光致变形薄膜反射镜的面形控制及测量装置

摘要

光致变形薄膜反射镜的面形控制及测量装置，属于空间光学技术领域，为解决现有光致变形薄膜反射镜的面形控制及测量装置系统复杂，面形控制系统可靠性低和面形控制精度差等问题，本发明激光器发射的激光通过第一激光准直镜得到准直的激光，再通过自由空间光隔离器和偏振态控制器完成偏振方向和偏振态的调整，得到单偏振态的准直激光，该激光通过分光棱镜进入液晶空间调制器进行小角度偏转，再通过偏振旋转器改变偏转方向，而后经过双折射棱镜扫描输出到光致变形薄膜的表面完成薄膜拉伸变形，激光经过光致变形薄膜散射回来后经过双折射棱镜、偏振旋转器、液晶调制器和分光棱镜后进入第二激光准直镜，激光经过第二激光准直镜会聚到达光电探测器。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光致变形薄膜反射镜的面形控制及测量装置，属于空间光 学技术领域。

背景技术

以柔性薄膜为基底的空间反射镜（简称薄膜反射镜）以其成本低、收藏体 积小、可展开、重量轻等优点，很好地解决了大口径与发射重量及承载体积之 间的矛盾并满足了反射镜超大、超轻量的发展要求。其有关理论与技术研究近 几年发展很快，成为国内外空间技术领域的研究热点之一，在大型空间光学系 统、天线等领域显示出良好的应用前景。

现有的薄膜反射镜按所使用的外部作用力可以分为充气拉伸式、静电拉伸 式、底部拉伸式、光致变形式等几大类。其中光致变形薄膜反射镜结构简单、 成本低、双方位弯曲、形变量大、可靠性高，因而更适于在空间领域中实现超 大口径超轻量化。光致变形薄膜反射镜面形控制系统一般采用二维摆镜扫描经 准直后的激光到薄膜背面实现薄膜变形。但此类装置由于采用了二维摆镜,此类 运动部件在空间环境中使用将导致装置可靠性差且功耗大，另外二维摆镜转动 的精度有限且存在惯性,将很大程度限制薄膜反射镜面形控制精度。为了保证薄 膜面形，薄膜反射镜需要额外面形测量系统提供面形修正量，增加了薄膜反射 镜的系统复杂度。

现有技术见文献“Largeultra-lightweightphotonicmusclemembranemirror  telescope”SPIE，2008，7010:70102K，其结构如图1所示，该系统包括激光器 1、激光准直镜2、强度与相位调制器3、二维摆镜4、光致变形薄膜5和薄膜支 撑架6。激光器1发出的光经过激光准直镜2准直后通过二维摆镜4扫描到光致 变形薄膜5表面引起形变，将光致变形薄膜5面形控制到所需面形为止，薄膜 支撑架6用于提供预张力来保持薄膜初始面形。

该文献给出了面形控制系统结构图，该结构可以实现正常的薄膜反射镜成 形过程，不过正常工作中需要采用额外的面形测量系统向面形控制系统提供面 形修正量，增加了系统重量、体积和复杂程度。另外面形控制系统采用了二维 摆镜4来实现光束的扫描降低了系统的可靠性，二维摆镜4有惯性、功耗大且 转动精度有限，降低了薄膜反射镜的面形控制精度，限制薄膜反射镜在空间光 学等领域的应用。

发明内容

本发明为解决现有光致变形薄膜反射镜的面形控制及测量装置系统复杂， 面形控制系统中二维摆镜将导致系统可靠性低和面形控制精度差等问题，提出 了一种光致变形薄膜反射镜的面形控制及测量装置。

本发明采取以下技术方案：

光致变形薄膜反射镜的面形控制及测量装置，包括薄膜支撑架、光致变形 的薄膜、薄膜边界位移控制器、双折射棱镜、偏振旋转器、液晶空间光调制器、 分光棱镜、偏振态控制器、自由空间光隔离器、强度相位调制器、第一激光准 直镜、激光器、第二激光准直镜和光电探测器；

薄膜支撑架将光致变形薄膜周边固定并保持平面状态，采用薄膜边界位移 控制器调节薄膜边界位移量，进而调节薄膜预张力，从而完成薄膜初始状态的 保持；

激光器发射的激光通过第一激光准直镜得到准直的激光，准直激光通过强 度相位调制器、自由空间光隔离器和偏振态控制器完成强度、相位、偏振方向 和偏振态的调整，得到单偏振态的准直激光，该单偏振态的准直激光通过分光 棱镜进入液晶空间调制器进行小角度偏转，再通过偏振旋转器改变偏转方向， 而后激光经过双折射棱镜扫描输出到光致变形薄膜的表面完成薄膜拉伸变形， 从而完成薄膜面形控制过程；

激光经过光致变形薄膜散射回来后经过双折射棱镜、偏振旋转器、液晶调 制器和分光棱镜后进入第二激光准直镜，激光经过第二激光准直镜会聚到达光 电探测器，完成单点激光测距，通过多点测量后可拟合出薄膜拉伸变形量，与 理想面形作比较给面形控制系统提供面形修正量，从而完成薄膜面形的测量。

所述双折射棱镜、偏振旋转器和液晶空间光调制器用于实现激光大角度扫 描，其工作波段为365nm波段。

所述分光棱镜镀有365nm波段半透半反膜。

所述两个激光准直镜表面镀有365nm波段全透射膜。

所述自由空间光隔离器工作波长为365nm波段，用于隔离散射回光路的激 光。

所述强度相位调制器工作波段为紫外波段，用于调整激光的强度和相位。

所述激光器工作波长为365nm波段。

所述光电探测器为GaN探测器，其工作波段为近紫外波段可探测经过光致 变形薄膜散射回来的光，用于激光测距。

本发明的有益效果是：本发明利用面形控制和面形测量共用同一光路，将 薄膜反射镜面形测量系统结合到面形控制系统中，，从而实现轻小型、高可靠性、 高面形控制精度的光致变形薄膜反射镜。相比现有光致变形薄膜反射镜面形控 制系统，减少了独立的面形测量系统，降低了系统复杂度，系统结构紧凑、简 单。再者本发明采用双折射棱镜、偏振旋转器、液晶空间光调制器对准直后的 激光进行扫描达到面形控制目的,不使用二维摆镜提高了系统的可靠性且降低 功耗。另外由于液晶空间光调制器光束扫描精度高,不存在摆镜的惯性，也相应 提高了面形控制精度。本发明光致变形薄膜反射镜的面形控制及测量装置将在 空间天线、太阳帆等领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为现有薄膜反射镜面形控制结构示意图。

图2为本发明光致变形薄膜反射镜的面形控制及测量装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例作详细说明。

如图2所示，本发明光致变形薄膜反射镜的面形控制及测量装置，包括薄 膜支撑架7、光致变形的薄膜8、薄膜边界位移控制器9、双折射棱镜10、偏振 旋转器11、液晶空间光调制器12、分光棱镜13、偏振态控制器14、自由空间 光隔离器15、强度相位调制器16、第一激光准直镜17、激光器18、第二激光 准直镜19和光电探测器20。

薄膜支撑架7将光致变形薄膜8周边固定并保持平面状态，采用薄膜边界 位移控制器9调节薄膜边界位移量达到调节薄膜预张力的目的，从而完成薄膜 初始状态的保持。

激光器18发射的激光通过第一激光准直镜17得到准直的激光，准直激光 通过强度相位调制器16、自由空间光隔离器15和偏振态控制器14，完成强度、 相位、偏振方向和偏振态的调整，得到单偏振态的准直激光，该单偏振态的准 直激光通过分光棱镜13进入液晶空间调制器12进行小角度偏转，再通过偏振 旋转器11改变偏转方向，偏转方向决定光通过双折射棱镜10偏转的方向，激 光最终通过液晶空间光调制器12、偏振旋转器11和双折射棱镜10可实现光束 大角度偏转。而后光经过双折射棱镜10扫描输出到光致变形薄膜8的表面完成 薄膜拉伸变形，从而完成薄膜面形控制过程。

经过光致变形薄膜8散射回来的光经过双折射棱镜10、偏振旋转器11和液 晶调制器12和分光棱镜13后进入第二激光准直镜19，光经过第二激光准直镜 19会聚到达光电探测器20，完成单点激光测距，通过多点测量后可拟合出薄膜 拉伸变形量与理想面形作比较给面形控制系统提供面形修正量，从而完成薄膜 面形的测量。

本发明采用薄膜支撑架7属于碳纤维等有利于轻量化的材料。光致变形薄 膜8属于多畴光敏液晶弹性体材料，在光照下将有大形变量且随偏振光方向改 变而改变变形方向。薄膜边界位移控制器9能精确的控制薄膜边界位移。液晶 空间光调制器12属于传统液晶器件可以进行小角度的光束扫描，加上偏振旋转 器11和双折射棱镜10后可实现大角度（±10°以上）偏转。偏振态控制器14 属于波片类型，可调节激光偏振方向和偏振态。自由空间光隔离器15属于高隔 离度类型，防止散射回的光影响激光器工作性能。激光器18属于365nm的半导 体激光器或固体激光器，其性能为单频、高偏振度、高频率稳定性。光电探测 器20为氮化镓（GaN）探测器，接收波段与激光器18相匹配且有较高接收灵敏 度。

根据光致变形薄膜的响应特性选取相对应单频、高偏振度、高频率稳定性 的激光器18和高接收灵敏度的光电探测器20。

根据薄膜反射镜的尺寸及所要达到的面形及精度，计算光束扫描的角度， 进一步计算液晶空间光调制器12的尺寸，双折射棱镜10的厚度。

对分光棱镜13、第一激光准直镜17、第二激光准直镜19表面镀上365nm 波段的高透射膜，其中分光棱镜13中斜面镀365nm波段半透半反膜。

本发明可以得到光致变形薄膜反射镜的面形控制及测量装置，此装置将能 保证光致变形薄膜反射镜正常工作，并将使得光致变形薄膜反射镜在空间光学 等领域有着广泛应用。