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中科微星

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[交流] 相位型LCoS空间光调制器与自适应光学

液晶空间光调制器是一种利用液晶的光电效应对光场进行调制的光学器件，根据调制的物理量，可分为相位型和振幅型空间光调制器。振幅型空间光调制器通过利用液晶偏转配合起偏器和检偏器，实现对光的强度和偏振状态进行调制；而相位型液晶空间光调制器通过调节液晶分子的排列，只改变光的相位信息，不影响光的偏振状态和强度。此外，根据光路，液晶空间光调制器还可以分为反射式和透射式。

LCoS是Liquid Crystal on Silicon（硅基液晶）的缩写，LCoS空间光调制器是基于LCoS芯片，利用液晶的光电效应对光场进行调制的光学器件。由于LCoS自身不透光的特点，不能作为透射式光调制器使用，但LCoS自身反射率很高，能够作为反射镜使用，因此适合做反射式液晶空间光调制器。

LCoS空间光调制器现在各领域已经取得令人满意的应用，在激光光束调制方面有：变倍率激光扩束技术、光束偏转、光束整形、太赫兹光谱调制、产生涡旋光束、脉冲色散补偿等；在成像方面有消色差透镜、生物光学显微镜、自适应光学等；在显示方面有LCoS投影技术、激光立体显示、动态全息技术、模拟成像等；在传感方面有表面振动测量、三维轮廓测量、光谱分析等；在信息传输方面有光逻辑运算、高速光互连、阈值开关、数据存贮。

自适应光学是近几年来发展起来的集光学、机械、电子、计算机、自动控制等为一体的高技术。自适应光学的概念首先来源于天文观测中的大气扰动问题，从牛顿时代就发现了这个问题，但一直无法从根本上解决。美国天文学家H. W. Babcock在1953年首先提出了自适应光学的概念，即通过测量波前误差并加以实施补偿的方案来解决大气湍流引起的动态干扰问题。

H. W. Babcock

由于当时机械、电子计算机、自动控制等相关技术还不成熟，直到上世纪七十年代自适应光学才发展起来。最初自适应光学只是应用于军事方面，直到80年代末期，才在天文观测方面有了初步突破。到1991年美国军方才对自适应光学局部进行解密，目前为止自适应光学也是只有少数国家才能玩得转的高难度技术。我国对自适应光学的研究开始于1979年，在理论和技术方面也有不少创新。

自适应光学系统结构复杂，形式多样，最常用的一种是相位补偿结构，相位补偿结构的自适应光学系统组成包括：波前传感器、波前控制器、波前矫正器。按照相位共轭原理，利用波前传感器测定波前形状，波前控制器对波前传感器获取的波前数据分析，并将波前畸变信号转变为对波前校正器的控制信号，波前校正器产生共轭的校正波面，即二者波前形状相同，传播方向相反，这样到达目标的光波就会自动补偿大气湍流的影响，得到无像差的平面波。自适应光学中最核心的器件是波前校正器，它的功能是引入和扭曲波前互补的波前误差达到“抵消”的效果。目前波前校正器实现方法有两种：一种是由变形反射微镜构成的，通过移动微镜引入可控相位实现“补偿”。但微镜阵列结构复杂，制作工艺要求高，且成本高；还有一种是通过液晶空间光调制器和声光空间调制器等改变介质折射率的方式控制波前相位。这种方法相对结构简单，工艺要求和成本低。

相位型LCoS空间光调制器，在自适应光学中可以充当波前校正器的作用，与变形镜作用类似，在静态波形校正中校正效果与变形镜相差不大，但在动态矫正中由于受到液晶响应速度限制，其校正效果没有变形镜效果好，但相对于变形镜而言，LCoS像素单元可以做的很小，具有高分辨率特点，因此能够弥补变形镜校正单元少的缺点，且价格便宜。

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1楼2021-06-22 17:22:09

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