電極與電源一一對應(yīng)設(shè)置，能夠靈活實(shí)現(xiàn)液面局部面 形變化，促使液面接觸處達(dá)到非對稱面形變化，具有面形響應(yīng)形狀多樣化的特點(diǎn)。
[0030] 3、本發(fā)明作為透射式光學(xué)元件，不需要在液體表面鍍膜，具有操作便捷、成本低的 特點(diǎn)。
[0031] 4、本發(fā)明將導(dǎo)電液體和絕緣液體注入密閉容器中，有效避免液面面形受到外界氣 流擾動(dòng)等影響，具有控制精度高的特點(diǎn)。
[0032] 5、本發(fā)明中容器的橫截面尺寸具有較大的調(diào)節(jié)范圍，適用于大口徑高能量狀態(tài)， 同時(shí)，本發(fā)明對光學(xué)的偏振態(tài)沒有要求，具有適用范圍廣的特點(diǎn)。
【附圖說明】
[0033] 圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034] 圖2是本發(fā)明的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035] 圖3是本發(fā)明的一種容器橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036] 圖4是本發(fā)明的一種容器橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037] 圖5是本發(fā)明的一種容器橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038] 圖6(a)是常見的澤尼克像差進(jìn)行校正前的示意圖；
[0039] 圖6(b)是本發(fā)明對常見的澤尼克像差進(jìn)行校正后的示意圖；
[0040] 圖7是入射光未經(jīng)過擬合的波前干涉示意圖；
[0041] 圖8(a)是本發(fā)明對入射光進(jìn)行離焦擬合后的干涉示意圖；
[0042] 圖8(b)是本發(fā)明對入射光進(jìn)行45度像散像差擬合后的干涉圖。
[0043] 附圖中：容器1、絕緣液體2、導(dǎo)電液體3、電極4、導(dǎo)線5、電源6。
【具體實(shí)施方式】
[0044] 為了使本領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合本發(fā)明的附圖，對 本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述，基于本申請中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在 沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的其它類同實(shí)施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本申請保護(hù)的范圍。
[0045] 實(shí)施例一：
[0046] 如圖1所示，一種波前校正器，包括容器1、至少一個(gè)電源6和至少一個(gè)電極4,所 述容器1設(shè)置為密閉結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部設(shè)置有互不相容、折射率不同的導(dǎo)電液體3和絕緣液體2， 可以有效避免液面面形受到外界氣流擾動(dòng)等影響，控制精度高，所述容器1橫截面的外接 圓直徑設(shè)置為10-200_，其高度設(shè)置為5-20_，所述容器1的橫截面尺寸具有較大的調(diào)節(jié) 范圍，適用于大口徑高能量狀態(tài)，同時(shí)，所述波前校正器對光學(xué)的偏振態(tài)沒有要求，適用范 圍廣。
[0047] 所述導(dǎo)電液體3和絕緣液體2的密度相同時(shí)，則兩者的接觸液面是一個(gè)曲率不變 的球面，所述導(dǎo)電液體3和絕緣液體2的密度不同時(shí)，考慮到整個(gè)裝置的穩(wěn)定性，上方液體 密度小于下方液體密度，則兩者的接觸液面是一個(gè)靠近容器1中心曲率小、遠(yuǎn)離容器1中 心曲率大的非球面，所述導(dǎo)電液體3設(shè)置為導(dǎo)電的水溶液，常用的種類為氯化鈉水溶液、醋 酸、硫酸等，所述絕緣液體2設(shè)置為不導(dǎo)電的油，常用的種類為十二烷基苯、硅油、礦物油、 乙醚、三氯聯(lián)苯合成油等。
[0048] 所述容器1設(shè)置為柱狀結(jié)構(gòu)，其橫截面設(shè)置為圓形、正方形和長方形中的任意一 種，所述容器1的上下表面均鍍有對入射光高透過率的膜，所述膜為增透膜，不需要在液體 表面鍍膜，操作便捷，成本低，所述電極4的正極與電源6相接，其負(fù)極通過導(dǎo)線5與導(dǎo)電液 體3連接，啟動(dòng)電源6產(chǎn)生電流，電流依次經(jīng)過電極4的正極和負(fù)極，到達(dá)導(dǎo)電液體3處，弓丨 起導(dǎo)電液體3處的液面變化，所述導(dǎo)電液體3和絕緣液體2的高度和等于容器1的高度，因 此，間接引起絕緣液體2對應(yīng)處的液面變化，以達(dá)到補(bǔ)償入射光波前畸變的目的，液面響應(yīng) 速度快，穩(wěn)定性高，適合應(yīng)用于自適應(yīng)光學(xué)波前校正系統(tǒng)中。
[0049] 如圖1-2所示，所述電極4呈離散狀設(shè)置在容器1的外側(cè)壁，并且位于導(dǎo)電液體3 和絕緣液體2的液面接觸處，促使液面接觸處形狀變化具有更大的自由度，并且，所述電極 4與電源6 -一對應(yīng)設(shè)置，能夠靈活實(shí)現(xiàn)液面局部面形變化，促使液面接觸處達(dá)到非對稱面 形變化，面形響應(yīng)形狀多樣化。
[0050] 所述一種波前校正器的校正方法，包括如下步驟：
[0051] (1)向所述容器1內(nèi)注滿導(dǎo)電液體3和絕緣液體2,所述導(dǎo)電液體3的折射率為Ii1, 所述絕緣液體2的折射率為n 2;
[0052] (2)將所述電極4呈離散狀設(shè)置在容器1外側(cè)壁，并且位于所述導(dǎo)電液體3和絕緣 液體2的液面接觸處，有助于產(chǎn)生面形相應(yīng)；
[0053] (3)啟動(dòng)電源6，對所述電極4分別施加不同的控制電壓，改變導(dǎo)電液體3和絕緣 液體2的高度，并分別標(biāo)記為Ii1 (X，y)和h2 (X，y);
[0054] (4)將所述入射光經(jīng)容器1的表面入射至導(dǎo)電液體3和絕緣液體2內(nèi)部，則入射光 的波前分布變化量S (X，y)為：
[0055] S(x, y) = Iijh1 (x, y)+n2h2(x, y)；
[0056] (5)取入射光不同位置A(Xi，y;)和B(Xy