關(guān)于對(duì)壓電片應(yīng)用的若干問題思考

劉江濤　蘭世平　黃泰坤　鐘康　周禹辰

【摘 要】對(duì)于雙壓電片來說，在其應(yīng)用上存在大量的問題。特別是變形反射鏡設(shè)計(jì)來說，通常作為波前矯正器，這主要是因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡單、而且變形量也較大，耗費(fèi)成本偏低等，這樣一來，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)變形鏡，從而大大降低自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)成本。為進(jìn)一步驗(yàn)證雙壓電片可行性以及反射鏡性能，本文是利用20單元試驗(yàn)樣鏡。而此樣鏡結(jié)構(gòu)為雙層壓電陶瓷，而其中一層作為整體離焦電極，主要用于校正大幅值離焦像差。通過試驗(yàn)表明，樣鏡離焦像差可以獲得高達(dá)8um以上校正量，此外，也可以適應(yīng)其它高階像差，然而，校正能力會(huì)因空間頻率的持續(xù)升高而不斷的降低，進(jìn)而顯現(xiàn)出適用于校正低階像差特性。同時(shí)，又對(duì)有效孔徑下的擬合能力進(jìn)行詳細(xì)的探討和分析。

【關(guān)鍵詞】雙壓電片；變形鏡設(shè)計(jì)；應(yīng)用；問題；探究

0.前言

近年來，經(jīng)過多年不斷的努力與發(fā)展，市場中出現(xiàn)多種類型變形鏡：其中比較常見的變形鏡為分離式層疊壓電變形鏡、基于MEMS的微變形鏡、雙壓電片變形鏡。然而，不同的變形鏡具有不同的特性，例如：分立式疊放壓電變形鏡盡管發(fā)展相對(duì)比較成熟，但由于其工藝相對(duì)十分復(fù)雜，再加上，制作周期相對(duì)較長，結(jié)構(gòu)偏大，因此，不利于系統(tǒng)小型化的發(fā)展。盡管MEMS變形鏡實(shí)現(xiàn)集成化，但由于變形量相對(duì)較小，通常用于校正小像差。與前兩種變形鏡相比較來說，雙壓電片變形鏡的結(jié)構(gòu)相對(duì)十分的簡單，而且成本消耗也較低，變形量 相對(duì)較大，所以，得到了廣泛的推廣和使用。

在西方發(fā)達(dá)國家來說，其雙壓電片變形鏡研究取得較大的進(jìn)步。然而，在中國，還沒有出現(xiàn)關(guān)于雙壓電片研制成功的報(bào)道。事實(shí)上，我國對(duì)于變形鏡研究工作起步較晚，到目前為止已經(jīng)研制出一塊樣鏡，本文主要對(duì)樣鏡性能測試加以深入的探討和分析，從而更好的解決壓電片應(yīng)用問題。

1.雙壓電片變形鏡設(shè)計(jì)和仿真分析

1.1概述

雙壓電片變形鏡結(jié)構(gòu)是把兩片壓電材料按照相反極化發(fā)現(xiàn)粘接在一起得到的。但是，因壓電材料具有橫向逆壓電效應(yīng)，因此，若在極化方向加入電壓，便會(huì)使壓電材料在沿著垂直極化的方向上出現(xiàn)伸展或者是收縮。假設(shè)兩壓電材料伸縮量不相同，那么便會(huì)使壓電片結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度的變形。針對(duì)此情況，可以對(duì)電壓加以控制，或者施加特定邊界條件，進(jìn)而對(duì)面形加以有效的控制。

在制作雙壓電片變形鏡的過程中，必須要對(duì)壓電材料的高光學(xué)質(zhì)量進(jìn)行拋光處理，然而，此項(xiàng)工作的難度相對(duì)較大。盡管當(dāng)前已經(jīng)對(duì)雙壓電片變形鏡結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多次修改，但是，依然很難達(dá)到反射鏡面的實(shí)際要求。

1.2各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)

在最初設(shè)計(jì)雙壓電片的開始階段，其設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)為完成對(duì)自適應(yīng)光學(xué)實(shí)驗(yàn)室光束凈化系統(tǒng)。當(dāng)前，雙壓電片鏡面的孔徑為30mm。同時(shí)，系統(tǒng)像差通常是因較差尺度低階像差，在通常情況下，要校正到Zernike的前15項(xiàng)中。然而，當(dāng)前，我們對(duì)低階校正幅度的要求非常高，尤其是離焦像差，如果選用分立式變形鏡，對(duì)離焦校正能力是十分有限的，但是，如果改換成雙壓電片變形鏡，那么便能夠充分發(fā)揮出此點(diǎn)優(yōu)勢。所以，在設(shè)計(jì)的開始階段，重點(diǎn)要觀察變形量大小。

對(duì)于分立式電極來說，在劃分時(shí)，通常要選用扇塊形狀。有公式證明：單點(diǎn)擊在外加單位電壓引起變形量和點(diǎn)擊面積平方是成正比關(guān)系的，由此看來，若單個(gè)電極面積不斷增大，那么在一定范圍內(nèi)所分布的電極數(shù)量相對(duì)就會(huì)大量的減少，而且空間頻率也會(huì)大大下降。因此，雙電壓電片變形鏡電極數(shù)量越多就會(huì)越好。因是第一塊樣鏡，為進(jìn)一步簡化加工工藝，設(shè)計(jì)人員將其劃分成三圈，總共包含19個(gè)分立式電極，而每個(gè)電極大小都必須遵循空間頻率相一致原則。

1.3有限元仿真

在各種結(jié)構(gòu)參數(shù)確定玩抽，借助有限元軟件ALGOR分析性能。這樣做的主要目的是要對(duì)各個(gè)分立電極產(chǎn)生的變形量和影響函數(shù)形狀加以深入的分析。并且，在建模階段，設(shè)計(jì)人員極其忽視粘接層以及電極層，這主要是因?yàn)殡p電壓材料比較薄，如果按照實(shí)際情況來建模，那么造成有限元件無法進(jìn)行求解。但是，加載條件卻完全按照模擬的情形：玻璃層外圈受到約束，在兩層壓電材料接地，而對(duì)驅(qū)動(dòng)電極施加200伏的電壓。

2.20單元雙壓電片變形鏡設(shè)計(jì)結(jié)果分析

2.1影響函數(shù)測量

使用連續(xù)并且能夠調(diào)節(jié)的高壓電源為電極是施加驅(qū)動(dòng)電壓，而對(duì)于鏡面的面形要由數(shù)字波干涉儀進(jìn)行測量。并且，在處理階段，要利用求差方法，換言之要用在200伏電壓下的面形減去不施加電壓的面形，便得出具體的數(shù)據(jù)。此種方法能夠消除測量過程中的系統(tǒng)誤差的出現(xiàn)。根據(jù)電極函數(shù)可以得出，對(duì)于同一圈的電極影響函數(shù)PV與RMS之間的差異都是在可接受范圍內(nèi)，由此得出，雙壓電片變形鏡的一致性相對(duì)較好。然而，依然存在其影響函數(shù)異常的情況，它的變形量相對(duì)較小，這主要是由于壓電材料性能不均勻所造成的。除此之外，對(duì)于單個(gè)電極影響函數(shù)PV值來說，除去焦電極之外，誤差都是在正負(fù)2um之下，這和傳統(tǒng)變形鏡變形量來說，相對(duì)較小，同時(shí)，針對(duì)對(duì)像差幅度偏大的系統(tǒng)都必須要從根本上提高變形量。從整體上來分析，20#電極影響函數(shù)是一個(gè)相對(duì)完美的離焦形狀，這是和最初的預(yù)期結(jié)果是相一致的。由此看來，對(duì)于獨(dú)立式的焦點(diǎn)極工作是極其有效的。

2.2擬合能力的探討

結(jié)合相關(guān)的擬合波面與影響函數(shù)都進(jìn)行Zernike分解，這樣一來，能夠獲得驅(qū)動(dòng)電壓。因在系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，整體位移并不會(huì)去系統(tǒng)性能產(chǎn)生一定的影響，但是其傾斜便可以通過傾斜鏡加以補(bǔ)償。因此，在擬合時(shí)，不需要考慮此項(xiàng)，而只對(duì)影響函數(shù)分解出Zernike系統(tǒng)由3—36項(xiàng)進(jìn)行擬合。除此之外，可以采用圓周固定的方式，鏡面邊緣部分自由度會(huì)受到一定的限制，因此，截取的“有效孔徑”對(duì)擬合性能測量會(huì)產(chǎn)生巨大的影響。在隨后的分析階段，我們分別取直接為30mm、23mm以及16mm三種有效孔徑對(duì)擬合性能加以深入分析。

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于不同的有效孔徑，其擬合幅值有較大的區(qū)別。例如：23mm的孔徑對(duì)Zernike像差擬合能力要遠(yuǎn)大于其它兩種孔徑。而受邊緣影響力最大的為有效孔徑為30mm。盡管16mm擬合幅值相對(duì)較小，但是其影響函數(shù)有效幅值卻十分低。

3.結(jié)論

對(duì)于試驗(yàn)樣鏡的順利制成，這標(biāo)志著壓電片工藝具有極其重要的可行性，并且性能測試都能夠清晰顯示出雙壓電片變形鏡通常適合用于校正低階像差中，若增大焦電極，可以提高對(duì)離焦像差校正能力。除此之外，通過有限元的分析結(jié)果盡管和實(shí)際值存在較大的差距，但是從樣鏡面形來分析，其吻合程度令人十分滿意。事實(shí)上，試驗(yàn)樣鏡依然存在較大的缺點(diǎn)，通常表現(xiàn)在壓電材料非線性滯后較大而造成的，這對(duì)閉環(huán)控制是非常不利的。另外，（下轉(zhuǎn)第28頁）（上接第7頁）對(duì)于樣鏡結(jié)構(gòu)和電極優(yōu)化來說，也需要我們采取有效的措施加以完善。在今后的工作者，要探索利用其它壓電材料制成另一種雙壓電片變形鏡，可以在本文結(jié)果利用有限元方法來進(jìn)行仿真優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)構(gòu)加以完善。 [科]

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