（光学专业论文）激光小尺度畸变波前检测与控制研究.pdf

四川大学硕士学位论文 摘要 激光小尺度畸变波前的检测和控制是i c f 激光驱动器等其它高功率固体激光 器关心的重要课题，它对光束的传输、放大过程及聚焦性质有重要影响。本论文 对激光小尺度畸变波前检测和控制的可行性进行了研究，提出采用阵列菲涅耳波 带片的激光束的波前畸变探测方法，并利用液晶空间光调制器进行小尺度波前位 相畸变补偿。本论文主要研究内容和创新结果如下： 一、分析小尺度波前及其对高功率激光系统的影响。根据哈特曼一夏克波前 传感原理，提出采用阵列菲涅耳波带片作为波前传感器，测量激光小尺度波前畸 变。分析液晶空间光调制器的光学位相调制特性及其补偿小尺度畸变波前的可行 性。 二、阐述了哈特曼一夏克波前传感方法原理，分析了哈特曼一夏克传感器波 前探测误差。分析了阵列菲涅耳波带片的聚焦特性与质心探测精度，提出基于分 数傅立叶变换的菲涅耳波带片的波前衍射计算方法，并进行了其聚焦模拟研究， 同时开展了相关的实验研究，证实了模拟计算方法的有效性。 三、对区域波前重构的$ o u t h w e l l 算法，模拟计算了其算法的波前重构误差。 研究了波前传感器参数、入射光束参量对波前重构精度的影响，提出了菲涅耳波 带片的合理阵列数目。详细讨论了非均匀强度分布的入射光束、圆形入射光束和 超高斯入射光束等情形对波前重构的影晌。 四、建立了激光小尺度畸变波前探测与自适应补偿系统，并进行激光畸变波 前探测与补偿实验研究。实验结果表明：本文提出的方法与系统对激光小尺度畸 变波前可进行有效探测和控制。 通过以上研究，说明了我们采用阵列菲涅耳波带片的波前传感与利用液晶空 间光调制器的位相调制特性进行激光小尺度畸变波前的补偿是有效性，这种方法 在激光工程的小尺度波前探测与补偿应用上具有可行性。 关键词：小尺度畸变波前、哈特曼一夏克波前传感器、阵列菲涅耳波带片、区域 波前重构算法、液晶空间光调制器 本论文研究得到国家自然科学基金委与中国工程物理研究院联合基金资助( n o 1 0 1 7 6 0 1 8 ) 。 些型查兰塑主堂焦堡苎 r e s e a r c ho fl a s e rs m a l l s c a l ed i s t o r t e dw a v e f r o n t m e a s u r e m e n t a n dc o n t r o l ( a b s t r a c t ) m a j o r ：o p t i c s g r a d u a t e ：w ub o s u p e r i o r ：c h e nh u a i x i n t h ed i a g n o s i sa n dc o n t r o lo f s m a l l s c a l ed i s t o r t e dw a v e f r o n ti sak e yi s s u ei nt h ef i e l do f h i g hp o w e rl a s e rs y s t e m ，w h i c hp l a yar o l ei nl a s e rt r a n s m i s s i o na n da m p l i 母i n gw es t u d yt h e f e a s i b i l i t yo fs m a l l s c a l ed i s t o r t e dw a v e f r o n tm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l t h ef r e s n e lz o n ep l a t e a r r a y sa n dl i q u i dc r y s t a ls p a t i a ll i g h tm o d u l m o r ( l c s l m ) h a v eb e e na p p l i e di nt h et h e s i s t h e m a i nw o r ka n do b t a i n e dr e s u l t sc a nb es u m m a r i z e da sf o i i o w s ： 1 w ea n a l y z et h ee f f e c to fs m a l l s c a l ed i s t o r t e dw a v e f r o n ti nt h ef i e l do fh i g hp o w e rl a s e r s y s t e ma c c o r d i n g t ot h ep r i n c i p l eo fh a r t m a n n s h a c kw a v e f r o n ts e n s o r ( h s w s ) ，w e p u tf o r w a r d t h ef r e s n e lz o n ep l a t ea r r a y sa sw a v e f r o n ts e n s o r , a n dt h eo p t i c a lc h a r a c t e r i s t i co fl c s l m a 口dt h e f e a s i b i l i t yo fl c s l mc o n t r o l l i n gs m a l l - s c a l ed i s t o r t e dw a v e f r o n t a r ea n a l y z e d 2 w ed e p i c tt h ep r i n c i p l eo fh s w sa n da n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ef r e s n e lz o n ep l a t e a r r a y s i nd i s t o r t e dw a v e f r o n tm e a s u r e m e n t t h ee r r o r so fh s w si nw a v e f r o n tm e a s u r e m e n ta r e a n a l y z e d 。w ea n a l y z et h ef o c u sc h a r a c t e r i s t i c o ft h ef r e s n e lz o n ep l a t ea r r a ya n dp r e s e n tt h e a l g o r i t h m o ff r a c t i o n a lf o u r i e rt r a n s f o r m st os t i m u l a t et h ed i f f r a c t i o no fl a s e rb e m n t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa b o u t l a s e rb e a m sf o c u sa r eg i v e ni nt h es a m et i m e ，w h i c hp r o v et h ee f f e c t i v e o f d i f f r a c t i o na l g o r i t h mp r o p o s e di nt h i st h e s i s 3 w ed i s c u s st k es o u t h w e l lm o d e lo f z o n a lw a v e f r o n tr e c o n s t r u c t i o nl nd e t a i l f h es o u t h w e l l m o d e li s p r o v e d a h i g hp r e c i s i o nw a v e f r o n tr e c o n s t r u c t e da l g o r i t h m t h er e l a t i o n s b e t w e e nt h e p r e c i s i o n o fw a v e f r o n tr e c o n s t r u c t e da n dt h ep a r a m e t e ro fw a v e f f o n ts e n s o ra r es t u d i e dt h e i m p r o v e m e n to f w a v e f r o n tr e c o n s t r u c t e di sd i s c u s s e du n d e rt h ec o n d i t i o no fa s y m m e t r i ci n t e n s i t y a n dc i r c u l a ra n ds u p e rg a u s s i a nl a s e rb e a m ， 4 w eb u i l da na d a p t i v eo p t i c a ls y s t e mf o rt h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lo fs m a l l s c a l e d i s t o r t e dw a v e f r o n t ，w h i c hc o n s i s t so ff r e s n e lz o n ep l a t ea r r a y sa n dl c s l mt h ee x p e r i m e n t r e s u l t so fw a v e f r o n tm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lo fl a s e rb e a ma r e g i v e n b ee l e m e n t a r y e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es m a l l s c a l e d i s t o r t e dw a v e f r o n tc a nb ed e t e c t e da n dc o n t r o l 四川大学硕士学位论文 e f f i c i e n t l y a c c o r d i n gt ot h e s er e s e a r c h e s w ec a nd e c l a r et h a tt h ef r e s n e lz o n ep l a t ea r r a y sc a nb eu s e d t od e t e c ts m a l l s c a l ed i s t o r t e dw a v e f r o n ti n h i g hp r e c i s i o na n dl c s l m c a r lb eu s e dt oc o n t r o l s m a l i s c a l ed i s t o r t e dw a v e f r o n t e f f i c i e n t l y t h e s et e c h n i q u e sc a nb ea p p l i e dt ol a s e re n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：s m a l l s c a l e d i s t o r t e dw a v e f r o n t ，h a r t m a r m - s h a c kw a v e f r o n t s e n s o l f r e s n e lz o n ep l a t e a r r a y s ， z o n a lw a v e f r o n tr e c o n s t r u c t i o n a l g o r i t h m ，l i q u i d c r y s t a ls p a t i a l 【曲tm o d u l a t o r n o t i f y ：t h e r e s e a r c hh a sb e e ns u p p o r t e do f t h ef u n d i n go f n s f c f n o ，1 0 1 7 6 0 1 8 ) ， 四川大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 惯性约束聚变激光驱动器中的波前畸变及对系统的影响 1 1 1 惯性约束聚变激光驱动器中的波前畸变 为了实现惯性约束聚变【l 】，不仅要求i c f 激光驱动器有高的能量输出，更重 要的是需要i c f 激光驱动器有优良的光束输出质量。因此，i c f 激光驱动器需要 有填充因子高、近“平顶”的高斯时平脉冲输出【2 】。由于i c f 的激光驱动器是一 个十分庞大的系统，复杂多样的因素会导致光束质量的降低，包括光场的振幅和 波前这两个方面。而波前受到的影响，具体涉及到下列几个因素： ( 1 ) 热诱导引入的波前畸变【3 】； ( 2 ) 热积累引入的波前畸变1 4 j = ( 3 ) 系统装配、重力作用和透镜的装调引入的波前畸变口】； ( 4 ) 空气扰动引入的波前畸变睁j ； ( 5 ) 光学元件加工引入的波前畸变【6 j ( 6 ) b 一积分引入的波前畸变 ( 7 ) 白适应光学系统校正波前畸变的不完善引入剩余误差使波前畸变口】。 其中，由于光学元件加工过程中计算机控制抛光和小磨具的采用，以及非线性效 应b 一积分所引入的波前畸变属于小尺度波前畸变。 1 1 2 波前畸变对光学系统的影响 在i c f 激光驱动器技术中，高功率激光器的光强调制度与光学元件的小尺度 制造误差密切相关，这 o o d , 尺度的制造误差位于中高频段。除了散射影向外，在 强激光应用中，光学元件的中频误差还与元件的抗激光损伤阈值密切相关，因为 中频扰动是造成非线性自聚焦破坏的主要根源之一。美国l l n l 在n i f 装置的研 究过程中，根据光学元件的口径、自适应光学校正和空间滤波器的设计原则，按 照空间频段的不同将光学元件的制造误差具体分为三段j ： 空间波长a 3 3 m m ，称为面形偏差： 四川大学硕士学位论文 空间波长3 3 r a m a o 1 2 m m ，称为波纹差 空间波长a a 0 1 2 m m ”的中频段，对应着小尺度非线性增长最严重的误差部 分。 研究认为 9 】| _ 1 0 】，各个空间频段的波前误差从以下几个方面降低了光学系统的 性能：( 1 ) 低频分量扰动( 主要是面形误差) 对应着光束的小角度散射，将系统 光束能量从图像中心移到前儿级衍射环，系统的斯特列尔( s t r e h l ) 比或峰值强度 因此降低，但系统的会聚光斑尺寸并未明显展宽：( 2 ) 高频分量的扰动( 如表面 粗糙度) 对应着大角度的散射，成为系统的杂散光。这种扰动将光束能量从图像 中心散射到很宽的晕带，降低了图像的对比度或信噪比。由于扰动尺度很小，同 样未明显展宽图像核心部分的尺寸；( 3 ) 介于低频和高频之间的扰动产生了小角 度的散射，使光束无法达到焦平面，在降低峰值强度的同时，显著的增大了光斑 的尺寸，使图像核变得模糊。这种频段的扰动严重的影响了光学系统的成像质量。 一般地，波前功率谱密度( p s d ) 将畸变波前在其空间频域内划分为四个区 域叫：低频段的“面形”( 空间频率在0 0 0 3 m m 。之间) 、中频段的“纹波一1 ” ( w a v i n e s s l ，o 0 3 o4m f , 。o ) 、中频段的“纹波2 ”( w a v i n e s s 一2 ，0 4 脚- 8 m - 1 ) 和高频段的“粗糙度”( 8 朋1 ) 。其中，基本焦斑的尺寸主要由低频段的面形决 定，中频段的两个“纹波”区域都与近场调制有关，这种效应将限制系统的输出 功率。同时，“纹波1 ”还将增大一倍频焦斑的旁瓣，而产生堵口效应。“纹波一2 ” 和粗糙度都会对针孔的位置产生影响，粗糙度还会对光学元件的成丝破坏有重要 的作用。研究表明 ”】，焦斑半角宽度受以均方根梯度( 5 0 7 5 9 0 & c m ) 描写的低频波 前畸变的影响将分布在o 2 0 u r a d 之间，受“纹波一1 ”的影响将扩大到2 0 m o o u r a d 之间，受“纹波一2 ”的影响将进一步扩大到1 0 0 1 0 0 0 u r a d 之间，从而使焦斑尺寸 大大高于系统的衍射极限。 波前畸变除了会对焦斑的性质有影l l ；j 步 ，还将引起入射光发散，使整个基波 的最大峰值功率降低，并且随着基波位相畸变的加剧，原来理想的位相匹配条件 不再得到满足，不能实现全口径的光束匹配，因而倍频光的横向分布出现严重变 形，谐波转换效率随之下降”1 。在强光下，放大介质将产生非线性效应，它会造 型i l ! 堂堡主兰些堡苎 成不同光强处产生的位相延迟有差异，导致光束传输不稳定，并且将反过来加剧 局部光强的迅速增长。根据b - tl 垩论( b e s p l o v t a l f m o v ) 1 “，光束中小尺度空间纹 波涨落将按指数增加，这种不稳定扰动的非线性增长将引起小尺度低水平光束纹 波增长5 1 ，导致小尺度自聚焦，从而造成放大介质与光学元件的成丝破坏，严重 影响高功率激光系统的运行安全。 1 2 激光波前探测方法 实时校正光束的波前畸变是自适应光学的核心内容，畸变波前的检测和校正 通常通过波前传感器来完成。自适应光学中的波前传感技术主要有i 种：剪切干 涉波前传感技术； 曲率传感技术；哈特曼夏克波前传感技术。 1 2 1 剪切干涉波前传感 剪切干涉是采用被检波面与其本身被错位后形成的波面相互重叠发生_ i i _ 涉 从而对光学元件、光学系统或激光器输出的变形波面本身进行检测的一种干涉计 量技术“，其典型特征是共光路。包括横向、径向、旋转和反转剪切四种方式， 其中横向和径向剪切干涉仪应用最为。泛。这两种剪切干涉仪与经典的干涉计量 技术，如斐索、泰曼一格林和马赫一曾德干涉相比较，其优点主要体现在：剪切 干涉的光路中不需要设置专门的参考光路，幽此，它们比斐索、泰曼格林干涉仪 等能检测更大口径的波前畸变。由于物光与参考光来自同一光路，因此该种干 涉仪对震动很不敏感，测量精度高，非常适合于： 厂、车间等现场使用，并且哪 采用自光做光源。所以，横向和径向剪切干涉在光学元件和光学系统质量以及激 光系统的波前检测方面有独到的优势。剪切干涉法的缺点是参考波前通常不是 个标准平面波，同时光能利用率较低，波前重构结果存在2 z 相位跳变，需要利 用波前解包裹技术。 i 2 2 曲率波前传感技术 曲率波前传感f 2 5 1 通过测量离焦面上的光强分布求得波前的曲率和相位分 布，以波前曲率测量代替了波前斜率的测量。由于波前曲率分布与相位分布的联 系可以用治松方程来表示，而自适应光学中作波前补偿用的薄膜式和双压电片式 变形镜的控制信号与镜面变形量的关系也可以用泊松方程表示，因此幽曲率传感 四川大学碗。学位论又 i i | 月i 得的曲率分布信号不需经过计算就可以直接用于控制变形镜补偿被检波前 的畸变，从而节省了时间，加快了自适应光学系统的反馈速度，这一点对自适应 光学系统非常重要，并已被用于自适应望远系统中。 曲率传感器的优点在于曲率传感器的波的曲率分布信号不需计算机处理 就可以直接用于控制薄膜式变形反射镜补偿入射的畸变波前，节省了自适应光学 系统闭环控制所需的时间；曲率传感器不需要参考平面波作测量基准，节省了 造价。其主要缺点是只适用于波前畸变中低阶模式的探测与校正。 1 2 3 哈特曼波前传感技术 哈特曼( 1 1 a n h l a n n ) 波前传感器 2 1 由德国人哈特曼于1 9 0 0 年首先提出，夏克 ( r k s h a c k ) 于1 9 7 1 年将哈特曼光阑换成了一阵列透镜后，使光斑中心坐标的测 量精度得到了极大的提高，并且充分的利用了光能，这种改进后的哈特曼传感器 就被称为哈特曼夏克传感器，简称h s 传感，如图1 2 - 1 所示。通过在阵列透镜 的焦面上测出畸变波前所成像斑的质心坐标与参考波前质心坐标之差( 箭头表 示) ，由几何关系便可以求出畸变波前上被阵列透镜分割的子孔径范围内波前的 平均斜率，从而可求出全孔径波前的光程差或相位分布。哈特曼传感器是目前应 用比较广泛的一类波前传感器。 ，e f r 口n t l 一1 d t f r r f q c l lp l t 且e 三翌工 = 刊= z = = s 刊1 召工 图1 2 1 哈特曼波前传感原理 比较三种波前传感方法，哈特曼一夏克( h - - s ) 波前传感方法由于光能利用 率较高，测量波前动态范围大，不存在2 厅相位跳变，结构简单可靠等优点，在 四川人学硕十学位论文 目前的激光波前畸变校正中应用很广。曲率传感器具有真正“实时”波前补偿的 优点，且制造相对简单，价格比较便宜。对入射波前中空间频率的低频成分而言， 曲率传感器的探测精度与h s 传感器相当，但是对中高频成分而言，由于曲率传 感器的控制自由度比h s 传感器少，所以精度不如h s 波前传感器高。鉴于以上 原因，我们选择了h s 方法来探测激光波前畸变。 1 3 激光波前控制方法 到目前为止，应用的波前校正器件主要有：变形镜【2 5 j ；变形镜是一种技术 成熟，应用较广的波前校正器。它的特点是利用反射面变形或位移改变光路长度， 达到波前校正的功能。优点是具有高的时间空间带宽积，大的校正动态范围( 可 达十几个波长) ，校正性能与波长无关及在很宽的潜段均具有高反射率。缺点是 造价昂贵( 每一单元造价约为1 0 0 0 美元) ，自由度较少( 一般 3 3 m m ，称为面形偏差； 空间波长 3 3 r a m a 0 1 2 r a m ，称为波纹差； 空问波氏a a 0 1 2 m m ”的中频段，对应着小尺度非线性增长最严重的误差部 分。 激光波前中空间波长位于“3 3 r a m 八 0 1 2 m m ”的中频段，对应着激光束小 尺度非线性增长最严重的误差部分，又称为小尺度波前。这一范围的波前扰动产 生了小角度的散射，使光束无法达到焦平面，在降低峰值强度的同时，显著的增 大了光斑的尺寸，使图像核变得模糊。这种频段的扰动严重的影响了光学系统的 成像质量。中频段的两个“纹波”区域都与近场调制有关，这种效应将限制系统 的输出功率。同时，“纹波。1 ”还将增大一倍频焦斑的旁瓣，而产生堵口效应。“纹 波2 ”和粗糙度都会对针 l m 位置产生影响，粗糙度还会对光学元件的成丝破坏 有重要的作用。研究表明”1 ，焦斑半角宽度受以均方根梯度( 5 0 7 5 9 0 a c m ) 描写的 低频波前畸变的影响将分布在o 2 0 u r a d 之间，受“纹波- 1 ”的影响将扩大到 2 0 1 0 0 “r 口d 之间，受“纹波一2 ”的影响将进一步扩大到1 0 0 1 0 0 0 u r a d 之间，从 而使焦斑尺寸大大高于系统的衍射极限。 波前畸变除了会对焦斑的性质有影响外，还将引起入射光发散，使整个基波 的最大峰值功率降低，并且随着基波位相畸变的加剧，原来理想的位相匹配条件 姗川九学硕j + 学位论文 小再得到满足，不能实现全口径的光束匹配，因而倍频光的横向分布出现严重变 形，谐波转换效率随之下降 1 ”。在强光下，放大介质将产生非线性效应，它会造 成不同光强处产生的位相延迟有差异，导致光束传输不稳定，并且：悔反过来加剧 局部光强的迅速增长。根据b t 理论( b e s p l o v i h l a n o v ) ，光束中小尺度空间纹 波涨落将按指数增加，这种不稳定扰动的非线性增长将引起小尺度低水平光束纹 波增长i ”1 ，导致小尺度自聚焦，从而造成放大介质与光学元件的成丝破坏，严重 影响高功率激光系统的运行安全。 波前畸变对光束质量和激光系统的影响是复杂和多方而的，对波前畸变的检 测和控制手段的研究就显得十分重要。其中，低频的波前畸变控制技术已经成熟， 可以用变形镜进行校正；高频调制部分可以利用空间滤波器将其滤掉；而中频段 的小尺度波前畸变，既不能用变形镜进行校正，又不可能被空间滤波小孔完全抑 制。因此，进行小尺度波前畸变控制的方法和手段的研究具有重要的意义。 2 2 小尺度畸变波前检测可行性分析 2 2 11 c f 系统的自适应波前控制光路系统 图2 2 - 1i c f 系统的t l 适应波前控制光路系统 叫川大学坝士学位论文 图2 2 1 为中科院成都光电所为i c f 系统所设计由哈特曼一夏克m s ) 波前 传感一变形能动镜构成的自适应光学系统。该系统组成为： 个4 5 通道变形反射 镜，两个1 0 1 0 子孔径的哈特曼一夏克波前传感器，一个4 5 通道电压控制器， 一台波前控制微机。在i c f 系统中，激光脉冲在激光系统的前端产生并预放大， 然后注入四程主放大器中进一步放大。变形镜与哈特曼一夏克波前传感器i 放置 在系统前端的输出端。哈特曼一夏克波前传感器i i 定位测量主放与变频设各之 侧光束，测量主放产生的波前畸变。由于脉冲宽度仅为1r l s ，主放的波前畸变不 可能实时校正，但是畸变可由哈特曼一夏克波前传感器i i 记录。通过分析记录 的波前畸变，可获得预校正的波前数据，这些数据被用于校准哈特曼一夏克波自口 传感器i 的参考数据。在下一次脉冲之前，由上次测量波前数据调校变形镜，组 成闭环控制系统，则下次击发的动态波前畸变可由变形镜预校正。 由哈特曼一夏克( h 。s ) 波前传感一变形能动镜构成的自适应光学系统是目前 较成熟的主动波前畸变检测与校正技术，能对静态与动态的波前畸变进行检测、 补偿，且补偿的波前畸变较大。但由于变形能动镜的单元数较少( n a 0 1 2 r a m ，这是一个相当 大的范围。对哈特曼夏克波前传感器而言，透镜的口径不可能做的太小。我们 已知的用哈特曼一夏克波前传感检测波前的系统中 2 6 】【3 l 】【3 2 j ，虽小的子透镜尺寸为 2 0 0 珊，焦距5 r n m ，阵列数为4 0 + 5 0 ，这种结构对波前中频范围内的高频部分的 探测也是无能为力的。所以，用h ，s 波前传感器方法是不能探测整个中频段的波 前畸变。因此，我们的方法是首先采用像传递，空间滤波系统去除高频的波前畸变， 然后根据实际高功率激光系统中危害最大的频段，设计适当的透镜参数，可以探 测定空间周期以上的小尺度畸变波前。 我们在实验中采用的是振幅型矩形阵列菲涅耳波带片作为波前传感器。我们 选择矩形菲涅尔波带片的原因一是因为它制作方法简单，可制作各种规格的阵 列，满足小尺度波前检测的需要。二是因为它的衍射效率较高，在构成阵列波带 片后没有“死区”，且矩形孔径透镜与圆形透镜相比，聚焦光斑小，强度更大， 组成阵列后与普通透镜比较具有较多优点。三是尽管与多阶位相型菲涅尔透镜相 比( 理论上可以达到9 0 以上) ，振幅型菲涅尔波带片的衍射效率低，但是在波 前测量中，应该尽量不引入附加的相位误差，而多阶位相型菲涅尔透镜由于加工 误差，不可避免的在阶梯处产生毛刺，对入射光波产生相当大的影响。将阵列波 带片应用于实际高功率系统时，由于采用的是分柬采样测量并置于系统前端，不 考虑激光损伤。 2 3 液晶空间光调制器控制小尺度波前可行性分析 2 3 1 液晶空间光调制器简介 液晶空间光调制器( l c s l m ) 具有低电压、微功耗、小型化、轻量化、节能 化、高密度化等特点，首先在光电显示方面得到极大的关注p ”。7 0 年代初英国 g r a y 等人合成了联苯氰基类正性向列液晶材料，并很快形成了t n l c d 产业。为 了增加l c d 的信息容量，s c h e f f e r 等人提出了s t n l c d 方案，其电光阙值特性 好，并具有高的简单点阵显示占空比，实现了v g a 笔记本电脑显示。s t n l c d 器件结构类同于t n l c d 器件，在t n - l c d 生产技术基础上，8 0 年代末形成了 s t n l c d 产业。然而，由于s t n 点阵显示的响应速度、占空比、对比度、获度 级等的有限性，加快了t f tl c d 技术的发展。t f tl c d 技术是半导体微电子技 蹦川火学硕卜学位论文 术和液晶显示技术巧妙结合的高新技术，t f t 阵列是将液晶显示大尺寸玻璃板工 艺和微电子精细加工技术相结合。 般，t f tl c d 结构采用行、列电极交叉构成的点阵显示方式口“。如n 个行 电极和m 个列电极交叉构成n m 个像元，以n + m 个电极控制n m 个像元得到任 意文字、图形、图像。用时间分割多路驱动时，选通电压必须高于液晶电光特性 闽值电压，在非选通像元上分布电压要求低于阈值电压，才能保证显示对比度。 实际上，逐行扫描寻址时，有时同一一行大部分像元同时被选通，引起交叉干扰， 使非选通像元电压超过闽值电压，产生交叉效应。为了克服交叉效应，可采用平 均偏压法，使在所有非选通像元上均匀施加低于阈值的电压，保证均匀底色和对 比度。由于t n 和s t n 模式没有存贮性能，因此用窄脉冲多次驱动的平均电压法， 可以利用液晶积累效应实现显示。采用对每像元附加开关元件或非线性元件的有 源矩阵显示方式，获得了大信息容量、高对比度显示。 利用液晶空间光调制器对通过在电场等外场的作用f 对入射光的位相调制 或振幅位相混合调制实现光学图像处理f ”q ”、光逻辑运算、光学数字混合相 关、自动模式识别 3 9 , 4 0 j 等光信息处理。 2 3 2 液晶空间光调制器的光学调制特性 ( 1 ) 液晶空间光调制器的分子排列 空f 日j 光调制器( l c s l m ) 是一种对光波的空间分布进行调制的器件。液晶是具 有很强的光学各向异性和介电各向异性的材 料，这在于液晶的分子排列有定规律。液晶 薄层两侧的基片做过适当的处理，使分子在两 基面表面处都是沿面排列的，但它们的长轴方 向相差9 0 0 ，于是基片间的液晶层进一步分成许 多薄层，每一层内分子的取向基本一致，且平 行于层面；相邻分子的取向逐渐转过一个角度， 从而形成扭曲一向列排列方式，当液晶片两端 图2 3 - 1 扭曲一向列型液晶的分子排列 没加电场时，液晶片可看作被分成许多与z 轴正交垂直的薄片，每个薄片都是相 同的，它们的琼斯矩阵是寻常光折射率n 。和非寻常光折射率n e 及各自分子取向 垦翳鼎捌删娅n30 “忡鼬 叫j 】l 大学硕士学位论文 的函数。总的琼斯矩阵是各自矩阵的乘积。因为液晶片厚度为d ，且扭曲了9 0 ” 角，当取坐标( 如图3 2 ) 使z = o 处分子取向与x 轴一致时，琼斯矩阵为”“ r7 、f 1 污j s i l l 7。 l 等j s l 吖 c o s 州降nr 咖r 这里卢2 筹o 。吨) 巾= 孚( 仇+ 代) 九 ( 2 3 一1 ) ( 2 3 2 ) ( 2 3 - 3 ) r = ( 三 2 + 2 j c 2 _ 34 ， 当沿着z 轴加上电场时，所有的分子朝电场方向转过一个角度o ，e 是所加电压 v 的函数 0 = o h 一 半 ” v ( 2 35 ) v k 这里v 。是个闽值电压，小于它就不会发生偏转，v t ，是某一一中间值。当v v c 时，偏 转角e 随着v 的增加而增加，直到达到0 的饱和值n 2 。随着分子取向的偏转， 光沿z 轴传播的折射系数和n 。也发生变化，这晕有关系为“： 1 一c o s 塑。s i n 2 ( o ) ( 2 3 - 6 ) 一一 ”；p )n ； 。 n ； 因此，加电场后，琼斯矩阵表达式中的n 。就要换成n e ( e ) ，即： = 掣( 吃p ) 一 。) ( 2 3 。7 j 1 2 四j i l 大学硕士学位论文 中2 鲁k 。p ) 帆1 = 成+ 卢 ( 2 3 8 ) r 悯2 卅j c ns 这里c d 。，= ( 2n x ) n o d 是一个与v 无关的常数，除掉一个不重要的位相因子 e x p ( 一j o 。) 后，琼斯矩阵就只是0 这个变量的函数了。这个函数j ( d ) 就是扭 曲9 0 ”向列液晶的普适函数。 ( 2 ) 液晶空间光调制器的调制模式及调制曲线 液晶空间光调制器的两个偏振镜的状态分别由、l ，和1 l r z 表示，它们是各自的 偏振轴与x 轴的夹角，图3 1 所示。当一束光垂直照射此l c s l m 时，由琼颠算法 可得出出射光的表达式为： r 卜孙j ) r 眵、) e i n lz ( 2 3 - 1 0 ) 结合液晶分子的l u - s a l c h 物理模型【4 2 1 ，可得出的结果的实部和虚部分别表示光线 透射率和产生的相移，分别用t 和占表示： t = i 昙rs i n ( r ) c o s 眵，一妒：) + c o s ( r ) s i n ( y ，一妒：) 2 + 等, s i n ( r ) s i n ( y + p ：) 2 ( 2 3 - 1 1 ) 巧= 口一t a n f 旦k ( ，) 。i n ( 矿。+ y ：) j ! ! ! ! 一 ( 2 3 - 1 2 ) s i n ( 小o s ( + c o 如) s i n ( ” 从( 2 3 1 1 ) 、( 2 3 1 2 ) 式，l c s l m 一般是振幅与纯位相耦合调制。在选择适当 的结构参数，可使l c s l m 处于位相调制模式，即它的位相凋制单调变化，且范围 在( o ，2n ，而对振幅的调制很小。对此，我们讨论如下特殊情况： 列川大学硕上学位论文 当1 = 0 ，v2 = 9 0o 或v l = 9 0 。，_ 1 1 ，2 = 0 时，有 ：t 巩。：1f 熹卜n ：p ) l 2 r 艿。：肚。一i - - - f lt a n ( r ) l l ，j ：一t 孤一譬t a n ( r ) 1 l ，j ( 2 3 1 3 ) ( 2 3 1 4 ) ( 2 3 一1 5 ) 第和第二下标分别表示1 l r 、和_ i l r 。所取的角度，如图2 3 - 2 ( a ) 、( b ) 分别是它 们的透过率变化曲线和相位变化曲线。这两种情况的透过率变化曲线都相同，从 透过率变化曲线中利当在l 孚卜眠t 是的单调溅上1 l h0 至o ， 变化，而。曲线的斜率几乎为。因此在虬：9 。，v ：。时，声在f 1 0 ，竿 范 尉内可满足强度调制的条件。 a 透过率变化曲线 b 位相变化曲线 图2 3 - 2 液晶空间光调制器的光学调制曲线 凹川火学硕士学位论文 当透过率变化曲线在p 兰的范围内时，透过率t 在一个较小的范围内波 上 动，可看成是一常数且很接近于l ，对于位相调制来说这是很重要的。t 越大透 过率就越高，光损失就少，而这时占。4 , 2 * g 诟i n 曲线近似一条斜率为2 的宜线， 为了满足占的变化范围超过2 ，经计算卢的最大值须满足1 8 7 z 。因此在 医仃 1 l r ，= o ，v2 = 9 0o ，p 专且卢，。1 8 7 石删，可满足位栩调制的条件。 2 3 - 3 液晶空间光调制器控制小尺度波前可行性分析 液晶宅间光调制器有口径小，抗激光脉冲的损伤闽值较低，可控制校j f 自由 度多的特点。由我们实验室对电寻址t f t 矩阵有源液晶空间光调制器的位相测试 结果，其位相调制小于一个波长范围，可调的位相范围小。为了克服强激光束对 材料的损伤，结合液晶空间光调制器的结构与光学调制特性，根据i c f 激光驱动 器对光求质量的物理要求，充分利用l c s i 。m 的位相调制特性，将l c s i m 置于高功 率激光聚变驱动器的前级( 功率密度2 0 m j c m 2 ) ，针对1 0 5 4 n m 波长进行激光束小 尺度波前崎变进行控制l _ 铰正。这样可以避免强激光脉冲对l c s l m 的损伤破坏， 兼颞l c s u 4 口径小的特点，并可充分利用其多象元与高分辨率的波前位相调制优 势。 在利用变形镜进行波前畸变控制时，由于变形镜的可控制自由度少( 一般 , 1 0 0 ) ，只适于校f 低频段的波前畸变，即使采用的波前检测手段可检测到较高 频段的波酊畸变，也无法进行有效校正。我们采用的是透射式电寻址液晶空间光 调制器( l c s l m ) ，它的主要特点是可控制空问自由度高( 数百万个) ，也就是每 个液晶单) 己都是可控的，其空间频率达到2 5 线，啪州，因此，液晶空间光调制 器在其可调位相范围内可有效补偿中频段波前畸变。对较大幅度波前畸变，可采 用双l c s l m 级连式的结构来实现较大位相值( 接近2 个波长) 的调控。 2 , 4 本章小结 本章首先介绍了小只度畸变波自f 及其对高功率激光系统的影响，指出进行小 l5 旧川人学硕士学位论文 尺度畸变波前控制的方法和手段的研究具有重要的意义。接着分析小尺度波前检 测可行性，我们采用哈特曼夏克波前传感方法检测激光波前，自行制作了振幅 型矩形阵列菲涅耳波带片作为波前传感器，可以满足小尺度波前检测的需要。然 后简介了波前补偿器件一一液晶空间光调制器，分析了其光学特性，液晶空间光 调制器的空间自由度高，在其可调位相范围内可有效补偿中频段波前畸变。 l 刿j i i 大学顾士学位论文 第三章阵列菲涅耳波带片波前探测原理 自适应光学中所用的波前传感器技术从数学模型上主要分为两大类 2 ”。一类 是通过测量波前斜率获得相位信息，另一类是通过测量波前曲率获得波前相位信 息。属于第类的有翦切干涉法，哈特曼夏克( h a r t m a n n s h a c k ) 法。h s 法 由于光能利用率较高，洲量波前动态范围大，不存在2 丌相位跳变，结构简单可 靠等优点，在目前的激光波前畸变校正中应用很广。 3 1 哈特曼夏克波前检测原理 3 1 1 哈特曼一夏克波前传感原理 哈特曼一夏克波前传感器工作原理如图31 1 所示。 图3 1 - 1 哈特曼一夏克传感器原理 入射光照射阵列波带片，如果是入射光是单色平行平面波，则在c c d 上得到 的光斑阵列位置与波带片单元位置一一对应，并且都对应于每一单元的中心位置； 当入射光相位面不是平面，由于各单元内光的传播方向垂直于该处的相位丽，在 c c d 上各光斑中心位置相对于平面波的情况将有一位移。设对应于第n 个单元 在x 、y 方向上的位移分别为a x 。，缈。，而且阵列波带片与c c d 之间的距离为波 带片的焦距r ，则设第n 个单元上的波矢在x ，y 方向的斜率为弘。，g y o ，由 四川i 大学硕士学位论文 简单的几何关系可得： j g x , ，= 止。i f i g 匕= 每。厂 ( 3 t 一1 ) 因此只要洲出缸。，缈。即可求出g 戈。，g r ，从而可以求得全孔径的位相分布。 3 1 2 哈特曼一夏克波前重构原理 对于哈特曼一夏克波前传感器，若以标准平面波作为参考光波，则不存在波 象差，w ( x ，y ) = 0 ，光斑中心与各予透镜的几何光轴重合。以此时焦面上的光斑 作为标准，若待测波前存在像差，w ( x ，y ) 0 ，光斑中心则偏离标准。测出此时 光斑相对于标准的坐标位置，即为局部横向几何像差，根据儿何像差与波像差的 关系，得到波像差的表达式，即像差斜率1 2 5 1 ia 缈出。 叫s ( 3 l - 2 ) l a 缈。 、 i a y 厂 利用得到的波前上的斜率矩阵，根据波前重构的方法，就能求出整个波前的 位相分布。 3 2 哈特曼夏克波前传感器探测误差分析 在h s 传感器中，被测波面被微透镜阵列分割，在焦平面上聚焦形成子光斑 阵列。由子光斑与参考光斑的质心距，可以得到子孔径波前斜率，由波前重构算 法可以恢复波前相位分布。因而所谓的h s 传感器探测误差主要指的是聚焦子光 斑阵列的质心测量误差，及主要由此引起的斜率误差，最后导致的重构波前误差。 到现在为止，对h s 传感器探测误差的分析已经进行了很多的工作，文献一。4 “ 从不同的角度讨论了h s 传感器探测误差的误差源及影响因素。 分析认为，h s 波前传感器的误差源有j i ”j ： 四川大学硕上学位论文 c c d 相机的读出噪声，包括前放和a d 转换噪声，基本上是一科高斯分 布的随机噤声，可以用方差仃，2 表示； 光子噪声，一种泊松分布的随机噪声： 背景暗电平，可简单当作常数； c c d 离散采样误差； c c d 像素的响应不均匀的固定形态噪声，可以标定补偿。 质心探测精度由以下因素决定： 予孔径内信号的总光电子数； 予孔径内暗背景的总和及信i 噪比： 每个像素读出噪声方差； 每个子孔径在c c d 上的探测窗口大小； 子光斑的强度分布及其等效高斯宽度； 暗背景的质心位置； 实际信号光斑质心与暗背景质心位置的距离。 从上述分析可以看出，背景电平和读i ： 噪声都极大的影响了探测精度，因为 决定波前传感器测量动态范围的像素数远大于信号光斑大小。如果将这一影响因 素减小，则波前传感器的质心探测精度将大为提高。可以通过设置一个阈值来减 小它的影响。理论分析发现【4 3 j ，设置闽值将减少上述的几个因素的影 响，且存在一个最佳圈值，即背景电平加上读出噪声的3 倍r m s 值，最佳阈值很 容易通过设置c c d 输出信号的偏值或处理算法来设定。 3 3 菲涅耳波带片理论分析 根据