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相位型液晶空间光调制器特性测试方法及波前校正研究

张洪鑫  
【摘要】:按照现代光学衍射理论,光波的二维波前决定了光波传输进程中的三维波场,由于波场的主要特征体现在波前的相位上,因此对波前的相位控制在现代光学信息处理中尤为重要。液晶空间光调制器,与变形镜相比具有空间分辨率高、成本低、体积小、重量轻、功耗低的优势,近年来在波前控制和波前校正中的应用日益受到重视。 随着对波前控制器件性能和精度要求的提高,对液晶空间光调制器自身特性的测试与评价也成为重要研究课题。目前国内外研究者主要采用传统干涉方法对器件进行测试,问题在于传统的测量方法只能满足单参数测量需求,要测量多个参数,就需要多次搭建实验装置,使得操作复杂,并会引入额外的测量误差。为了突破传统测量方法的局限性,本文着重研究相位型液晶空间光调制器多参数测试和评价方法。 针对液晶器件固有的非线性相位响应与静态误差会降低器件波前控制的精度这一问题,本文研究相位非线性与静态误差补偿方法,提高对器件的线性驱动能力和波前控制精度。在对器件进行测试与误差补偿的基础上,搭建基于液晶空间光调制器静态波前校正实验系统,进一步探索该器件用于高精度、高分辨波前校正的可行性和有效性。 论文主要完成以下几方面工作: 1.根据琼斯矩阵分析,建立了反射式平行排列向列相液晶盒强度反射率与相位延迟的数学模型,分析两个参数与入射光及出射光偏振角之间的依赖关系,得到实现纯相位调制和相位与强度共同调制模式的必要条件,为器件多参数测试方法的研究提供理论依据。 2.针对传统干涉方法无法满足多参数测试的要求,研究基于泰曼-格林干涉原理的多参数测试方法。该方法将条纹移动法与偏振干涉法融合到一个实验装置中,通过引入双成像系统,获取相位信息与强度信息,实现在同一测试装置上对液晶空间光调制器的多参数测试和评价。 3.针对液晶空间光调制器固有的非线性相位响应特性,本文提出最小二乘拟合反插值相位非线性补偿法,通过对测量数据的最小二乘拟合,对相位进行细分,建立插值节点,滤除测量误差对算法的干扰;通过反插值算法建立线性查找表,提高对器件的线性驱动能力。基于相位共轭原理和测量数据的边界定义,利用液晶空间光调制器的相位调制能力补偿自身固有的静态误差,使波前误差的均方根(RMS)值由补偿前的λ/8减小到补偿后的λ/50,提高了器件的波前控制精度。 4.搭建基于液晶空间光调制器静态波前校正实验系统。利用Zernike多项式对初级波像差进行模拟,验证该器件对各种波像差的模拟与校正能力,探索提高光学系统成像质量的新途径。通过对任意波前畸变闭环校正,使峰谷(PV)值大于一个波长的波前逼近标准平面波,校正后波前的RMS值达到λ/50。由此验证了液晶空间光调制器用于高精度、高分辨波前校正的可行性和有效性。


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