液晶波前校正器中快速响应液晶材料的制备与应用研究

Liquid crystal (LC) wavefront corrector (WFC) is a novel optics device that can adjust optical wavefront aberration, and shows advantages of high pixel density, high reliability, good linearity, low cost, and so on, so that LC-WFC is very suitable for adaptive optics systems of large telescope. However, the shortcoming of LC-WFC is the long response time about 2 ms, and the response time of 1 ms is requested in the optical application, which block the progress of adaptive optics systems in telescope. In this project, the response performance of LC-WFC is analyzed via response time formula of liquid crystal device, the results indicate that the LC material with high birefringence and low viscosity will improve the response performance of device. The research content of this project consists of: designing fast response LC molecular by combining high birefringence chemical group and low viscosity chemical group, optimizing LC molecular structure by theoretical calculation of birefringence and viscosity, synthesizing the fast response LC materials, obtaining the optimal device parameters of LC-WFC by continuum elastic theory. Finally, The LC-WFC scheme with response time less than 1 ms will be obtained. The project will resolve the bottleneck problem of adaptive optics systems in large telescope, and has important application prospects and scientific significance.

液晶波前校正器是新型光学波前畸变及像差校正器件，具有像素密度高、可靠性好、线性度好、低成本，非常适用于4米以上大口径望远镜的自适应波前校正成像系统；但缺点是响应时间目前还长于约2 ms，而实用要求不能长于1 ms，严重阻碍了在望远镜自适应系统中的应用进展。本项目申请通过液晶器件的响应速度公式分析了影响波前校正器响应速度的主要因素，得出只有高△n和低粘度的液晶材料才能进一步提高器件的响应性能。在本项目的研究内容部分，通过将高Δn化学结构与低粘度化学结构相结合全新设计快速响应液晶材料，通过理论物理方法计算液晶材料Δn值、粘度值获得优化的快速液晶分子结构，通过有机化学方法合成目标液晶化合物，通过弹性连续体理论优化波前校正器的器件参数，最终制成亚毫秒快速响应的液晶波前校正器。本项目将解决大口径望远镜自适应系统的瓶颈问题，具有重要的应用前景与科学意义。

在自适应光学系统中应用时，液晶波前校正器要求必须具有快速响应特性，只有这样它才能实时对光波前进行调节，使望远镜及自适应系统获得预期的光学效果。液晶波前校正器的响应速度依赖于其中使用的液晶材料，在本项目中我们围绕着制备和应用快速响应液晶材料展开研究工作。首先，采用量子化学方法理论计算了系列液晶化合物的相态、粘度、双折射率，分析出了具有更优性能的高双折射率、低粘度液晶化合物分子结构；其次，采用有机化学方法制备了3类异硫氰酸酯液晶化合物，其双折射率一般都大于0.50；再次，利用这些快速响应液晶化合物制备了实用化混合液晶材料，其响应时间约为1.0ms；最后，采用液晶分子的指向矢运动理论分析了器件参数对于响应时间的影响。通过上述研究内容的实施，我们基本解决了液晶波前校正器响应速度慢（以前约10ms）的问题，扫除了液晶自适应光学系统中存在的瓶颈性障碍，使其进入工程化应用阶段。另外，本项目的材料、器件研究结果对其他类型的液晶光学器件响应性能的提高也具有指导意义。