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(chéng)等設(shè)計(jì)了一種基于介電潤(rùn)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(duì)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(cè)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(duì)光束相位的控制。目前對(duì)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(duì)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(rùn)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(shì)，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(shì)，因而具有較高的研究?jī)r(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(duì)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(duì)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(duì)底層棱鏡單元施加電壓，(c)對(duì)底層與中層結(jié)構(gòu)施加電壓，(d)對(duì)三層結(jié)構(gòu)同時(shí)施加電壓時(shí)，液體界面變化情況 研究中所設(shè)計(jì)的疊加式液體透鏡如圖1所示。液體透鏡共三層，每層都可視為獨(dú)立的圓柱體子單元。每個(gè)子單元均由直徑為2 mm，高度為1 mm的玻璃腔體構(gòu)成。腔體底部蓋片與內(nèi)壁沉積電極，表面涂覆介電層。Liquid1與Liquid3為導(dǎo)電液體，兩者折射率差較大，而Liquid2為非導(dǎo)電液體，與兩種導(dǎo)電液體互不相溶。每個(gè)圓柱狀腔體中分別填充兩種液體，如圖1(a)所示，導(dǎo)電液體與非導(dǎo)電液體在腔體內(nèi)形成液體界面，可通過控制側(cè)壁與底部（或頂部）電壓對(duì)界面面型進(jìn)行控制，如圖1(b)~(d)所示。

圖2. 疊加液體透鏡畸變波前校正原理圖。(a)校正過程；(b)底層傾斜誤差校正；(c)中層曲率誤差校正；(d)頂層活塞誤差校正 圖2為疊加式液體透鏡用于波前校正的工作示意圖。圖2(a)中，存在畸變的初始波前通過疊加式液體透鏡，三個(gè)子單元的工作電壓可獨(dú)立控制，分別用于實(shí)現(xiàn)對(duì)傾斜誤差、曲率誤差和活塞誤差的補(bǔ)償與校正。圖2(b)∼(d)分別對(duì)應(yīng)為每層單元通過控制液面面型變化對(duì)傾斜誤差、曲率誤差和活塞誤差的校正原理圖。仿真結(jié)果與數(shù)據(jù)分析1.工作電壓與雙液體界面面型分析

圖3. 疊加式液體透鏡界面面型圖。(a)自然狀態(tài)下液體界面；(b)施加電壓使三層液體界面呈平面；(c)改變底層電壓；(d)改變底層與中層電壓；(e)改變?nèi)咳龑与妷?如圖3所示是利用COMSOL軟件對(duì)不同工作電壓下疊加式液體透鏡腔體內(nèi)雙液體界面面型變化的仿真模擬結(jié)果圖。圖3(a)、圖3(b)分別顯示了液體透鏡處于初始狀態(tài)（即三層子單元腔體側(cè)壁均未施加電壓）和液體透鏡對(duì)波前畸變不具有校正能力（即三層子單元的雙液體界面均呈平面）時(shí)所加電壓值和液體界面面型圖。在圖3(b)基礎(chǔ)上通過對(duì)底層子單元施加工作電壓的調(diào)控，圖3(c)中的底層子單元腔體內(nèi)的雙液體界面與水平方向形成一定夾角，說明液體透鏡可實(shí)現(xiàn)對(duì)傾斜誤差的校正。在此基礎(chǔ)上，圖3(d)中所示液體透鏡可實(shí)現(xiàn)對(duì)傾斜誤差及負(fù)曲率誤差的校正（即中間層腔體內(nèi)雙液體界面由平面變成球面）；進(jìn)一步，圖3(e)所示透鏡系統(tǒng)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)傾斜誤差、負(fù)曲率誤差和相位滯后的校正（即在圖3(d)基礎(chǔ)上頂層腔體內(nèi)雙液體界面變?yōu)榘济妫?.波前校正性能分析根據(jù)圖3分層式液體透鏡腔體內(nèi)液體界面隨工作電壓的變化關(guān)系，將不同工作電壓下的雙液體界面曲率導(dǎo)入ZEMAX軟件中，進(jìn)行波前校正性能分析。在ZEMAX軟件內(nèi)建立疊加式液體透鏡系統(tǒng)，并在系統(tǒng)末端放置一個(gè)固體透鏡，用于光束會(huì)聚。

圖4. 系統(tǒng)光路圖。(a)理想狀態(tài)；(b)攜帶三種誤差；(c)三種誤差校正后 圖4為ZEMAX仿真光路圖。為避免液體透鏡系統(tǒng)自身產(chǎn)生像差，對(duì)三層子單元施加圖3(b)對(duì)應(yīng)電壓，使三層子單元腔體內(nèi)的雙液體界面均保持平界面，平行光入射后水平出射，由固體透鏡會(huì)聚于系統(tǒng)后方一點(diǎn)，如圖4(a)所示，此時(shí)波前為理想波前。保持電壓不變，分別引入活塞誤差、曲率誤差和傾斜誤差，理想波前發(fā)生畸變，光束焦距改變并偏離光軸，如圖4(b)所示。改變?nèi)龑幼訂卧系墓ぷ麟妷?，?duì)上述三種像差進(jìn)行校正，最終使畸變波前再次恢復(fù)到近似理想狀態(tài)，如圖4(c)所示。

圖5.位相分布圖 圖5為畸變波前校正前后的位相分布圖。圖5(a)為理想波前，其峰谷值(Peak-to-Valley, PV)為0.0015λ，均方根值(Root Mean Square, RMS)為0.0004λ。引入三種像差后，波前發(fā)生畸變，PV值變?yōu)?9.7853λ，RMS值增大到5.6638λ，如圖5(b)所示。將該畸變波前通過疊加式液體透鏡，依次對(duì)曲率誤差、傾斜誤差和活塞誤差進(jìn)行校正，如圖5(c)~5(e)所示。校正完成時(shí)，波前PV值下降到0.18λ，RMS值減小到0.0355λ，如圖5(e)所示?？梢钥闯?，該液體透鏡系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)三種像差的有效校正。

圖6.點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)分布圖

圖6給出了畸變波前校正前后系統(tǒng)像面點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(Point Spread Function, PSF)的分布情況。圖6(a)顯示了波前為理想狀態(tài)時(shí)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)圖，此時(shí)斯特列爾比(Strehl Ratio, SR)為1。引入像差后，系統(tǒng)的斯特列爾比接近0，如圖6(b)所示。接著，將存在三種像差的畸變波前依次進(jìn)行校正，圖5(c)~5(e)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)分布圖分別對(duì)應(yīng)圖6(c)~6(e)。經(jīng)過透鏡系統(tǒng)的校正后，系統(tǒng)能量由極度分散變得集中，PSF峰值明顯提高，斯特列爾比由開始的近乎零值變?yōu)?.962接近理想狀態(tài)。

結(jié)論該研究提出的基于介電潤(rùn)濕效應(yīng)的疊加式液體透鏡，可用于對(duì)畸變波前中的活塞誤差、曲率誤差和傾斜誤差進(jìn)行校正。通過使用COMSOL與ZEMAX軟件進(jìn)行仿真模擬，分析了液體界面面型和波前校正特性。經(jīng)過該疊加式液體透鏡的校正后，畸變波前PV 值從19.7856λ減小到0.18λ，RMS 值對(duì)應(yīng)地由5.6638λ減小到0.0355λ，斯特列爾比則從初始的接近0值提升到0.962。結(jié)果表明所提出的疊加式液體透鏡可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型波前畸變的補(bǔ)償與校正。

審核編輯 ：李倩