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亚毫秒空间光调制器在光学自适应领域大显身手



摘 要:亚毫秒(1-2 ms)液晶空间光调制器作为一种高单元密度的新型波前矫正器件,相对于传统的变形镜波前矫正器,具有:价格低廉,响应速度快,校正单元多(512*512),调制精度高等特点,是21世纪天文观测领域非常重要的波前矫正器件。目前国内的客户已经利用Meadowlark Optics公司的亚毫秒空间光调制器研制成功了LCAO(液晶自适应)系统。该系统已成功的与1.23m口径的望远镜实现连接,并且清晰的观测到土星及其环绕的光环带,分辨出4.8和5.5视星等的α-COM双星,成像分辨率达到1.8倍衍射极限的分辨率。

关键词:空间光调制器、液晶空间光调制器、调制器、SLM、变形镜、自适应光学、偏振无关


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引 言:液晶自适应光学系统的主要作用为矫正大气湍流带来的波前畸变。大气湍流是因为大气中局部的压强,扩散速度,温度等物理量会发生随机的变化,因而导致大气的折射率也会发生无规则的变化,当光经过大气后波前会发生相应的畸变。如果不经过自适应光学系统的校准,观测到的目标物或得到的观测结果与实际的目标物或真实的结果会有非常大的偏差,观测精度更无从谈起。

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液晶空间光调制器(波前矫正器)的工作原理

Meadowlark Optics公司的SLM(Spatial Light Modulator)使用的液晶材料为超高速液晶,利用液晶的双折射效应及扭曲特性,当光进入双频液晶空间光调制器后,对应的o光和e光的折射率不同导致光束中的o光和e光分离。o光和e光在液晶空间光调制器中的传输速度不同,同时利用液晶的扭曲效应,在SLM两端施加不同的电压时液晶分子会发生不同角度的偏转,因此液晶空间光调制器可以对每一个像素点实现不同的相位调制(如下图所示)。相对于传统的变形镜运用机械的镜面形变来改变光程差,空间光调制器具有更高的调制精度。

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液晶空间光调制器在自适应光学领域的典型应用

1、大气湍流模拟器

鉴于液晶空间光调制器的亚毫秒液晶响应速度、高像素密度、高相位调制精度、相位编程实时控制等特点,因此可以很好的模拟大气湍流随机性,变化速度快等特点。液晶空间光调制器特别适合高精度可控湍流模拟,为大气湍流的研究提供了非常有力的支撑。

目前实现大气湍流模拟的方法主要有:Zernike多项式法、功率谱反演法等。

下图为运用Meadowlark Optics公司的256*256型液晶空间光调制器做的大气湍流模拟结果。

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2、 波前矫正器

液晶波前矫正器作为一种高单元密度的新型波前矫正器件,通过相息图的衍射可以实现10um的波前位相校正量。亚毫秒(1-2 ms)寻址液晶空间光调制器克服了传统的SLM响应速度慢的缺陷,同时能量的利用率可以达到90%-95%。

目前液晶空间光调制器作为波前矫正器已成功的应用于天文观测,眼底成像,超分辨显微成像等领域。下图为国内的科研客户运用Meadowlark公司512*512液晶空间光调制器作为自适应系统的波前矫正器的实验结果。

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1.23m望远镜上α-Com双星的液晶自适应成像


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561nm波长眼底微细血管液晶自适应成像


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LC SLM自适应光学系统示例


结论:ODP液晶空间光调制器以其价格低廉,矫正精度高,效率高(90-95%),多校正单元(512*512),偏振无关等特点受到越来越多的科研人员的青睐。目前在天文望远镜观测、大气湍流模拟、自适应光学算法模拟、眼底成像、双光子显微镜、超分辨显微成像等领域发挥着越来越重要的作用。


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