ФАЗОВЫЙ МОДУЛЯТОР ВОЛНОВОГО ФРОНТА Российский патент 1999 года по МПК G02F1/00 

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

Известен пьезоэлектрический модулятор волнового фронта (см. патент США N 4248504, Н. кл. 350/360, М.кл. G 02 F 1/03, 1981), содержащий деформируемое зеркало и блок пьезокерамического материала, в котором локально вырезаны штыри, электромеханически развязанные друг от друга. Штыри выполняют роль пьезоэлектрических электромеханических преобразователей. Устройство имеет сравнительно высокую чувствительность. Однако для работы устройства необходимы высокие управляющие напряжения (порядка нескольких кВ).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является многослойный пьезоэлектрический модулятор волнового фронта, описанный в патенте США N 4257686, G 02 F 1/00, 1981. Модулятор волнового фронта содержит деформируемое зеркало, основание и блок пьезоэлектрического материала, состоящий из ячеек с дискретной электрической адресацией. Устройство для электрического обращения к дискретной ячейке содержит электроды и два проводника. Каждая такая ячейка представляет собой многослойный электромеханический преобразователь.

Достоинством устройства является сравнительно низкое управляющее напряжение. Однако известное устройство позволяет осуществить лишь однонаправленную деформацию зеркала, т.к. управляющее напряжение противоположного знака приводит к деполяризации пьезоэлектрических преобразователей и деградации их электромеханических характеристик.

Для систем оптического мониторинга Земли необходимы фазовые модуляторы, обеспечивающие коррекцию волнового фронта в условиях турбулентности атмосферы и высокую стабильность знакопеременной деформации зеркала под воздействием переменного электрического напряжения.

Заявляемое изобретение позволяет улучшить коррекцию волнового фронта и обеспечить временную и температурную стабильность управляемой знакопеременной деформации зеркала фазового модулятора в широком диапазоне частот и тем самым повысить надежность и эффективность адаптивных оптических систем во всех диапазонах оптического излучения.

Указанный технический эффект достигается тем, что фазовый модулятор волнового фронта, содержащий деформируемое зеркало, основание и многослойные твердотельные электромеханические преобразователи, содержит также толкатели, выполненные из материала зеркала и размещенные между деформируемым зеркалом и электромеханическими преобразователями, электромеханические преобразователи выполнены в виде Ш-образных монокерамических блоков, каждый из которых образован тремя многослойными электрострикционными преобразователями, вертикально установленными и закрепленными на плоской опоре со стороны своих нижних торцевых поверхностей, при этом верхние торцевые поверхности двух крайних электрострикционных преобразователей механически соединена с основанием, а верхняя торцевая поверхность среднего электрострикционного преобразователя механически соединена посредством закрепленного на ней толкателя с деформируемым зеркалом через сквозные отверстия, выполненные в основании, управляющие электроды крайних электрострикционных преобразователей отдельного Ш-образного блока электрически соединены параллельно и электроизолированы от управляющих электродов среднего электрострикционного преобразователя.

Создание фазового модулятора волнового фронта, обеспечивающего стабильность во времени и от температуры характеристик знакопеременной деформации зеркала до ±15 мкм с гистерезисом до 2%, обусловлено новой конструкцией многослойных электрострикционных преобразователей и новому принципу их расположения и крепления в адаптивном зеркале.

Использование толкателей для передачи деформации от электрострикционных преобразователей зеркалу под воздействием управляющего электрического напряжения и выполнение их из материала зеркала позволяют исключить скачки электрофизических (модули упругости) и тепловых (коэффициенты температурного расширения) характеристик в зоне контакта толкателей с поверхностью зеркала, что обеспечивает температурную и временную стабильность фазового модулятора в целом.

Выполнение электромеханических преобразователей в виде Ш-образных монокерамических блоков, образованных тремя многослойными электрострикционными преобразователями, обеспечивает знакопеременную деформацию участков зеркала при подаче на соответствующие преобразователи управляющего электрического напряжения.

Более высокая эффективность деформация электрострикционных материалов, применяемых для выполнения твердотельных преобразователей, под действием электрических полей и практическое отсутствие остаточной деформации (гистерезиса) позволяют получить в малогабаритных жестких конструкциях большие стабильные во времени перемещения по сравнению с твердотельными преобразователями, выполненными из пьезоэлектрических материалов. Кроме того, отсутствие в электрострикционных материалах пьезоэффекта практически сводит к нулю взаимное влияние соседних многослонйных электрострикционных преобразователей при работе зеркала. В случае применения пьзеоэлектрических преобразователей это влияние заметно, т.к. при подаче электрического напряжения на один из преобразователей соседние преобразователи подвергаются существенным механическим напряжениям сжатия или растяжения. При этом на этих преобразователях появляется электрическое поле, которое, в свою очередь, вызывает их деформацию.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и чертежами, где на фиг. 1 изображены проекции общего вида фазового модулятора: на фиг. 2 - проекции многослойного твердотельного электромеханического преобразователя в виде монокерамического блока, образованного тремя многослойными электрострикционными преобразователями; на фиг. 3 - электрическая схема подключения управляющих электродов электрострикционных преобразователей Ш-образного блока к источникам управляющего напряжения.

Фазовый модулятор (фиг. 1) содержит деформируемое зеркало 1, основание 2, толкатели 3 и электромеханические преобразователи 4. Электромеханические преобразователи 4 (фиг. 2) выполнены в виде Ш-образных монокерамических блоков, образованных тремя идентичными многослойными электрострикционными преобразователями 4.1, 4.2, 4.3, вертикально установленными и закрепленными на общей опоре 5 со стороны своих нижних (относительно поверхности зеркала) торцевых поверхностей и имеющими дискретную электрическую адресацию. Крайние преобразователи 4.1 и 4.3 каждого Ш-образного блока механически связаны своими верхними торцевыми поверхностями с основанием 2, а средний преобразователь 4.2 своим верхним торцом механически соединен с деформируемым зеркалом посредством толкателя 3 через сквозные отверстия, выполненные в основании 2.

Для получения электромеханического преобразователя в виде Ш-образного монокерамического блока, образованного тремя многослойными электрострикционными преобразователями, предварительно изготавливают заготовки размером (10х10х0,3) мм из электрострикционного материала магнониобата свинца (МНС-7.5), на поверхности которых наносятся серебряные электроды. Из готовых заготовок собирают с применением сварки на стекле многослойный пакет с расположением слоев, как это показано на фиг. 2,б. Пакет устанавливают на опоре размером (10х10х3) мм и приваривают на стекле С-30 при температуре Т= 800^oC с усилием поджатия 3 - 3 кг/см². После сварки готовый пакет прорезают до опоры для получения трех одинаковых фрагментов. Такая технология изготовления многослойного преобразователя с применением сварки на стекле позволяет упростить и удешевить традиционную пленочную технологию изготовления многослойных пакетов с использованием платино-палладиевой пасты. Фрагменты коммутируются, как это показано на фиг. 2,а.

Электрическая схема подключения управляющих электродов многослойных электрострикционных преобразователей 4.1, 4.2 и 4.3, образованных фрагментами, к управляющим источникам электрического напряжения E₁ и E₂ показана на фиг. 3, при этом управляющие электроды крайних преобразователей 4.1 и 4.3 (C₁ и C₃, соответственно) каждого отдельного Ш-образного блока электрически соединены параллельно и электроизолированы от управляющих электродов среднего преобразователя 4.2 (C₂).

Деформируемое зеркало 1 и толкатели 3 выполнены из одного материала, в качестве которого выбран ситалл.

Все механические соединения в конструкции, а именно, деформируемого зеркала с толкателями, толкателей со средними преобразователями и крайних преобразователей с основанием выполнены также методом сварки на стекле C-30 при температуре 800^oC с усилием поджатия 3 - 5 кг/см². Это позволяет создать жесткую монолитную конструкцию фазового модулятора.

Устройство работает следующим образом.

При подаче сигнала от источника управляющего электрического напряжения E₂ на управляющие электроды среднего преобразователя 4.2 Ш-образного блока вследствие электрострикционного эффекта происходит его удлинение, что вызывает перемещение толкателя 3 в направлении деформируемого зеркала 1 и приводит к положительной деформации соответствующего участка отражающей поверхности зеркала.

При подаче электрического напряжения от источника E₁ на управляющие электроды крайних преобразователей 4.1 и 4.3 последние, деформируясь (удлиняясь), перемещают опору 5 относительно основания 2, создавая тем самым отрицательную деформацию отражающей поверхности зеркала на участке контакта последней с толкателем 3.

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, подключаемым к источнику управляющего сигнала. Для обеспечения деформации отражающей поверхности зеркала порядка ±3 мкм требуется управляющее напряжение до 200 В. В результате фазовой коррекции при указанных режимах оптический луч, отраженный от поверхности зеркала, имеет плоский волновой фронт.

Новый тип фазового модулятора волнового фронта, иначе говоря - адаптивного зеркала, позволяет существенно расширить возможности адаптивных оптических систем. В частности, представляется возможным создание 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 объектамиа

Изобретение предназначено для использования в качестве исполнительного устройства в адаптивных оптических системах, позволяет улучшить коррекцию волнового фронта и обеспечить временную и температурную стабильность управляемой знакопеременной деформации зеркала фазового модулятора в широком диапазоне частот, повысить надежность и эффективность адаптивных оптических систем во всех диапазонах оптического излучения. Устройство содержит деформируемое зеркало, основание и двигатели. Двигатели выполнены в виде Ш-образных монокерамических блоков, образованных тремя многослойными электрострикционными преобразователями, жестко закрепленными по торцу на общей опоре. Вторые торцы двух крайних преобразователей жестко связаны с основанием, а торец среднего механически соединен посредством закрепленного на нем упругого элемента с деформируемым зеркалом через сквозные отверстия, выполненные в основании. Упругий элемент выполнен из материала зеркала. Управляющие электроды крайних преобразователей электрически соединены параллельно и электроизолированы от управляющих электродов среднего преобразователя. 3 ил.

Фазовый модулятор волнового фронта, содержащий деформируемое зеркало, основание и многослойные твердотельные электромеханические преобразователи, отличающийся тем, что содержит толкатели, выполненные из материала зеркала и размещенные между деформируемым зеркалом и электромеханическими преобразователями, электромеханические преобразователи выполнены в виде Ш-образных монокерамических блоков, каждый из которых образован тремя многослойными электрострикционными преобразователями, вертикально установленными и закрепленными на плоской опоре со стороны своих нижних торцевых поверхностей, при этом верхние торцевые поверхности двух крайних электрострикционных преобразователей механически соединены с основанием, а верхняя торцевая поверхность среднего электрострикционного преобразователя механически соединена посредством закрепленного на ней толкателя с деформируемым зеркалом через отверстия, выполненные в основании, управляющие электроды крайних электрострикционных преобразователей отдельного Ш-образного блока электрически соединены параллельно и электроизолированы от управляющих электродов среднего электрострикционного преобразователя.