Электродинамика модального жидкокристаллического корректора волнового фронта. Теория и эксперимент

В настоящее время для задач адаптивной оптики представляют значительный интерес жидкокристаллические (ЖК) фазовые пространственно-временные модуляторы света. Разработаны и успешно реализованы на основе модального принципа управления такие устройства как модальные сферические и цилиндрические линзы [1] и модальный многоканальный ЖК корректор волнового фронта [2]. Одно из главных достоинств этих устройств заключается в расширении возможностей управления параметрами модуляторов посредством изменения амплитуды и частоты прикладываемого напряжения. Данная работа посвящена изучению интегральных параметров модального многоканального ЖК корректора волнового фронта, разработанного и реализованного в Самарском госуниверситете и Самарском филиале ФИАН. Впервые теоретически и экспериментально исследован комплексный импеданс модального корректора и получено хорошее соответствие между теоретическими и экспериментальными результатами.

Принцип работы модального многоканального корректора и основные уравнения, описывающие его модель, приведены в [1]. С помощью этих уравнений мы рассчитали адмиттанс корректора между центральным и низкоомным электродами:

Из формулы (1) видно, что адмиттанс сильно зависит от диэлектрической проницаемости ЖК. Изучение свойств используемого в корректоре ЖК на частотах питающего напряжения свыше 1 кГц было сделано в работе [3]. Но разработанный и реализованный на данный момент корректор управляется при помощи сигнала в диапазоне частот от 40 Гц до 5 кГц. В области 40 - 500 Гц оказывает существенное влияние проводимость ЖК, связанная с нестационарным дрейфом ионов [4], а в области более высоких частот - дебаевская релаксация. Поэтому теоретическая модель, используемая нами для описания свойств ЖК, учитывает и вклад дебаевского механизма релаксации, и вклад ионной проводимости.

Применяя данную модель, нам удалось правильно описать поведение диэлектрической проницаемости ЖК. Используя полученные результаты, был проведен расчет параметров модального многоканального корректора.

Анализ экспериментальных зависимостей емкости и сопротивления корректора от действующего значения управляющего напряжения проводился на основе построенной теории комплексного импеданса корректора (1). На рисунке представлены зависимости емкости и сопротивления корректора от частоты управляющего напряжения подаваемого на центральный электрод многоканального корректора. Сплошными линиями изображены результаты теоретических расчетов в приближении постоянного импеданса слоя ЖК, а точками - экспериментально измеренные значения. Измерения проводились при действующих значениях напряжений меньших порогового. В этом случае не происходит переориентации молекул ЖК, и его диэлектрическая проницаемость остается постоянной на всей апертуре корректора. Поэтому в расчетах было использовано приближение постоянного импеданса.

Хорошее согласие между расчетными и экспериментальными данными, позволяет сделать следующие выводы. В диапазоне частот от 40 Гц до 5000 Гц в ёмкостные и резистивные характеристики ЖК существенный вклад вносит нестационарный дрейф ионов. Эквивалентная емкость корректора изменяется сильнее, чем его эквивалентное сопротивление. Полученные результаты будут учтены при моделировании реального многоканального корректора и при разработке его методов управления.

Литература: