ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ПРИВОД МОДУЛЯТОРА ВОЛНОВОГО ФРОНТА Российский патент 1999 года по МПК H02N2/02 G02F1/29 

Изобретение относится к оптике и предназначено для работы в качестве исполнительного устройства в адаптивной оптической системе.

Известно исполнительное устройство оптической системы, включающее двухслойный пьезоэлектрический элемент, закрепленный одним концом на основании, и зеркало, прикрепленное к свободному концу пьезоэлемента (J.J.Schatter and D.L.Fried. Applied Optics, Vol.9, N 4, 1970).

Действие устройства основано на изгибной деформации пьезоэлемента, приводящий к изменению угла наклона зеркала. Устройство эффективно управляет положением оптического луча в пространстве, но не может быть применено для фазовой модуляции волнового фронта.

Наиболее близким аналогом является пьезоэлектрический привод модулятора волнового фронта (патент США N 4280756, М.кл. G 02 F 1/29, 28.07.81 г.). Устройство содержит две механически соединенные пьезоэлектрические пластины из поляризованного сегнетоэлектрического материала с электродами на их поверхностях. Периферийные части пластин закреплены на основании, а их центральная часть через толкатель соединена с зеркалом, расположенным параллельно пластинам. Пластины электрически соединены параллельно и подключены к источнику управляющего напряжения так, что в одной из пластин полярность управляющего сигнала совпадает с направлением поляризации, а в другой пластине полярность управляющего сигнала противоположна направлению поляризации. Изгибная деформация пластин через толкатель преобразуется в поршневое перемещение зеркала, что позволяет осуществить фазовую коррекцию волнового фронта оптического излучения.

Известное устройство обладает высокой чувствительностью при малых значениях напряженности управляющего сигнала, не превышающих напряженности коэрцитивного поля. Однако устройство не позволяет получить значительное перемещение зеркала, так как увеличение напряженности управляющего сигнала выше напряженности коэрцитивного поля сегнетоэлектрика приводит к деполяризации той пластины, в которой полярность сигнала и направление поляризации противоположны. Деполяризация пластин приводит к деградации электромеханических характеристик и снижает временную стабильность устройства. Это ограничение амплитуды управляющего сигнала сужает интервал перемещения зеркала и ограничивает область применения устройства оптическими системами с малой длиной волны.

Заявляемый в качестве изобретения твердотельный привод модулятора волнового фронта позволяет значительно увеличить интервал перемещения зеркала и, следовательно, применить устройство в оптических системах инфракрасного диапазона с большой длиной волны. Кроме того, заявляемое устройство позволяет существенно повысить временную стабильность оптической системы.

Указанный технический эффект достигается тем, что твердотельный привод модулятора волнового фронта, содержащий основание, сегнетоэлектрические пластины с электродами, электрически соединенные параллельно и подключенные к источнику управляющего напряжения, содержит набор сегнетоэлектрических пластин крестообразной формы, чередующихся с металлическими упругими элементами крестообразной формы, периферийные части которых жестко соединены с периферийными частями прилегающих сегнетоэлектрических пластин так, что две противолежащие периферийные части упругого элемента соединены с соответствующими периферийными частями одной из прилегающих сегнетоэлектрических пластин, а две другие противолежащие периферийные части этого упругого элемента соединены с соответствующими периферийными частями другой прилегающей сегнетоэлектрической пластины. Центральная часть одной из крайних в наборе сегнетоэлектрических пластин через толкатель соединена с зеркалом, расположенным параллельно пластинам, а центральная часть другой крайней (максимально удаленной от зеркала) сегнетоэлектрической пластины жестко соединена с основанием.

Для получения линейной электромеханической характеристики, а следовательно, упрощения управлением устройства сегнетоэлектрические пластины выполнены из сегнетоэлектрика с размытым фазовым переходом.

Создание твердотельного привода модулятора волнового фронта стало возможным благодаря совокупности новой конструкции сегнетоэлектрического элемента, нового материала для его изготовления и нового принципа преобразования деформации сегнетоэлектрического элемента в перемещение зеркала. Выбранный в качестве электроактивного материала сегнетоэлектрик с размытым фазовым переходом (см. Веневцев Ю.Н. и др. Сегнето- и антисегнетоэлектрики семейства титаната бария. М., 1985, стр. 165) обладает высокой электрострикционной деформацией, сравнимой с пьезодеформацией лучших пьезоэлектриков, и малым старением из-за отсутствия доменной структуры. Сочетание этих свойств позволяет создать высокочувствительный активный элемент привода с высокой временной стабильностью.

Применение набора крестообразных активных элементов, чередующихся с крестообразными упругими элементами, позволило применить новый принцип преобразования электрострикционной деформации активного элемента в перемещение зеркала. Это стало возможным благодаря установленной авторами предлагаемого изобретения зависимости изгибной деформации крестообразного упругого элемента, соединенного особым образом с двумя прилегающими к нему активными элементами, от деформации активного элемента в результате поперечного электрострикционного эффекта: где А - изгибная деформация крестообразного упругого элемента, отнесенная к максимальному размеру активного элемента: δ - - относительная поперечная электрострикционная деформация; B≈2,6 - коэффициент, учитывающий синусоидальную форму изогнутого упругого элемента.

При максимальных значения δ = 3 • 10^-4, достижимых в электрострикционных материалах (см. там же), значения А превосходят δ в 150 раз. При меньших значениях δ значения А возрастают и превосходят δ в несколько сотен раз.

Перемещение зеркала складывается из деформации всех упругих элементов и может быть увеличено путем увеличения числа активных элементов в наборе. Таким образом достигается основной технический эффект изобретения - значительное увеличение интервала перемещения зеркала.

Кроме того, предлагаемое изобретение представляет собой новый тип исполнительного устройства - электрострикционное устройство с линейной электромеханической характеристикой. Действительно, при δ = ME², где M - электрострикционный коэффициент сегнетоэлектрика с размытым фазовым переходом, E - напряженность управляющего сигнала, A = C•E, где C - коэффициент, учитывающий форму упругого элемента и электрострикционные свойства активного элемента. Таким образом устраняется основной недостаток электрострикционных исполнительных устройств - нелинейная электромеханическая характеристика с низкой чувствительностью при малых значениях напряженности управляющего сигнала.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и чертежом, где изображен общий вид твердотельного привода модулятора волнового фронта.

Устройство содержит набор крестообразных пластин 1, изготовленных из сегнетоэлектрика с размытым фазовым переходом, например, из твердого раствора магнониобата-титаната свинца. Между каждыми двумя сегнетоэлектрическими пластинами 1 расположены крестообразные металлические упругие элементы 2. Периферийные части упругих элементов 2 жестко соединены посредством проводящего клея с периферийными частями сегнетоэлектрических пластин 1 так, что две противолежащие периферийные части каждого крестообразного упругого элемента соединены с соответствующими периферийными частями одной из прилегающих крестообразных сегнетоэлектрических пластин, а две другие противолежащие периферийные части этого упругого элемента соединены с соответствующими периферийными частями другой прилегающей крестообразной сегнетоэлектрической пластины. Центральная часть одной из крайних сегнетоэлектрических пластин набора жестко соединена с основанием 3, а центральная часть другой крайней пластины набора жестко соединена через толкатель 4 с рабочим органом - зеркалом 5, которое является элементом секционированного модулятора волнового фронта (на чертеже пластины 1.1 и 1 (n+1), соответственно).

Количество (n+1) сегнетоэлектрических пластин в наборе и, соответственно, количество n упругих элементов определяется как частное от деления необходимого перемещения зеркала на деформацию одного упругого элемента.

На поверхности пластин 1 нанесены металлические электроды. Пластины 1 электрически соединены параллельно и подключены к источнику управляющего напряжения 6. Металлические упругие элементы 2 выполняют при этом функцию контактных элементов.

Устройство работает следующим образом.

При подаче управляющего напряжения от источника 6 к пластинам 1 за счет поперечного электрострикционного эффекта ширина пластины 1, т.е. расстояние между ее периферийными частями, уменьшается. Упругий элемент 2 испытывает при этом механическое сжимающее напряжение и, теряя устойчивость, изгибается в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Изгибные деформации всех упругих элементов суммируются в направлении оси устройства в виде перемещения зеркала 5 относительно основания 3. Перемещение зеркала 5 позволяет осуществить фазовую модуляцию волнового фронта лазерного луча, падающего на секционированное адаптивное зеркало, элементом которого является зеркало 5.

Значительная величина синусоидальной изгибной деформации упругих элементов позволяет существенно расширить интервал перемещения рабочего органа и, следовательно, интервал изменения фазы модулируемого оптического луча. Отсутствие остаточной поляризованности в электрострикционных элементах проявляется в отсутствии старения, т.е. в высокой временной стабильности электромеханической характеристики твердотельного привода. Новый принцип механического преобразования перемещения обеспечивает линейность электромеханической характеристики.

Преимущества предлагаемого твердотельного привода позволяют существенно расширить возможности адаптивных оптических систем. В частности, представляется возможность получения высокодетальных изображений космических аппаратов в лазерном свете, а также передачи энергии и больших объемов информации с Земли на космические аппараты.

Изобретение относится к оптике, предназначено для работы в качестве исполнительного устройства в адаптивных оптических системах и обеспечивает увеличение интервала перемещения зеркала модулятора волнового фронта. Твердотельный привод содержит зеркало, толкатель, основание и набор пластин крестообразной формы, выполненных из сегнетоэлектрика с размятым фазовым переходом, чередующихся с металлическими упругими элементами крестообразной формы, периферийные части которых жестко соединены с периферийными частями сегнетоэлектрических пластин так, что две противолежащие периферийные части упругого элемента соединены с соответствующими периферийными частями одной из прилегающих сегнетоэлектрических пластин, а две другие противолежащие периферийные части этого упругого элемента соединены с соответствующими периферийными частями другой прилегающей сегнетоэлектрической пластины. Сегнетоэлектрические пластины электрически соединены параллельно и подключены к источнику управляющего напряжения. Широкий интервал перемещения зеркала позволяет применить привод в адаптивных системах инфракрасного диапазона. 1 з. п.ф-лы, 1 ил.

1. Твердотельный привод модулятора волнового фронта, содержащий основание, сегнетоэлектрические пластины с электродами, электрически соединенные параллельно и подключенные к источнику управляющего напряжения, центральная часть одной из сегнетоэлектрических пластин через толкатель соединена с зеркалом, расположенным параллельно пластинам, отличающийся тем, что содержит набор сегнетоэлектрических пластин крестообразной формы, чередующихся с металлическими упругими элементами крестообразной формы, периферийные части которых жестко соединены с периферийными частями сегнетоэлектрических пластин так, что две противоположные периферийные части упругого элемента соединены с соответствующими периферийными частями одной из прилегающих сегнетоэлектрических пластин, а две другие противолежащие периферийные части этого упругого элемента соединены с соответствующими периферийными частями другой прилегающей сегнетоэлектрической пластины, центральная часть удаленной от зеркала крайней пластины набора жестко соединена с основанием. 2. Твердотельный привод модулятора волнового фронта по п.1, отличающийся тем, что сегнетоэлектрические пластины выполнены из сегнетоэлектрика с размытым фазовым переходом.