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61单元分立式压电变形反射镜的研制

 第10卷 第4期强激光与粒子束

V o l

.10,N o .4 1998年11月

H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E BEAM S

N ov .,1998 

61单元分立式压电变形反射镜的研制

Ξ

凌 宁 官春林 王 岚 曾志革 饶学军

(中国科学院光电技术研究所,成都,双流350信箱,610209)

摘 要 由于61单元自适应光学系统(AO )对分立式压电变形反射镜单元数(61单元)和变形量的要求超过以往研制的变形镜,从理论分析到工艺研究采取措施,研制成功了用于系统实验的变形镜,顺利地完成了AO 与跟瞄系统(A T P )的对接,提高了A T P 的跟瞄精度。 关键词 变形反射镜 自适应光学 研制工艺 中图分类号 TN 243.04

变形反射镜是自适应光学的关键器件之一,它区别于传统光学器件的特点是具有能动可控性,并具有高精度(分辨率为纳米级)、高速度(响应时间为亳秒级)、高频响应(>5kH z )等特性[1]。图1为61单元变形镜(DM 61)的驱动器排布图。极薄的光学反射镜同压电驱动器阵列相连,驱动器固定于刚度很大的基板上。当驱动器被施加正负电压时,会产生轴向伸缩,带动薄镜面形成正负变形以改变光波的位相,达到校正波前误差的目的。变形反射镜除有上述的特性外,最苛刻的要求是工作时要能够迅速改变面形以校正波前误差,而停止工作时又恢复到原有的面形精度。新研制的DM 61在单元数(61)和变形量(±3Λm )方面都超过了以前研制的变形镜,从而遇到了不少新的技术难点。我们采取以下措施来解决。

1 变形反射镜的强度分析

过去研制的19和21单元变形镜[1],使用的最大变形量仅为±1.5Λm ,虽然37单元变形镜的最大变形量允许达±3Λm ,但实际未使用到最大变形,而61单元变形镜首次用于AO 与A T P 实际对接并完成对大气湍流的实时校正时,校正量已达到±3Λm 。由于驱动器数量和变形量的增加,采用普通光学玻璃的反射镜镜面强度已不能满足要求。在±3Λm 满量程工作时,由于中

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61单元分立式压电变形反射镜的研制

F ig .1 A ctuato r arrangem en t

图1 DM 61的驱动器排列

F ig .2 T he schem atic diagram of stress distribu ti on fo r DM 61

图2 DM 61应力分布示意图

Ξ

国家863激光技术领域资助课题

1998年1月20日收到原稿,1998年6月1日收到修改稿。凌宁,女,1935年9月出生,博士生导师

心驱动器作用力过大引起反射镜镜面破损。为此,我们采用有限元法对变形镜面应力进行了计算分析。

由于变形镜镜面的直径 厚度比(大于30,厚度均匀、材料各向同性)较大,可采用力学中各向同性的弹性薄板理论来准确模拟。分析板的受力弯曲问题时,假定:板厚度方向无正应力,且厚度无变化;薄板在产生弯曲后,法线仍保持为薄板弹性曲面的法线;薄板中面上各点没有平行于中面的位移;挤压应力引起的形变可以不计。由此建立应变—扰度和应力—扰度关系,对计算中分割的每一单元节点,建立力和力矩平衡方程,联合求解结点位移,进而求出各单元应力[3]。

设中心驱动器产生工作所需的最大正变形,而相邻的驱动器有两种受力情况:产生最大负变形和仅由中心驱动器引起的弹性变形。两种材料的薄镜面性能参数[4,5]见表1,E,Θ,Λ,[Ρ]分别为弹性模量,材料密度,泊松比,和许用应力。

表1 DM61薄镜面的基本参数

Table1 The perfor mance param eters of DM61th i n m irror

diam eter th ickess actuato r distance actuato r diam eter m irro r EΘΛ[Ρ] mm mm mm mm m aterials GPa kg m-3 M Pa 5150316.412K4glass71.442.53×1030.21160~80 5150316.412quartz732.21×1030.1770~120 我们用A lgo r Feas有限元软件包[6]对薄镜面进行了计算和分析。以主应力中的最大拉应力Ρ作为评判强度的指标。当变形镜薄镜面采用K4玻璃而中心驱动器施加正最大变形量且相邻驱动器施加负最大变形量时,计算结果及其横截面如图2a、b所示。最大应力值列于表2。

表2 有限元法计算结果

Table2 The co m puted results of f i n ite ele m en t m ethod

m irro r m aterial K4glass K4glass quartz quartz

defo rm ati on of

cen ter actuato r Λm

+3.0+3.0+3.0+3.0

defo rm ati on of adjacen t actuato r Λm

determ ined by

elasticity defo rm ati on

-3.0

determ ined by

elasticity defo rm ati on

-3.0

compu ted m ax i m um

of pu lling stress 107Pa

3.0866.7463.0786.730

li m ited stress 107Pa6~86~87~127~12

从上面的计算结果可以得到以下结论:

(1)最大应力出现在薄镜面与中心驱动器连接域的边缘,这同理论分析和一些实际结果相符合。(2)当61单元变形镜的中心驱动器和相邻驱动器分别产生正、负最大变形量时,K4材料薄镜面的最大应力已达到或超过了该材料的许可应力[6](为安全取[Ρ]=60M Pa)。(3)当薄镜面材料选用石英玻璃时,最大应力值虽同采用K4材料时差不多。但石英玻璃的抗拉强度远大于K4玻璃。可以认为,选用石英玻璃作薄镜面材料可以满足镜面需要的最大变形量。

计算与实践均证明,普通光学玻璃用于61单元变形镜已不能满足强度的要求,我们改用了强度较高的石英玻璃,并对结构参数进行了优化。美国目前唯一生产变形反射镜的X inetics公司生产的变形镜也存在强度问题,因而要求相邻驱动器的相对变形小于2Λm,限制了对随机波前的校正能力。我们采用适当的材料解决了强度问题,因而在工作时可不受这个限制。

825强激光与粒子束第10卷

2 技术和工艺的改进

2.1 保证变形镜面型精度的技术措施

由于变形镜片刚度极小,玻璃支撑在61个驱动器上面,要求平面度在Κ 4以上,本身工艺上就有许多困难,而采用石英玻璃后,其膨胀系数较普通玻璃大大减小,破坏了原来器件各种材料膨胀系数的匹配,而实验场地环境的恶劣(温度起伏很大,冬天达到7°C )又加剧了变形镜面型迅速变坏(图3a ),几乎失去了校正波前误差的能力,使实验无法进行。我们及时地研制成功了恒温温控箱及控制电源,把变形镜置于温控箱内,明显地改善了面型精度(图3b ),保证了实验的正常进行

61单元分立式压电变形反射镜的研制

F ig .3 M irro r in terferogram at 14°C (a )and 23°C (b )

 图3 14°C (a )和23°C (b )

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时的镜面干涉图

F ig .4 M irro rs local erro r

图4 由驱动器及基座

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引起的镜面局部误差

F ig .5 O riginal su rface in terferogram 图5 DM 61的原始面形干涉图

在国外也同样存在变形镜受温度变化而影响面型精度的问题,本装置要比美国Ph ili p s 实验室采用的整个自适应光学系统置于恒温室内的方法要简单、便宜且实用。2.2 改进驱动器的筛选方法

DM 61从试验件到实用件已经研制了四块,由于驱动器数量的要求增加,对近400个驱动

器从研制到筛选需几年的时间,周期较长,难以满足需要。我们研制成功了高低温试验箱,大大加快了驱动器的筛选进度。2.3 解决精密光学加工的工艺方法

在光学镜面的精密加工过程中,由于口径增大及驱动器数量增加造成变形镜重量较大,抛光时使薄镜面产生变形(如图4),不能达到原来要求的平面度。我们研制了专用的加工工艺夹具,使抛光的切削量可控,保证了精密抛光的作用和镜面不因过重而变形。

3 变形反射镜的性能测试结果

原始面型为Κ 4(图5);在±250V 时的正负变形分别为+2.11和-2.18Λm ;响应时间为340Λs (图6a );谐振频率为8.6kH z (图6b );实验测得变形镜的影响函数曲线如图7,交连值为5.35%,在经验值4%~12%的范围内。

4 结 论

作为一种能动光学器件,变形镜的研制是光学、力学、高分子材料、精密计量等多门学科的综合。我们对实际应用中提出的要求和出现的问题,进行了分析、解决和试验,保证了DM 61能够正常工作,从而也保证了AO 与A T P 整个系统联接试验的顺利进行。应指出,随着不同AO 系统的产生,又会对变形镜提出新的要求,例如能承受高功率密度、增加单元数和变形量等。变

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25第4期凌 宁等:61单元分立式压电变形反射镜的研制

61单元分立式压电变形反射镜的研制

F ig .6 T he respon se ti m e (a )and frequency respon se cu rve (b )of DM 61图6 DM 61的响应时间(a )和频率响应曲线(b

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)

F ig .7 T he influence functi on cu rve of DM 61图7 DM 61的影响函数

形镜的研制工艺还会有很多技术难点需要解决。参考文献

1 凌宁、官春林.变形反射镜的发展.光电工程,1995,22(1):14~222 朱伯芳.有限元法原理与应用.北京:水利电力出版社,1979

3 曾志革、凌宁.分立式变形反射镜薄镜面的应力分析方法研究.光学精密工程,1997,5(5):21~294 李士贤、郑乐年.光学设计手册.北京:北京理工大学出版社,19905 张云兰、杜万程.非金属材料.北京:中国农业机械出版社,1983

6 朱以文等.有限元专用CAD 系统V izi Cad 及其使用.北京四通集团,1991

THE D EVELOP M ENT OF 61-EL E M ENT

D ISCRET

E P IEZ OEL ECTR I C D EFOR M AB L E M IRROR

L ing N ing , Guan Chun lin , W ang L ang , Zeng Zh ige , R ao Xuejun Institu te of Op tics &E lectron ics ,Ch inese A cad e m y of S ciences ,Cheng d u ,610209

ABSTRACT T he 612elem en t discrete p iezoelectric defo rm ab le m irro r (DM 61)is u sed to co rrect w ave 2

fron t erro rs

.A lo t of difficu lties are appeared in ou r developm en t w o rk s becau se the dem ads of DM 61now are mo re than that of the m irro r ,developed befo re such as elem en t num ber (61)and defo rm ati on (±3Λm ).M ethods are adop ted from theo ry analysis and techn ics investigati on to m ake the DM 61be u sed in the connec 2ti on of AO S and A T P to enhance the trace accu racy successfu lly .

KEY WOR D S defo rm ab le m irro r , adap tive op tics , techn ics investigati on

035强激光与粒子束第10卷