ФАЗОВЫЙ МОДУЛЯТОР ВОЛНОВОГО ФРОНТА Российский патент 1998 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 (патент Великобритании N 1517469, МКл. G 02 F 1/29, 1978). Устройство содержит пластину из пьезоэлектрического материала с электродами, нанесенными на торцевые поверхности. 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.

Наиболее близким аналогом является фазовый модулятор волнового фронта (патент США N 4257686, МКл. G 02 F 1/00, 1981). Устройство содержит деформируемое зеркало, жесткое основание и пьезоэлементы, размещенные между зеркалом и основанием. Пьезоэлемент, использующий продольный пьезоэффект, представляет собой многослойную структуру, в которой суммируются пьезоэлектрические деформации отдельных слоев. Устройство обладает высоким быстродействием и обеспечивает деформацию зеркала до 1 мкм, достаточную для фазовой коррекции волнового фронта оптического излучения видимого диапазона. Однако в получающих широкое распространению адаптивных оптических системах длинноволнового инфракрасного диапазона коррекция волнового фронта, соизмеряемая с длиной волны оптического излучения, должна быть порядка нескольких микрометров, а в некоторых случаях для излучения лазеров на углекислом газе, аммиаке и четырехфтористом углероде составлять несколько десятков микрометров, что существенно выше, чем достигается в известном устройстве.

Изобретение позволяет обеспечить увеличение деформации зеркала фазового модулятора волнового фронта и тем самым расширить возможности адаптивных оптических систем в области оптического излучения инфракрасного диапазона.

Указанный технический эффект достигается тем, что фазовый модулятор волнового фронта, содержащий деформируемое зеркало, жесткое основание и размещенные между зеркалом и основанием пьезоэлементы, содержит также опорную решетку, жестко связанную с основанием и расположенную между пьезоэлементами и зеркалом, призматические балки, жестко связанные с решеткой, упругие кольцеобразные элементы, образованные эксцентрическими цилиндрическими поверхностями, размещенные между призматическими балками и зеркалом, и жестко связанные с зеркалом, и вилкообразные толкатели, размещенные между пьезоэлементами и упругими элементами и жестко связанные с пьезоэлементами.

Создание фазового модулятора волнового фронта оптического излучения инфракрасного диапазона стало возможным благодаря новому принципу взаимодействия пьезоэлементов с деформируемым зеркалом.

Наиболее эффективные конструкции пьезоэлементов - многослойные структуры - обеспечивают значительные механические усилия, достигающие значений в несколько тысяч ньютонов (Никольский. Точные двухканальные следящие электроприводы с пьезокомпенсаторами. -М. : Энергоатомиздат. 1988, с. 20, 21). Однако в известных конструкциях фазовых модуляторов преимущества многослойных структур лишь частично используются, так как для деформации зеркала достаточно усилия в несколько десятков ньютонов.

В предлагаемом фазовом модуляторе волнового фронта вилкообразные толкатели, опорная решетка, призматические балки, упругие элементы и деформируемое зеркало представляют собой механизм, преобразующий пьезоэлектрическую деформацию пьезоэлементов с высоким удельным усилием в перемещение поверхности зеркала, превышающее исходное перемещение толкателей в несколько раз. При этом усилие, прилагаемое к деформируемому зеркалу, уменьшается во столько же раз, но достаточно для перемещения поверхности зеркала в несколько десятков микрометров, т.е. для эффективной работы фазового модулятора в инфракрасном диапазоне. Таким образом, заявляемая совокупность существенных признаков обеспечивает полное использование энергии пьезоэлементов и преобразование ее в полезную работу, равную произведению усилия на перемещение.

Выполнение опоры механизма в виде решетки и призматических балок, вилкообразная форма толкателей и цилиндрическая форма упругих элементов придают элементам конструкции технологичность и компактность, необходимую для размещения механизма в ограниченном объеме фазового модулятора волнового фронта.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображены проекции общего вида фазового модулятора волнового фронта и схема электрических соединений одного канала фазового модулятора.

Фазовый модулятор содержит деформируемое зеркало 1, жесткое основание 2, пьезоэлементы 3, вилкообразные толкатели 4, кольцеобразные упругие элементы 5, опорную решетку 6, призматические балки 7 и стойки 8. Пьезоэлементы 3 выполнены в виде многослойного пакета из пьезоэлектрической керамики с управляющими электродами на главных поверхностях. Пластины соединены механически последовательно, а электрически - параллельно. Пьезоэлементы 3 подключаются к выходным усилителям 9 системы управления. Опорная решетка 6 выполнена путем фрезерования взаимно перпендикулярных пазов в монолитной плите и жестко связана при помощи стоек 8 с основанием 2. Пьезоэлементы 3 соединены с основанием 2 и толкателями 4 склейкой. Склейкой же соединены упругие элементы 5 с деформируемым зеркалом 1 непосредственно или через вспомогательные толкатели. Призматические балки 7 соединены склейкой с опорной решеткой 6. При монтаже фазового модулятора обеспечивают геометрическое силовое замыкание механизма, т.е. плотное прижатие призматических элементов толкателей 4 и балок 7 к упругим элементам 5. Кольцеобразные элементы 5 выполнены из бронзы и ограничены эксцентрическими цилиндрическими поверхностями.

Фазовый модулятор волнового фронта работает следующим образом.

С выхода усилителя 9 системы управления (не показана) на вход соответствующего пьезоэлемента 3 поступает сигнал, пропорциональный необходимому изменению фазы волнового фронта излучения, падающего на зеркало 1. В результате электромеханического преобразования за счет продольного пьезоэффекта длина пьезоэлемента 3 изменяется пропорционально управляющему сигналу. Механическое усилие от пьезоэлемента 3 через толкатель 4 прикладывается к упругому элементу 5. Происходит изгибная деформация упругого элемента 5, играющего роль криволинейного рычага, опирающегося на призматическую балку 7, закрепленную в решетке 6. Эксцентричность цилиндрических поверхностей обеспечивает переменное по длине окружности поперечное сечение элемента 5 и придает ему свойства балки равного сопротивления изгибу. Перемещение наибольшего сечения упругого элемента 5 пропорционально отношению диаметра d средней окружности элемента 5 к расстоянию b между призматическими опорами толкателя 4. Механическое усилие от элемента 5 прикладывается, в свою очередь, к деформируемому зеркалу 1. Таким образом, деформация зеркала 1, пропорциональная отношению d/b, может в несколько раз превышать деформацию пьезоэлемента 3, механическое усилие которого, приложенное к упругому элементу 5, в несколько же раз больше, чем необходимо для деформации зеркала 1.

Деформация отражающей поверхности зеркала 1 приводит к изменению фазы волнового фронта в субапертуре зеркала 1, соответствующей данному каналу фазового модулятора.

Предлагаемый новый тип фазового модулятора волнового фронта позволяет существенно расширить возможность адаптивных оптических систем. В частности представляется возможность получения высокодетальных изображений космических аппаратов в искусственном (лазерном) свете, а также для передачи энергии и больших объемов информации с Земли на космические аппараты при помощи лазерных пучков высокой направленности
Адаптивная телескопическая система, использующая метод адаптации по так называемой "лазерной искусственной звезде" и предлагаемый фазовый модулятор волнового фронта, сможет решать научные задачи, требовавшие до сего времени применения крупных телескопов космического базирования.

Использование: изобретение относится к оптике, предназначено для работы в качестве исполнительного устройства в адаптивных оптических системах и обеспечивает увеличение управляемой деформации зеркала модулятора волнового фронта. Сущность изобретения: фазовый модулятор содержит деформируемое зеркало, жесткое основание, пьезоэлементы, вилкообразные толкатели, опорную решетку, призматические балки и упругие кольцеобразные элементы, образованные эксцентрическими цилиндрическими поверхностями. 1 ил.

Фазовый модулятор волнового фронта, содержащий деформируемое зеркало, жесткое основание и размещенные между зеркалом и основанием пьезоэлементы, отличающийся тем, что содержит опорную решетку, жестко связанную с основанием и расположенную между пьезоэлементами и зеркалом, призматические балки, жестко связанные с решеткой, упругие элементы, выполненные в виде кольцеобразных эксцентрических цилиндрических поверхностей, размещенные между призматическими балками и зеркалом, жестко связанные с зеркалом, и вилкообразные толкатели, размещенные между пьезоэлементами и упругими элементами, жестко связанные с пьезоэлементами.