CN102183354B - 基于光寻址液晶空间光调制器的湍流模拟装置 - Google Patents

Abstract

一种基于光寻址液晶空间光调制器的湍流模拟装置，其构成包括写入光和读出光，沿写入光方向依次是偏振片、TFT液晶屏、薄透镜、光寻址液晶空间光调制器和分光片，所述的读出光是由分光片入射的，所述的分光片与所述的读出光光束成45°，计算机经驱动模块与所述的TFT液晶屏相连，由计算机经驱动模块控制驱动TFT液晶屏的相位变化，对所述的写入光进行调制。本发明装置克服了普通电寻址液晶湍流模拟装置的分辨率限制、开口率较低等问题，同时也具有真实湍流的折射率连续分布等特点。

Description

基于光寻址液晶空间光调制器的湍流模拟装置

技术领域

本发明属于大气光学及自适应光学领域，涉及基于光寻址液晶空间光调制器的湍流模拟装置，可用于激光在大气或液体等湍流介质中传输特性实验仿真研究等。

背景技术

随着大气光学、光通信等技术的不断发展，大气湍流对光传输所引起的光学效应受到人们越来越广泛的关注。当激光在大气中传输时，大气湍流引起的相位随机起伏对光的传输造成了很大扰动，极大地影响了光电系统整体工作特性。因此有必要开展针对性的研究，进一步分析大气湍流对光电系统的影响因素，从中发现一些有价值的实验结果或实验现象，进一步为一些重要的光电系统设计提供重要的参考数据。

针对上述研究工作，目前已考虑的一种途径是开展现场实验，但由于大气光学的一些特点，现场实验费时费力，成本高并且实验数据难以采集，实验条件难以重复确认，因而没有被广泛采用。另一种途径是通过气体、液体以及基于微加工技术的相位屏来模拟大气湍流。其中，气体和液体方法是利用其本身对流形成的，原理简单，但具有重复性差、难散热、强度不易于控制等缺点；而基于微加工技术的相位屏则是将湍流的相位畸变刻蚀在玻璃基板上，在试验中一般通过旋转相位屏来模拟大气湍流特点，其固有的缺点是相位变化固定，旋转波面具有周期性，这也与实际情况的差距较大。

此外，有人也提出了一种途径，即利用液晶优异的电光特性来模拟大气湍流，一般采用改变电压来控制液晶的折射率。由于液晶光调制器结构具有可编程驱动、与集成电路匹配、成本低、可动态调制等优点，可能会成为湍流特征模拟器未来的技术发展趋势之一。国际上已有多家单位都开展了这方面的研究工作，例如，美国海军实验室的ChristopherC.Wilcox等【Christopher C.Wilcox et al..New developments inliquid crystals[M].Intech，2009，71～92】，中国长春光机所胡立发等【Lifa Hu et al..A liquid crystal atmospheric turbulencesimulator[J].OPTICS EXPRESS，2006，14(25)，11911～11918】，都成功了实现利用液晶空间光调制器来模拟大气湍流。但上述研究工作中，目前所利用液晶空间光调制器来模拟大气湍流都是使用传统的电寻址方法，即一对相邻的行电极和一对相邻的列电极之间的区域构成像素。电寻址是通过条状电极来传递信息的，电极尺寸的减少有一个限度，所以像素尺寸也有限度，即有一个分辨率极限，并且由于电极本身不透明，所以像素的有效通光面积与像素总面积之比即开口率较低，对实际结果也有一定影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于光寻址液晶空间光调制器的湍流模拟装置，该装置可以克服分辨率极限，形成折射率连续动态可调的湍流模拟装置。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于光寻址液晶空间光调制器的湍流模拟装置，特点在于其构成包括写入光和读出光，沿写入光方向依次是偏振片、薄膜场效应晶体管(Thin Film Transistor，简称为TFT)液晶屏、薄透镜、光寻址液晶空间光调制器和分光片，所述的读出光是由分光片入射的，所述的分光片与所述的读出光光束成45°，计算机经驱动模块与所述的TFT液晶屏相连，其中偏振片、TFT液晶屏、驱动模块、计算机、薄透镜构成了写入光装置，所述的TFT液晶屏的结构依次是：第一玻璃基板、第一透明导电膜、黑矩阵、第一液晶取向层、液晶层、第二液晶取向层、第二透明导电膜、TFT阵列、第二玻璃基板，一稳压交流电源接在所述的第一透明导电膜和第二透明导电膜上，由计算机经驱动模块控制驱动TFT液晶屏的相位变化，对所述的写入光进行调制；

所述的光寻址液晶空间光调制器的结构依次是：第一玻璃基板、第一透明导电膜、光敏层、隔光层、多层介质膜反射镜、第一液晶取向层、液晶层、第二液晶取向层、第二透明导电膜和第二玻璃基板，一稳压交流电源接在第一透明导电膜和第二透明导电膜上；

所述的薄透镜的位置能将所述的TFT液晶屏的液晶层平面成像在所述的光寻址液晶空间光调制器的光敏层上，由光敏层接收被所述的TFT液晶屏的液晶层相位变化调制后的写入光，使所述的光敏层的电阻产生相应的变化，从而改变所述的液晶层的电压，使所述的液晶层实现动态调节液晶的分子排列而写入相关的相位信息，进而对输出光进行调制，使经所述的分光片反射输出具有所述的相位信息的输出光。

所述的输出光是由读出光透过所述的分光片、所述的光寻址液晶空间光调制器的第二玻璃基板、第二透明导电膜、第二液晶取向层、液晶层、第一液晶取向层至多层介质膜反射镜而被多层介质膜反射镜反射后又经第一液晶取向层、液晶层、第二液晶取向层、第二透明导电膜和第二玻璃基板再射向分光片，被该分光片反射输出的光。

所述的TFT液晶屏的相位变化是由计算机湍流波前的计算软件根据大气湍流的Kolmogorov模型与大气折射率结构常数

利用谱反演法产生的随机位相分布。

隔光层用来隔离写入光与输出光，防止串扰，多层介质膜反射镜用于反射输出光。

所述的计算机(4)配有湍流波前的控制软件，其硬件的基本配置要优于：CPU2.0G，内存512M，硬盘60G。

所述的湍流控制软件是采用谱反演法，我们首先推导相位屏S的二维频谱F_s与折射率的空间谱密度φ_f的关系，然后利用Kolmogorov模型得到F_s的具体表达式，最后用此功率谱对一高斯随机数矩阵滤波并进行逆傅里叶变换得到相位屏的空间分布。

在三维坐标空间中，对于随机函数f、相关函数B_f和三维空间谱密度

的关系为傅里叶变换：

$B_f(r_1-r_2)=\∫\∫\∫{\mathrm{\φ}}_f\left(K\right)e^{\mathrm{iK}\·(r_1,r_2)}\mathrm{dK}$

其中：K为三维空间波数，K_x＝2π/x，K_y＝2π/y，K_z＝2π/z，当r₁，r₂位于z＝const的平面内，我们用ρ₁，ρ₂表示，有

$B_f({\mathrm{\ρ}}_1-{\mathrm{\ρ}}_2)=2\mathrm{\π}\∫\∫{\mathrm{\φ}}_f(K,K_z=0)e^{\mathrm{iK}\·({\mathrm{\ρ}}_1,{\mathrm{\ρ}}_2)}{d}^{2}K$

一个相位屏内的相位相关函数B_s与该相位屏所代表的平板内的折射率相关函数的关系为：

B_s(ρ₁-ρ₂)＝κ²∫∫<n₁(ρ₁，z)n₁(ρ₂，z′)>dzdz′

其中：κ＝2π/λ，相位屏内的相位相关函数B_s与其三维空间相关函数B_f的关系为：

$B_s({\mathrm{\&rho;}}_1-{\mathrm{\&rho;}}_2)={\mathrm{\&kappa;}}^2\mathrm{\&Delta;z}{B}_f({\mathrm{\&rho;}}_1-{\mathrm{\&rho;}}_2)=2\mathrm{\&pi;}{\mathrm{\&kappa;}}^2\mathrm{\&Delta;z}{\&Integral;\&Integral;\mathrm{\&phi;}}_f(K,K_z=0)e^{\mathrm{iK}({\mathrm{\&rho;}}_1,{\mathrm{\&rho;}}_2)}{d}^{2}K$

其中：Δz为相位屏厚度，相位相关函数B_s和二维空间谱密度F_s的关系为：

$B_s({\mathrm{\&rho;}}_1-{\mathrm{\&rho;}}_2)={\&Integral;\&Integral;F}_s\left(K\right)e^{\mathrm{iK}({\mathrm{\&rho;}}_1,{\mathrm{\&rho;}}_2)}{d}^{2}K$

所以相位屏S的二维频谱F_s与折射率的空间谱密度φ_f的关系为：

F_s(K_x，K_y，z)＝2πκ²Δzφ_f(K_x，K_y，K_z＝0，z)

采用Kolmogorov模型作为折射率功率谱密度

${\mathrm{\&phi;}}_f(K,z)=0.033C_n^2\left(z\right)K^{-11/3}$

根据相位屏S的二维频谱我们可以在相位空间构造一个二维复随机场φ_nm＝a_nm+ib_nm，其中a_nm和b_nm是不相关的，且均值为0的高斯随机变量，它们的方差为：

<a²(n，m)>＝<b²(n，m)>＝Δk_xΔk_yF_s(nΔk_x，mΔk_y，z)

对这个复数随机场进行快速傅里叶变换，就可以产生一系列的实数{θ_jl}，这就产生了一个空间相位屏：

$\mathrm{\&theta;}(\mathrm{j\&Delta;x},\mathrm{l\&Delta;y})=\underset{n=-N_x/2}{\overset{N_x/2-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{m=-N_y/2}{\overset{N_y/2-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}[a(n,m)+\mathrm{ib}(n,m)]\&times;\exp \left[2\mathrm{\&pi;i}(\mathrm{jn}/N_x+\mathrm{lm}/N_y)\right]$

其中：Δx×Δy是坐标空间的单元格大小，N_x，N_y分别是坐标空间坐标轴上的分割数，L_x×L_y＝N_xΔx×N_yΔy是坐标空间相屏的大小。Δk_x×Δk_y＝(2π/L_x)(2π/L_y)是频谱空间单元格大小。

本发明装置的整个工作过程为：首先由计算机湍流软件计算出相位屏分布，并通过驱动模块加载至TFT液晶屏，再用左边入射的写入光穿过TFT液晶屏并被薄透镜成像于基于光寻址的液晶空间光调制器的光敏层上，由于光敏层电阻随光强增大而减小，且与液晶层串联，从而可以实现动态调节液晶的分子排列而写入相位信息，最后右边入射的读出光通过基于光寻址的液晶空间光调制器读出此相位信息再反射回来成为输出光从分光片反射出去。

本发明与现有技术相比的优点在于：

传统基于电寻址液晶空间光调制器的湍流模拟装置，由于电极尺寸的减少有一个极限，造成了分辨率存在一个极限，并且由于电极本身不透明，使得像素的有效通光面积与像素总面积之比-开口率较低。本发明是基于光寻址液晶空间光调制器的湍流模拟装置，由于采用通过光照光敏层来调节电阻的方式，使其消除了电极尺寸的影响，故而理想状态下不存在分辨率极限，并且折射率连续动态可调，开口率高，更加接近真实的湍流。

附图说明

图1是本发明基于光寻址液晶空间光调制器的湍流模拟装置结构示意图

图2是本发明中TFT液晶屏的结构示意图

图3是本发明中光寻址液晶空间光调制器的结构示意图

图中：1-偏振片、2-TFT液晶屏、3-驱动模块、4-计算机、5-薄透镜、6-光寻址液晶空间光调制器、7-分光片、21-上玻璃基板、22-第一透明导电膜、23-黑矩阵、24-第一液晶取向层、25-液晶层、26-第二液晶取向层、27-第二透明导电膜、28-TFT阵列、29-下玻璃基板、61-上玻璃基板、62-第一透明导电膜、63-光敏层、64-隔光层、6-5多层介质膜反射镜、66-第一液晶取向层、67液晶层、68-第二液晶取向层、69-第二透明导电膜、610-下玻璃基板。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的变化范围。

先请参阅图1，图1是本发明基于光寻址液晶空间光调制器的湍流模拟装置结构示意图，由图可见，本发明基于光寻址液晶空间光调制器的湍流模拟装置，其构成包括写入光和读出光，沿写入光方向依次是偏振片1、TFT液晶屏2、薄透镜5、光寻址液晶空间光调制器6和分光片7，所述的读出光是由分光片7入射的，所述的分光片7与所述的读出光光束成45°，计算机4经驱动模块3与所述的TFT液晶屏2相连，其中偏振片1、TFT液晶屏2、驱动模块3、计算机4、薄透镜5构成了写入光装置，所述的TFT液晶屏2的结构依次是：第一玻璃基板21、第一透明导电膜22、黑矩阵23、第一液晶取向层24、液晶层25、第二液晶取向层26、第二透明导电膜27、TFT阵列28、第二玻璃基板29，一稳压交流电源接在所述的第一透明导电膜22和第二透明导电膜27上，由计算机4经驱动模块3控制驱动TFT液晶屏2的相位变化，对所述的写入光进行调制；

所述的光寻址液晶空间光调制器6的结构依次是：第一玻璃基板61、第一透明导电膜62、光敏层63、隔光层64、多层介质膜反射镜65、第一液晶取向层66、液晶层67、第二液晶取向层68、第二透明导电膜69和第二玻璃基板610，一稳压交流电源接在第一透明导电膜62和第二透明导电膜69上；

所述的薄透镜5的位置能将所述的TFT液晶屏2的液晶层67平面成像在所述的光寻址液晶空间光调制器6的光敏层63上，由光敏层63接收被所述的TFT液晶屏2的液晶层67相位变化调制后的写入光，使所述的光敏层63的电阻产生相应的变化，从而改变所述的液晶层67的电压，使所述的液晶层67实现动态调节液晶的分子排列而写入相关的相位信息，进而对输出光进行调制，使经所述的分光片7输出具有所述的相位信息的输出光。

所述的写入光和读出光采用激光入射，以800nm为例：

所述的偏振片1：通光孔径为25.4mm，厚度为7.35mm，表面平整度优于二十分之一波长，偏振方向平行于写入光的偏振方向。

所述的TFT液晶屏：结构依次是第一玻璃基板21、第一透明导电膜22、黑矩阵23、第一液晶取向层24、液晶层25、第二液晶取向层26、第二透明导电膜27、TFT阵列28、第二玻璃基板29。透明导电膜材料为氧化铟锡(简称ITO)，两个透明导电膜之间连接一台交流稳压电源。液晶取向层的材料为聚酰亚胺，方向与偏振片的偏振方向成45度夹角，液晶层为向列型，层厚5μm。

所述的驱动模块3：具有64个灰度级的电压控制分度值。

所述的计算机4：其硬件的基本配置要优于：CPU2.0G，内存512M，硬盘60G。

所述的薄透镜5：反射率小于1％，焦距为22mm，其位置需满足如下要求：将TFT液晶屏后平面成像至光寻址液晶空间光调制器的光敏层。

所述的光寻址液晶空间光调制器6：结构依次是，第一玻璃基板61、第一透明导电膜62、光敏层63、隔光层64、多层介质膜反射镜65、第一液晶取向层66、液晶层67、第二液晶取向层68、第二透明导电膜69和第二玻璃基板610。透明导电膜材料为氧化铟锡(简称ITO)，两个透明导电膜之间连接一台交流稳压电源。光敏层的电导率随写入光光强的增大而增大，材料为聚乙烯基咔唑(简称PVK)。隔光层材料为碲化镉(CdTe)，用于隔离写入光与读出光，防止串扰。多层介质膜反射镜材料为硼硅酸盐冕牌玻璃(简称BK7)，用于反射读出光。液晶取向层的材料为聚酰亚胺，方向与偏振片的偏振方向成45度夹角，液晶层为向列型，液晶的双折射率Δn与液晶层厚度d满足关系：2dΔn＝λ。

所述的分光片7的反射率和透过率各为50％，面精度优于四分之一波长。

实验表明：本发明装置可以克服分辨率极限，形成折射率连续动态可调的湍流。

Claims (3)

1.一种基于光寻址液晶空间光调制器的湍流模拟装置，特征在于其构成包括写入光和读出光，沿写入光方向依次是偏振片(1)、TFT液晶屏(2)、薄透镜(5)、光寻址液晶空间光调制器(6)和分光片(7)，所述的读出光是由分光片(7)入射的，所述的分光片(7)与所述的读出光光束成45°，计算机(4)经驱动模块(3)与所述的TFT液晶屏(2)相连，其中偏振片(1)、TFT液晶屏(2)、驱动模块(3)、计算机(4)、薄透镜(5)构成了写入光装置，所述的TFT液晶屏(2)的结构依次是：第一玻璃基板(21)、第一透明导电膜(22)、黑矩阵(23)、第一液晶取向层(24)、第一液晶层(25)、第二液晶取向层(26)、第二透明导电膜(27)、TFT阵列(28)、第二玻璃基板(29)，一稳压交流电源接在所述的第一透明导电膜(22)和第二透明导电膜(27)上，由计算机(4)经驱动模块(3)控制驱动TFT液晶屏(2)的相位变化，对所述的写入光进行调制；

所述的光寻址液晶空间光调制器(6)的结构依次是：第三玻璃基板(61)、第三透明导电膜(62)、光敏层(63)、隔光层(64)、多层介质膜反射镜(65)、第三液晶取向层(66)、第二液晶层(67)、第四液晶取向层(68)、第四透明导电膜(69)和第四玻璃基板(610)，一稳压交流电源电源接在第三透明导电膜(62)和第四透明导电膜(69)上；

所述的薄透镜(5)的位置能将所述的TFT液晶屏(2)的第二液晶层(67)平面成像在所述的光寻址液晶空间光调制器(6)的光敏层(63)上，由光敏层(63)接收被所述的TFT液晶屏(2)的第二液晶层(67)相位变化调制后的写入光，使所述的光敏层(63)的电阻产生相应的变化，从而改变所述的第二液晶层(67)的电压，使所述的第二液晶层(67)实现动态调节液晶的分子排列而写入相关的相位信息，进而对输出光进行调制，使经所述的分光片(7)输出具有所述的相位信息的输出光。

2.根据权利要求1所述的基于光寻址液晶空间光调制器的湍流模拟装置，特征在于其所述的输出光是由读出光透过所述的分光片(7)、所述的光寻址液晶空间光调制器(6)的第四玻璃基板(610)、第四透明导电膜(69)、第四液晶取向层(68)、第二液晶层(67)、第三液晶取向层(66)至多层介质膜反射镜(65)而被多层介质膜反射镜(65)反射后又经第三液晶取向层(66)、第二液晶层(67)、第四液晶取向层(68)、第四透明导电膜(69)和第四玻璃基板(610)再射向分光片(7)，被该分光片(7)反射输出的光。

3.根据权利要求1所述的基于光寻址液晶空间光调制器的湍流模拟装置，其特征在于所述的TFT液晶屏(2)的相位变化是由计算机(4)湍流波前的计算软件根据大气湍流的Kolmogorov模型与大气折射率结构常数

利用谱反演法产生的随机位相分布。

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