基于介电润湿效应的叠加式液体透镜波前校正

导读

波前校正器是自适应光学系统中的关键器件，而目前基于变形镜或液晶光调制器的波前校正器在应用中都存在局限。南京邮电大学微流控光学技术研究中心赵瑞、梁忠诚等设计了一种基于介电润湿效应的叠加式液体透镜，通过软件模拟分析并证明了其对含有曲率误差、倾斜误差和活塞误差的畸变波前具有校正能力。该研究提供了一种小体积、高填充密度、无偏振依赖、高响应速度的波前矫正器设计方案。

研究背景

自适应光学(Adaptive optics, AO)是一项用于实时校正因大气湍流引起的动态波前畸变，提升光学系统性能的技术，目前已在军事与天文领域得到了广泛的应用。自适应光学系统中的波前校正器能够主动产生一个面型以补偿所测得的波前误差[1]，在系统性能、制造成本等方面具有决定性意义。

常见的波前校正器主要存在两类：变形镜与液晶光调制器。其中，变形镜指在可独立控制的能动器上加装镜面，通过加载电压改变镜面形状，实现对光束相位的控制。目前对该类波前校正器的研究较为成熟，但高能耗、大体积、高成本等问题仍极大地限制了其应用。而液晶光调制器可通过外部加载电压，使棒状液晶分子旋向发生变化，改变折射率进而改变光程，实现对入射光束相位的调制。虽然该方案具有功耗低、精度高、体积小等诸多优点，但鉴于液晶材料的偏振依赖性、校正频率低、响应速度慢等问题，研制体积小、填充密度高、响应速度快的空间调制器是产业及科研界的热点内容。

液体透镜由一种或多种液体制作而成，一般基于电润湿(Electrowetting, EW)现象工作，通过控制外加电压改变液体曲率来实现自动聚焦和光学变焦等功能。目前已在可变焦距、光束控制、室内照明及微型化等方面得到了应用。以液体透镜作为波前校正器相较于变形镜方案具有体积小、无机械运动、易于阵列化的优势，可实现小体积的高密度填充；相较于液晶光调制器方案，又具有无偏振依赖性、响应速度快等优势，因而具有较高的研究价值。

本文摘要

1. 设计了一种叠加式液体透镜，能够独立控制三个不相溶液体的分界面，分析其对含有曲率误差、倾斜误差和活塞误差的畸变波前的校正原理。

2. 采用COMSOL 软件构建叠加式液体透镜模型，仿真模拟了不同电压组合下液体界面面型的变化情况，分析了工作电压与双液体界面面型的关系，获得该叠加式液体透镜内双液体界面的变化范围。

3. 采用ZEMAX 软件，借助点扩散函数变化，分析并证明该透镜对波前任意点处曲率误差、倾斜误差和活塞误差具有校正能力。

结构设计与工作原理 

图1. 叠加式液体透镜结构示意图。(a) 液体透镜结构；(b) 当只对底层棱镜单元施加电压，(c) 对底层与中层结构施加电压，(d) 对三层结构同时施加电压时，液体界面变化情况