水冷压电变形镜的设计与制备

摘要

自适应光学系统中，用作波前像差校正器的变形镜可以经过实时地变化自身反射镜面的面型对光学系统中存在的波前畸变进行补偿与校正，在天文学、视网膜成像、空间遥感与侦查卫星、生物显微镜、高能激光等领域应用广泛。当今，比较常见的变形镜有静电薄膜变形镜、电磁变形镜、压电堆栈变形镜以及压电片式变形镜。自适应光学系统可应用在高能激光系统上，进行激光系统的腔内与腔外的光束净化。然而，在高能激光领域中，激光对自适应光学系统的热沉积将使变形镜温度升高，进而产生一定的热应力，影响变形镜对像差的校正性能，甚至使得镜面温升过高而导致变形镜元器件损伤。作为自适应光学系统中的一个关键部件，变形镜在使用中应该具有足够的热稳定性。本文以单压电片变形镜为结构基础，以设计大变形量、高校正精度、强冷却能力的变形镜为目标，对一种水冷式单压电片变形镜进行研究。具体研究工作如下： （1）水冷式单压电变形镜的仿真优化。根据高能激光场合对变形镜的要求，研究设计了一种水冷式的单压电片变形镜。变形镜正面有效口径区域由口径边缘致动器驱动，反面与冷却水接触，可实现冷却液与电气连接的物理分离。使用有限元法建立变形镜的仿真模型，研究变形镜结构参数对其校正能力的影响，优化了变形镜的电极尺寸和用于光束校正的有效口径大小，并对优化的变形镜做进一步的校正能力分析，最后确定了变形镜的结构参数。为初步分析变形镜在高能激光场合下的稳定性，使用有限元方法分析了变形镜的冷却能力，仿真预测了变形镜在激光直射下其温度变化情况以及热变形情况。仿真结果显示变形镜能够在10kW级别的激光照射条件下稳定工作，温升仅至53℃，变形量不超过0.6μm。 （2）水冷式单压电片变形镜的制备。根据仿真优化设计的指导，制备了水冷式单压电片变形镜原型样机。介绍了变形镜的制备流程，描述了制备过程中影响变形镜性能的重要步骤。对变形镜压电片内圈边缘的烧蚀情况进行了检测，得到了较好的激光切割质量。使用了合理的夹具配置、常温固化方案、石英圆环固支方式以及封装设计等方式，制备了性能良好的变形镜原型样机。 （3）水冷式单压电片变形镜的性能表征。首先介绍了自适应光学测试平台，使用自适应光学测试平台对制备的变形镜样机进行性能测试。实验测得了变形镜的影响函数和初始镜面形貌，并对变形镜的初始面型实验校平。测试结果显示15mm有效口径校平后残余误差RMS测试结果仅26nm。实验对前14项Zernike像差进行了重构，结果显示在±50V电压范围内，变形镜对斜像差（Z1/Z2）、像散像差（Z3/Z5）、离焦像差（Z4）、慧差（Z7/Z8）的重构PV值约分别达到40μm、24μm、18.7μm、6μm，重构能力良好。对前9项Zernike像差进行重构后的归一化残余误差小于3.2%，校正精度较高。最后模拟实际使用情况，对变形镜进行了冷却液加载实验，加注冷却液后产生的水压对变形镜初始面型仅产生以离焦、像散为主的低阶像差，初始面型RMS值增加至1.33μm，校平后残余误差为42nm，校平镜面所消耗的最大电压差值约20V，变形镜仍保留有较强的重构能力，满足变形镜的使用需求。

目录

声明

1绪论

1.1自适应光学原理

1.2自适应光学的应用

1.3变形镜概述

1.4水冷变形镜研究现状

1.5本文内容及结构

2.1变形镜的结构设计

2.2变形镜的控制算法

（1）影响函数矩阵法

（2）最速下降法

2.3变形镜结构仿真优化

2.3.1变形镜的有限元建模

2.3.2变形镜结构参数优化

2.4变形镜的校正能力分析

2.5变形镜热仿真分析

2.6变形镜固有频率分析

2.7本章小结

3.1变形镜工艺流程

3.2变形镜制备重要步骤

3.3本章小结

4.1自适应光学测试平台

4.2变形镜校正性能表征

4.2.1影响函数测试

4.2.2初始面型及校正

4.2.3重构能力测试

4.3冷却液对面型影响分析

4.4厚硅片的变形镜性能表征

4.5本章小结

5.1总结

5.2展望

参考文献

在学研究成果

致谢