導讀波前校正器是自適應光學系統中的關鍵器件，而目前基于變形鏡或液晶光調制器的波前校正器在應用中都存在局限。南京郵電大學微流控光學技術研究中心趙瑞、梁忠誠等設計了一種基于介電潤濕效應的疊加式液體透鏡，通過軟件模擬分析并證明了其對含有曲率誤差、傾斜誤差和活塞誤差的畸變波前具有校正能力。該研究提供了一種小體積、高填充密度、無偏振依賴、高響應速度的波前矯正器設計方案。研究背景自適應光學(Adaptive optics, AO)是一項用于實時校正因大氣湍流引起的動態波前畸變，提升光學系統性能的技術，目前已在軍事與天文領域得到了廣泛的應用。自適應光學系統中的波前校正器能夠主動產生一個面型以補償所測得的波前誤差[1]，在系統性能、制造成本等方面具有決定性意義。

常見的波前校正器主要存在兩類：變形鏡與液晶光調制器。其中，變形鏡指在可獨立控制的能動器上加裝鏡面，通過加載電壓改變鏡面形狀，實現對光束相位的控制。目前對該類波前校正器的研究較為成熟，但高能耗、大體積、高成本等問題仍極大地限制了其應用。而液晶光調制器可通過外部加載電壓，使棒狀液晶分子旋向發生變化，改變折射率進而改變光程，實現對入射光束相位的調制。雖然該方案具有功耗低、精度高、體積小等諸多優點，但鑒于液晶材料的偏振依賴性、校正頻率低、響應速度慢等問題，研制體積小、填充密度高、響應速度快的空間調制器是產業及科研界的熱點內容。

液體透鏡由一種或多種液體制作而成，一般基于電潤濕(Electrowetting, EW)現象工作，通過控制外加電壓改變液體曲率來實現自動聚焦和光學變焦等功能。目前已在可變焦距、光束控制、室內照明及微型化等方面得到了應用。以液體透鏡作為波前校正器相較于變形鏡方案具有體積小、無機械運動、易于陣列化的優勢，可實現小體積的高密度填充；相較于液晶光調制器方案，又具有無偏振依賴性、響應速度快等優勢，因而具有較高的研究價值。本文摘要1. 設計了一種疊加式液體透鏡，能夠獨立控制三個不相溶液體的分界面，分析其對含有曲率誤差、傾斜誤差和活塞誤差的畸變波前的校正原理。 2. 采用COMSOL 軟件構建疊加式液體透鏡模型，仿真模擬了不同電壓組合下液體界面面型的變化情況，分析了工作電壓與雙液體界面面型的關系，獲得該疊加式液體透鏡內雙液體界面的變化范圍。 3. 采用ZEMAX 軟件，借助點擴散函數變化，分析并證明該透鏡對波前任意點處曲率誤差、傾斜誤差和活塞誤差具有校正能力。結構設計與工作原理

圖1. 疊加式液體透鏡結構示意圖。(a)液體透鏡結構；(b)當只對底層棱鏡單元施加電壓，(c)對底層與中層結構施加電壓，(d)對三層結構同時施加電壓時，液體界面變化情況 研究中所設計的疊加式液體透鏡如圖1所示。液體透鏡共三層，每層都可視為獨立的圓柱體子單元。每個子單元均由直徑為2 mm，高度為1 mm的玻璃腔體構成。腔體底部蓋片與內壁沉積電極，表面涂覆介電層。Liquid1與Liquid3為導電液體，兩者折射率差較大，而Liquid2為非導電液體，與兩種導電液體互不相溶。每個圓柱狀腔體中分別填充兩種液體，如圖1(a)所示，導電液體與非導電液體在腔體內形成液體界面，可通過控制側壁與底部（或頂部）電壓對界面面型進行控制，如圖1(b)~(d)所示。

圖2. 疊加液體透鏡畸變波前校正原理圖。(a)校正過程；(b)底層傾斜誤差校正；(c)中層曲率誤差校正；(d)頂層活塞誤差校正 圖2為疊加式液體透鏡用于波前校正的工作示意圖。圖2(a)中，存在畸變的初始波前通過疊加式液體透鏡，三個子單元的工作電壓可獨立控制，分別用于實現對傾斜誤差、曲率誤差和活塞誤差的補償與校正。圖2(b)∼(d)分別對應為每層單元通過控制液面面型變化對傾斜誤差、曲率誤差和活塞誤差的校正原理圖。仿真結果與數據分析1.工作電壓與雙液體界面面型分析

圖3. 疊加式液體透鏡界面面型圖。(a)自然狀態下液體界面；(b)施加電壓使三層液體界面呈平面；(c)改變底層電壓；(d)改變底層與中層電壓；(e)改變全部三層電壓 如圖3所示是利用COMSOL軟件對不同工作電壓下疊加式液體透鏡腔體內雙液體界面面型變化的仿真模擬結果圖。圖3(a)、圖3(b)分別顯示了液體透鏡處于初始狀態（即三層子單元腔體側壁均未施加電壓）和液體透鏡對波前畸變不具有校正能力（即三層子單元的雙液體界面均呈平面）時所加電壓值和液體界面面型圖。在圖3(b)基礎上通過對底層子單元施加工作電壓的調控，圖3(c)中的底層子單元腔體內的雙液體界面與水平方向形成一定夾角，說明液體透鏡可實現對傾斜誤差的校正。在此基礎上，圖3(d)中所示液體透鏡可實現對傾斜誤差及負曲率誤差的校正（即中間層腔體內雙液體界面由平面變成球面）；進一步，圖3(e)所示透鏡系統可以同時實現對傾斜誤差、負曲率誤差和相位滯后的校正（即在圖3(d)基礎上頂層腔體內雙液體界面變為凹面）。2.波前校正性能分析根據圖3分層式液體透鏡腔體內液體界面隨工作電壓的變化關系，將不同工作電壓下的雙液體界面曲率導入ZEMAX軟件中，進行波前校正性能分析。在ZEMAX軟件內建立疊加式液體透鏡系統，并在系統末端放置一個固體透鏡，用于光束會聚。

圖4. 系統光路圖。(a)理想狀態；(b)攜帶三種誤差；(c)三種誤差校正后 圖4為ZEMAX仿真光路圖。為避免液體透鏡系統自身產生像差，對三層子單元施加圖3(b)對應電壓，使三層子單元腔體內的雙液體界面均保持平界面，平行光入射后水平出射，由固體透鏡會聚于系統后方一點，如圖4(a)所示，此時波前為理想波前。保持電壓不變，分別引入活塞誤差、曲率誤差和傾斜誤差，理想波前發生畸變，光束焦距改變并偏離光軸，如圖4(b)所示。改變三層子單元上的工作電壓，對上述三種像差進行校正，最終使畸變波前再次恢復到近似理想狀態，如圖4(c)所示。

圖5.位相分布圖 圖5為畸變波前校正前后的位相分布圖。圖5(a)為理想波前，其峰谷值(Peak-to-Valley, PV)為0.0015λ，均方根值(Root Mean Square, RMS)為0.0004λ。引入三種像差后，波前發生畸變，PV值變為19.7853λ，RMS值增大到5.6638λ，如圖5(b)所示。將該畸變波前通過疊加式液體透鏡，依次對曲率誤差、傾斜誤差和活塞誤差進行校正，如圖5(c)~5(e)所示。校正完成時，波前PV值下降到0.18λ，RMS值減小到0.0355λ，如圖5(e)所示。可以看出，該液體透鏡系統實現了對三種像差的有效校正。

圖6.點擴散函數分布圖

圖6給出了畸變波前校正前后系統像面點擴散函數(Point Spread Function, PSF)的分布情況。圖6(a)顯示了波前為理想狀態時的點擴散函數圖，此時斯特列爾比(Strehl Ratio, SR)為1。引入像差后，系統的斯特列爾比接近0，如圖6(b)所示。接著，將存在三種像差的畸變波前依次進行校正，圖5(c)~5(e)的點擴散函數分布圖分別對應圖6(c)~6(e)。經過透鏡系統的校正后，系統能量由極度分散變得集中，PSF峰值明顯提高，斯特列爾比由開始的近乎零值變為0.962接近理想狀態。

結論該研究提出的基于介電潤濕效應的疊加式液體透鏡，可用于對畸變波前中的活塞誤差、曲率誤差和傾斜誤差進行校正。通過使用COMSOL與ZEMAX軟件進行仿真模擬，分析了液體界面面型和波前校正特性。經過該疊加式液體透鏡的校正后，畸變波前PV 值從19.7856λ減小到0.18λ，RMS 值對應地由5.6638λ減小到0.0355λ，斯特列爾比則從初始的接近0值提升到0.962。結果表明所提出的疊加式液體透鏡可以同時實現對不同類型波前畸變的補償與校正。

審核編輯 ：李倩