ФАЗОВЫЙ МОДУЛЯТОР ВОЛНОВОГО ФРОНТА Российский патент 1997 года по МПК G02F1/00 

Изобретение относится к области оптики и предназначено для использования в качестве исполнительного устройства в адаптивных оптических системах.

Известно пьезоэлектрическое исполнительное устройство системы управления оптическим лучом [1] Устройство содержит пластину из пьезоэлектрического материала с электродами, нанесенными на торцевые плоскости. Приложение электрического поля к пластине вызывает изменение ее толщины вследствие продольного пьезоэффекта. Устройство осуществляет фокусировку мощного лазерного луча, обладает высоким быстродействием, но, вследствие малой толщины пьезоэлемента обеспечивает малое перемещение зеркала, что не позволяет изменять фазу волнового фронта в интервале, достаточном для эффективной компенсации атмосферных искажений в информационных системах.

Известен фазовый модулятор волнового фронта [2] Устройство содержит деформируемое зеркало, жесткое основание и пьезоэлементы, размещенные между зеркалом и основанием. Пьезоэлементы, использующие продольный пьезоэффект, представляют собой стержни из пьезокерамики с управляющими электродами на торцевых плоскостях. Устройство обладает высоким быстродействием и обеспечивает деформацию зеркала до одного микрометра, достаточную для фазовой коррекции волнового фронта оптического излучения видимого диапазона. Однако, в получающих широкое распространение адаптивных оптических системах инфракрасного диапазона необходима коррекция волнового фронта, соизмеримая с длиной волны оптического излучения, порядка нескольких микрометров, т.е. существенно более высокая, чем в известном устройстве
Изобретение позволяет улучшить коррекцию волнового фронта и увеличить управляемую деформацию зеркала фазового модулятора в широком диапазоне частот и тем самым расширить возможности адаптивных оптических систем в области оптического излучения инфракрасного диапазона.

Указанный технический эффект достигается тем, что в фазовом модуляторе волнового фронта, содержащем деформируемое зеркало, жесткое основание и размещаемые между зеркалом и основанием пьезоэлементы в виде монолитных пьезокерамических стержней с управляющими электродами, стержни выполнены в виде двух ортогонально расположенных друг относительно друга пластин, пересекающихся по оси симметрии и образующих в поперечном сечении стержня крестообразную форму, при этом одна из пластин выполнена прямоугольной формы, другая в форме равнобедренной трапеции. Ширина и высота поперечного сечения стержня в месте его крепления с зеркалом равны между собой, а сумма ширины и высоты поперечного сечения стержня в месте его крепления с основанием не превышает удвоенного расстояния между продольными осями соседних стержней, установленных один относительно другого с поворотом на 90^o. Управляющие электроды нанесены на боковые плоскости пьезокерамических пластин, образующих стержень.

Создание фазового модулятора волнового фронта оптического излучения инфракрасного диапазона стало возможным благодаря новой конструкции и новому принципу взаимного расположения пьезоэлементов в адаптивном зеркале. Крестообразная форма поперечного сечения пьезокерамического стержня позволяет создать в пьезоэлементе высокую напряженность электрического поля и, вследствие поперечного пьезоэффекта, получить высокую пьезоэлектрическую деформацию стержня. Трапециевидная форма продольного сечения стержня позволяет уменьшить площадь соединения стержня с зеркалом, следствием чего является большая гибкость зеркала и высокая его изгибная деформация под воздействием продольной деформации стержня, чем и достигается основной технический эффект, обеспечиваемый изобретением. Одновременно крестообразная форма поперечного сечения пьезокерамического стержня обеспечивает его высокую жесткость. Этому же способствует трапециевидная форма продольного сечения, придавая стержню свойства балки равного сопротивления изгибу. Взаимно перпендикулярное расположение соседних пьезоэлементов (стержней) еще больше увеличивает общую жесткость конструкции устройства. Следствием высокой жесткости фазового модулятора является высокая частота его собственных колебаний и, следовательно широкий интервал рабочих частот, что является дополнительной целью изобретения. Равенство размеров поперечного сечения пьезокерамического стержня в месте соединения с зеркалом обеспечивает осевую симметрию изгибной деформации зеркала, а соотношение размеров в месте соединения стержня с основанием позволяет наиболее полно использовать поперечные размеры адаптивного зеркала.

На фиг. 1 изображены проекции общего вида фазового модулятора волнового фронта (а вид сбоку; б разрез по А А); на фиг. 2 общий вид пьезоэлемента; на фиг. 3 схема электрических соединений одного канала фазового модулятора, где направление поляризации в пьезоэлементе.

Фазовый модулятор содержит (фиг. 1) деформируемое зеркало 1, жесткое основание 2 и размещенный между ними набор пьезоэлементов 3. Основой пьезоэлемента 3 является монолитный пьезокерамический стержень с крестообразным поперечным сечением (фиг. 2). На боковые плоскости стержня нанесены управляющие электроды 4, подключенные к источнику управляющего напряжения 5. Пьезоэлементы 3 жестко соединены с зеркалом 1 и основанием 2 склейкой. Соединенные пьезоэлементы повернуты на 90^o один относительно другого, образуя жесткую коробчатую структуру адаптивного зеркала (фиг. 1, б). В предпочтительном варианте, обеспечивающем наибольшую температурную стабильность, все детали фазового модулятора: зеркало 1, основание 2 и пьезоэлементы 3 выполняются из одного материала высокоплотной пьезоэлектрической керамики, изготовленной методом горячего прессования. Детали изготавляваются шлифованием при помощи алмазного инструмента, поверхность зеркала 1 подвергается полировке, на нее наносится отражающее покрытие, например, металлическое, напылением в вакууме. Пьезоэлементы 3 подвергаются поляризации по толщине пластин, образующих стержень с крестообразным поперечным сечением (фиг. 3).

Модулятор работает следующим образом.

При подаче сигнала от источника управляющего сигнала 5 на электроды 4, нанесенные на пьезоэлемент 3, вследствие поперечного пьезоэффекта происходит продольная деформация пьезоэлемента 3 в направлении продольной оси стержня, вызывающая изгибную деформацию зеркала 1. Величина управляющего сигнала определяется в зависимости от фазового искажения волнового фронта оптического луча, падающего на зеркало 1. Фазовое искажение, вызываемое, например, атмосферными флуктуациями, измеряется датчиком волнового фронта, подключенным к источнику управляющего сигнала. В результате фазовой коррекции оптический луч, отраженный от зеркала 1, имеет плоский волновой фронт. Экспериментальный образец фазового модулятора волнового фронта, изготовленный в соответствии с изобретением обеспечил деформацию зеркала на 10,6 мкм, что позволило эффективно корректировать фазовые искажения оптического луча инфракрасного диапазона. При этом рабочие частоты устройства лежат в интервале 0-6 кГц, что позволяет решать различные задачи фазовой модуляции. Монолитные пьезокерамические стержни были выполнены из материала ПКР-7М; расстояние между соседними пьезоэлементами (стекржнями) 8 мм; диаметр отражающей поверхности устройства 90 мм.

Новый вид фазового модулятора волнового фронта, иначе говоря - адаптивного зеркала, позволяет существенно расширить возможности адаптивных оптических систем. В частности, представляется возможность создания системы апертурного зондирования, в которой предлагаемое адаптивное зеркало способно выполнять две функции: корректирующую с большим смещением поверхности, и модулирующую с высокой частотой пробных возмущений. Такая система обладает наибольшими возможностями совершенствования своей организации и развития адаптивных свойств. Большой практический интерес представляет также применение нового адаптивного зеркала в системах слежения за движущимися объектами.

Использование: изобретение предназначено для использования в качестве исполнительного устройства в адаптивных оптических системах и позволяет увеличить деформацию адаптивного зеркала. Сущность изобретения: фазовый модулятор содержит деформируемое зеркало 1, жесткое основание 2 и пьезоэлементы 3, выполненные в виде стержней с крестообразным поперечным сечением и трапециевидным продольным сечением. Широта и высота поперечного сечения стержня в месте соединения с зеркалом равны между собой, а их сумма в месте соединения с основанием не превышает удвоенного расстояния между осями соседних пьезоэлементов. Соседние пьезоэлементы повернуты на 90^o один относительно другого. Управляющие электроды 4 нанесены на боковые плоскости стержня. Высокая деформация и широкий интервал рабочих частот адаптивного зеркала позволяет применить его в информационных оптических системах инфракрасного диапазона. 3 ил.

Фазовый модулятор волнового фронта, содержащий деформируемое зеркало, жесткое основание и размещенные между ними пьезоэлементы в виде монолитных пьезокерамических стержней с управляющими электродами, отличающийся тем, что стержни выполнены в виде двух ортогонально расположенных относительно друг друга пластин, пересекающихся по их осям симметрии и образующих в поперечном сечении стержня крестообразную форму, при этом одна из пластин выполнена прямоугольной формы, другая в виде равнобедренной трапеции, при этом ширина и высота поперечного сечения стержня в месте его крепления с зеркалом равны между собой, а сумма ширины и высоты поперечного сечения стержня в месте его крепления с основанием не превышает удвоенного расстояния между осями соседних стержней, установленных один относительно другого с поворотом на 90^o, управляющие электроды выполнены на поверхностях пластин.