关于对压电片应用的若干问题思考

刘江涛　兰世平　黄泰坤　钟康　周禹辰

【摘 要】对于双压电片来说，在其应用上存在大量的问题。特别是变形反射镜设计来说，通常作为波前矫正器，这主要是因为它的结构相对比较简单、而且变形量也较大，耗费成本偏低等，这样一来，可以代替传统变形镜，从而大大降低自适应光学系统成本。为进一步验证双压电片可行性以及反射镜性能，本文是利用20单元试验样镜。而此样镜结构为双层压电陶瓷，而其中一层作为整体离焦电极，主要用于校正大幅值离焦像差。通过试验表明，样镜离焦像差可以获得高达8um以上校正量，此外，也可以适应其它高阶像差，然而，校正能力会因空间频率的持续升高而不断的降低，进而显现出适用于校正低阶像差特性。同时，又对有效孔径下的拟合能力进行详细的探讨和分析。

【关键词】双压电片；变形镜设计；应用；问题；探究

0.前言

近年来，经过多年不断的努力与发展，市场中出现多种类型变形镜：其中比较常见的变形镜为分离式层叠压电变形镜、基于MEMS的微变形镜、双压电片变形镜。然而，不同的变形镜具有不同的特性，例如：分立式叠放压电变形镜尽管发展相对比较成熟，但由于其工艺相对十分复杂，再加上，制作周期相对较长，结构偏大，因此，不利于系统小型化的发展。尽管MEMS变形镜实现集成化，但由于变形量相对较小，通常用于校正小像差。与前两种变形镜相比较来说，双压电片变形镜的结构相对十分的简单，而且成本消耗也较低，变形量 相对较大，所以，得到了广泛的推广和使用。

在西方发达国家来说，其双压电片变形镜研究取得较大的进步。然而，在中国，还没有出现关于双压电片研制成功的报道。事实上，我国对于变形镜研究工作起步较晚，到目前为止已经研制出一块样镜，本文主要对样镜性能测试加以深入的探讨和分析，从而更好的解决压电片应用问题。

1.双压电片变形镜设计和仿真分析

1.1概述

双压电片变形镜结构是把两片压电材料按照相反极化发现粘接在一起得到的。但是，因压电材料具有横向逆压电效应，因此，若在极化方向加入电压，便会使压电材料在沿着垂直极化的方向上出现伸展或者是收缩。假设两压电材料伸缩量不相同，那么便会使压电片结构发生不同程度的变形。针对此情况，可以对电压加以控制，或者施加特定边界条件，进而对面形加以有效的控制。

在制作双压电片变形镜的过程中，必须要对压电材料的高光学质量进行抛光处理，然而，此项工作的难度相对较大。尽管当前已经对双压电片变形镜结构进行了多次修改，但是，依然很难达到反射镜面的实际要求。

1.2各个设计参数

在最初设计双压电片的开始阶段，其设计的主要目标为完成对自适应光学实验室光束净化系统。当前，双压电片镜面的孔径为30mm。同时，系统像差通常是因较差尺度低阶像差，在通常情况下，要校正到Zernike的前15项中。然而，当前，我们对低阶校正幅度的要求非常高，尤其是离焦像差，如果选用分立式变形镜，对离焦校正能力是十分有限的，但是，如果改换成双压电片变形镜，那么便能够充分发挥出此点优势。所以，在设计的开始阶段，重点要观察变形量大小。

对于分立式电极来说，在划分时，通常要选用扇块形状。有公式证明：单点击在外加单位电压引起变形量和点击面积平方是成正比关系的，由此看来，若单个电极面积不断增大，那么在一定范围内所分布的电极数量相对就会大量的减少，而且空间频率也会大大下降。因此，双电压电片变形镜电极数量越多就会越好。因是第一块样镜，为进一步简化加工工艺，设计人员将其划分成三圈，总共包含19个分立式电极，而每个电极大小都必须遵循空间频率相一致原则。

1.3有限元仿真

在各种结构参数确定玩抽，借助有限元软件ALGOR分析性能。这样做的主要目的是要对各个分立电极产生的变形量和影响函数形状加以深入的分析。并且，在建模阶段，设计人员极其忽视粘接层以及电极层，这主要是因为双电压材料比较薄，如果按照实际情况来建模，那么造成有限元件无法进行求解。但是，加载条件却完全按照模拟的情形：玻璃层外圈受到约束，在两层压电材料接地，而对驱动电极施加200伏的电压。

2.20单元双压电片变形镜设计结果分析

2.1影响函数测量

使用连续并且能够调节的高压电源为电极是施加驱动电压，而对于镜面的面形要由数字波干涉仪进行测量。并且，在处理阶段，要利用求差方法，换言之要用在200伏电压下的面形减去不施加电压的面形，便得出具体的数据。此种方法能够消除测量过程中的系统误差的出现。根据电极函数可以得出，对于同一圈的电极影响函数PV与RMS之间的差异都是在可接受范围内，由此得出，双压电片变形镜的一致性相对较好。然而，依然存在其影响函数异常的情况，它的变形量相对较小，这主要是由于压电材料性能不均匀所造成的。除此之外，对于单个电极影响函数PV值来说，除去焦电极之外，误差都是在正负2um之下，这和传统变形镜变形量来说，相对较小，同时，针对对像差幅度偏大的系统都必须要从根本上提高变形量。从整体上来分析，20#电极影响函数是一个相对完美的离焦形状，这是和最初的预期结果是相一致的。由此看来，对于独立式的焦点极工作是极其有效的。

2.2拟合能力的探讨

结合相关的拟合波面与影响函数都进行Zernike分解，这样一来，能够获得驱动电压。因在系统实验中，整体位移并不会去系统性能产生一定的影响，但是其倾斜便可以通过倾斜镜加以补偿。因此，在拟合时，不需要考虑此项，而只对影响函数分解出Zernike系统由3—36项进行拟合。除此之外，可以采用圆周固定的方式，镜面边缘部分自由度会受到一定的限制，因此，截取的“有效孔径”对拟合性能测量会产生巨大的影响。在随后的分析阶段，我们分别取直接为30mm、23mm以及16mm三种有效孔径对拟合性能加以深入分析。

通过实验结果表明，对于不同的有效孔径，其拟合幅值有较大的区别。例如：23mm的孔径对Zernike像差拟合能力要远大于其它两种孔径。而受边缘影响力最大的为有效孔径为30mm。尽管16mm拟合幅值相对较小，但是其影响函数有效幅值却十分低。

3.结论

对于试验样镜的顺利制成，这标志着压电片工艺具有极其重要的可行性，并且性能测试都能够清晰显示出双压电片变形镜通常适合用于校正低阶像差中，若增大焦电极，可以提高对离焦像差校正能力。除此之外，通过有限元的分析结果尽管和实际值存在较大的差距，但是从样镜面形来分析，其吻合程度令人十分满意。事实上，试验样镜依然存在较大的缺点，通常表现在压电材料非线性滞后较大而造成的，这对闭环控制是非常不利的。另外，（下转第28页）（上接第7页）对于样镜结构和电极优化来说，也需要我们采取有效的措施加以完善。在今后的工作者，要探索利用其它压电材料制成另一种双压电片变形镜，可以在本文结果利用有限元方法来进行仿真优化，在此基础上对结构加以完善。 [科]

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