[发明专利]无偏振光能量损失的液晶自适应光学系统

说明书

技术领域

本发明属于自适应光学领域，涉及液晶波前校正器、波前探测器和PBS分束器等光学元件的组合，具体地说是一种无偏振光能量损失的液晶自适应光学系统。

背景技术

随着天文成像、光通讯及遥感探测等的迅速发展，大气湍流对光传输的干扰越来越引起人们的重视，因此，有必要研制光波前自适应校正系统。光波前自适应校正系统的功能是对入射光的畸变波面进行实时补偿校正，得到理想的光学传输。

目前使用的自适应光学系统中的关键器件是一种可以补偿波面畸变的可变形反射镜，它利用一系列压电驱动器控制镜面变形。驱动器的驱动电压高达400V左右；上百个驱动器的挑选与检验非常费时，使变形镜的研制周期往往需要数年时间。液晶器件采用微电子制备技术，高象素密度是其特点。液晶的象素数只要达到变形镜驱动器数目的64倍就可获得同样校正精度，且百万象素的液晶校正器制备工艺是目前已经成熟的工艺，因此基于液晶校正器的自适应系统具有更大的应用潜力。

1990年7月公开了Jan Grinberg等人1989年5月11日申请的美国专利US4943709“Liquid crystal adaptive optics system”，他们主要提出液晶分子排列方向平行的透射屏叠加在液晶分子排列方向与之转过90度的反射屏上，以此来校正非偏振光，这种方法不能有效地校正偏振矢量在45度和135度附近的光。2000年8月又公开了Gordon D.Love等人1998年6月5日申请的美国专利US6107617“Liquid crystal active optics correction forlarge space based optical systems”，他们把两层分子排列方向互相垂直的液晶层做在1个器件中，对非偏振光的校正效果与上相同。1999年有人提出了在反射式液晶屏的后基板上附上1/4波长板，可使与1/4波长板限定的单波长光在入射液晶层后、在1/4波长板上入射、反射出来，所有偏振矢量都旋转90度，然后再经反射路程通过液晶层，这样所有方向的偏振光在入、反两个过程中获得一致相同的校正量。这种能使液晶波前校正器应用于非偏振光系统的思想，虽然还只能使液晶工作于单色光中，但从原理上解决了液晶系统必须偏振的苛刻要求。2002年美国应用技术协会与空军实验室采用双频液晶材料做成91象元的液晶自适应系统，工作频率达到40Hz，校正量1.8微米，在700-950nm近红外波段、望远镜1.12米的通光口径上对400公里轨道上的国际空间站进行了自适应观测，获得了国际空间站太阳能帆板图像。但他们没有报道液晶自适应系统中偏振光的处理方法，也没有报道是否使用偏振片或其它偏振元件。

自然界中的发光体发出的光大多是自然光，自然光通过偏振片能成为偏振光，但使入射光能量降低50％，这使必须工作在偏振光条件下的液晶自适应系统在弱目标观测领域无法应用。因此，须将这50％的光能量转换成可利用的能量。

通常自适应系统均为闭环系统，闭环与开环的不同是在光路上光束先通过校正器然后再通过探测器，即先校正波面然后再探测波面，探得的波面残差反馈给校正器，校正器在上一回校正的基础上进行修正，这样当闭环频率大于外界大气湍流干扰频率时，校正器在第二周期所校正的位相量就要比第一周期中校正的位相量小得多，经过一段时间校正器的校正量就会保持在一个较小的平衡量上。开环自适应是先探测波面后校正，因此每一周期都是重新开始，校正器所变动的位相量较大，驱动电压也高，这需要校正器的驱动稳定性要很高才行。因为液晶校正器是利用分子在电场中的旋转运动进行位相补偿，它的驱动稳定性极好，不需要校正后的平衡时间，且位相校正量越大、驱动电压越高、液晶的响应速度越快；而常规变形镜自适应系统依靠反射镜面的曲率变形、一种机械运动进行位相补偿，所以在平衡点会产生机械运动的阻尼振荡，它与液晶正相反，驱动电压越高、平衡点的振荡越强、平衡越慢。所以闭环自适应很适合变形镜这类校正器，校正量逐渐减小会使变形镜校正器很快到达驱动平衡点，而开环系统符合液晶校正器的电场响应特点，可以响应速度快、又不失稳定性。

发明内容

本发明将液晶波前校正器、波前探测器和PBS分束器等光学元件进行有机组合，目的是提供一种无偏振光能量损失的、对光源单色性要求宽松的液晶自适应光学系统，其中PBS分束器是能将自然光中的P偏振分量和S偏振分量分开的分束器。