CN105842844A - 基于弹性反射薄膜的磁液变形镜及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于反射薄膜的磁液变形镜及其制造方法，该变形镜以磁性液体为驱动载体，利用溅射法在弹性薄膜上制备一层固态纳米金属膜，来提高镜面反射率，合理优化设计永磁环尺寸产生均匀大磁场，并结合微型线圈产生的扰动磁场来控制镜面变形。磁性液体置于第二容器之中，反射薄膜位于磁性液体的表面，容器上盖位于反射薄膜的上方，微型电磁驱动线圈阵列作为驱动器安装在第一容器的底部，并将每个电磁线圈的一条引线接地，另一条引线接到电流驱动电路上，将第一容器和第二容器置于永磁环内部，利用支架使镜面位于环内中间位置。本发明提出的磁液变形镜成本低、制作简单、性能良好，且驱动器易于扩展。

Description

基于弹性反射薄膜的磁液变形镜及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种变形镜及其制造方法，特别是涉及一种基于反射薄膜的磁液变形镜及其制造方法。

背景技术

波前校正器作为自适应光学系统中的关键部件，其动态性能和校正精度对系统的整体性能和应用范围起着决定性的作用，现有两种基本的波前校正器分别为液晶空间光调制器和固态变形镜。

液晶空间光调制器作为自适应光学系统中重要的波前校正器，具有校正单元多、价格低廉、制作周期短和校正准确度高等优势。自上世纪70年代液晶在光位相调制和波前校正方面的研究开始出现。尽管液晶自适应光学研究取得突破性进展，但是仍有以下缺点：依赖偏振光、响应速度慢、光能量损失大、低损伤阈值等，这些限制了液晶空间光调制器在大气湍流校正、高功率激光像差校正等自适应光学系统中的应用。

固态变形镜是目前自适应光学系统中应用最广泛的波前校正元件，固态变形镜以其表面局部变形来改变入射光的波前形状达到校正波前的目的。这类变形镜的主要优点是它们固有的高反射率性能使校正后的光波射能量丢失较少，因此更加适合校正能量密度较低的光波畸变波前。根据镜面形式可分为连续表面和分立表面两种类型。分立镜面变形镜致动器变形量大、易于加工装配、更换和维修。其缺点为子镜相互独立无法得到连续面形，波前校正精度低；同时由于子镜之间的存在间隙造成能量损失、衍射效应，在红外波段工作时接缝处产生热辐射将影响成像探测。这种变形镜适用于要求控制单元数多、通光口径大和动态校正范围大的自适应光学系统。连续镜面变形镜具有波前拟合误差小、光能利用率高、空间分辨率高、能保持相位连续和易于抛光镀膜等优点，是多数自适应光学系统的首选，也是研究最多、应用最广、技术发展最成熟的波前校正器。上述固态变形镜各有优势，但是共同缺点就是较高的驱动器通道成本以及相对较低的变形行程，设计和制作比较复杂，成本高。

相较而言，磁液变形镜以纳米磁性液体为驱动载体，通过周边电磁场来控制镜面的变形，具有变形幅度大、制造成本低、驱动器易于扩展等优点。由于磁性液体通常具有较低的反射率(大约为4%)，可使用一种称为金属类似液体膜(MeLLFs)的胶体颗粒覆盖膜来提高变形镜反射率。然而，金属类似液体膜一般不能与商业磁流体兼容(大多数商业磁流体都是油基的)，故只能覆盖于水基型的磁性液体表面，而且配制过程复杂，成本较高。最终制得的金属液状纳米薄膜很容易受到振动影响而破裂，因此对镜体支撑系统的稳定性要求和环境要求较高。存放过程中，薄膜表面的金属粒子长时间暴露于空气中易被氧化，使得薄膜的表面性质发生改变，从而导致薄膜完全破裂。

磁液变形镜主要利用磁液下方的空心电磁驱动线圈产生的微小驱动磁场来控制镜面的变形，通过叠加一大的均匀磁场可提高磁液变形镜镜面的变形行程和响应线性化。通常均匀磁场可由特殊的电磁线圈产生，如亥姆霍兹线圈或麦克斯韦线圈等。但是，利用电磁线圈所能产生的磁场往往较小，为产生大的均匀磁场，所需的电流很大，如采用普通的导线易导致线圈发热，造成线路损伤。所以通过大幅增大电流来提高亥姆霍兹线圈或麦克斯韦线圈内部产生的磁场强度，从而提高镜面变形行程是不可行的。本专利针对上述问题提出了一种新的磁液变形镜设计方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于反射薄膜的磁液变形镜及其制造方法，通过合理设计永磁环的参数尺寸、反射膜的材料和变形镜的整体结构，解决变形镜变形行程小和反射率低等缺点，可实现镜面的线性可控大行程变形。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种基于反射薄膜的磁液变形镜，其特征在于，其包括第一容器、第二容器、微型电磁驱动线圈阵列、磁性液体、容器上盖、反射薄膜、永磁环，磁性液体置于第二容器之中，反射薄膜位于磁性液体的表面，容器上盖位于反射薄膜的上方，微型电磁驱动线圈阵列作为驱动器安装在第一容器的底部，并将微型电磁驱动线圈阵列中每个电磁线圈的一条引线接地，另一条引线接到电流驱动电路上，第一容器和第二容器都置于永磁环内部。

本发明将微型电磁驱动线圈阵列作为驱动器安装在第一容器内底部的蜂窝型排布的凸台上，微型电磁驱动线圈有两条引线，一条引线通过容器壁上的孔接地，另一条引线通过容器壁上的孔接到电流驱动电路上，构成磁液变形镜的镜面变形驱动系统；并向第二容器中倒入磁性液体，再将反射薄膜均匀平整地铺在磁液表面，为防止薄膜周边破损及起褶皱现象，将容器上盖覆盖在薄膜之上，使薄膜能够贴浮在磁液表面，构成磁液变形镜的基本磁液镜面系统；在外部设置轴向磁化永磁环产生均匀、强磁场，将基本磁液镜面系统和镜面变形驱动系统共同构成的磁液变形镜放到永磁环中，构成磁液变形镜系统。

优选地，所述永磁环是依靠永磁材料来产生稳恒磁场，不需要线圈和外加电源，具有体积小、磁场稳定的优点。

优选地，所述永磁环提供一个的均匀垂直磁场和微型电磁驱动线圈阵列产生的扰动磁场叠加，增加磁液变形镜的变形量，并使镜面响应线性化，有利于镜面变形的精确控制，大大提高了自适应光学系统对复杂光波畸变的校正能力。

优选地，所述第一容器底部是蜂窝型排布的凸台。

优选地，所述反射薄膜的材料为聚氨酯，厚度小于10um，利用溅射法在其表面制备一层固态纳米金属膜，来提高镜面反射率。

优选地，所述永磁环是将六个尺寸和剩磁完全相同的磁环（轴向磁化），同轴紧密排列，串接而成的。并对每个磁环进行轴向磁化，为在磁环内部产生均匀大磁场，尺寸设计为内径70mm，外径140mm，高20mm。

优选地，所述微型电磁驱动线圈阵列由电磁线绕制而成，用于产生扰动磁场。

本发明还提供一种基于反射薄膜的磁液变形镜的制造方法，该方法包含以下步骤：步骤一、 将微型电磁驱动线圈阵列安装于容器内底部的蜂窝型排布的凸台上，并将微型电磁驱动线圈阵列的引线从磁液变形镜容器壁上的孔中引出，一端接在电流驱动电路上，另一端接地；

步骤二、将圆形薄壁容器固定在步骤一中装有微型电磁驱动线圈阵列的容器上部，该圆形薄壁容器的底部刚好与微型电磁驱动线圈阵列的顶部接触；

步骤三、 将磁性液体倒入圆形薄壁容器中，作为变形镜镜面驱动载体；

步骤四、将弹性反射膜均匀平整地铺在磁性液体的表面，用于提高镜面的反射率；

步骤五、把基于反射薄膜的磁液变形镜放置在永磁环内部中心位置，利用支架使镜面高度正好是永磁环高度的一半，完成磁液变形镜的组装。

本发明的积极进步效果在于：本发明提出的磁液变形镜能够消除因氧化、振动而导致的金属液状反射薄膜破裂问题，而且磁性液体因反射薄膜的限制作用，在外加磁场过大时，避免了磁液Rosensweig（罗森史维格）不稳定现象；在失重情况下，磁液也不会缩聚成球状，故能应用于外太空中；本发明利用轴向磁化的永磁环提供一个较大的均匀垂直磁场和微型电磁驱动线圈产生的扰动磁场叠加，增加磁液变形镜的变形量，并使镜面响应线性化，有利于镜面变形的精确控制，大大提高了自适应光学系统对复杂光波畸变的校正能力；本发明的永磁环是依靠永磁材料来产生稳恒磁场，不需要线圈和外加电源，具有体积小、磁场稳定的优点；本发明提出的磁液变形镜具有成本低、制作简单、性能良好，且易于扩展等技术优势。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的永磁环的结构示意图。

图3是本发明永磁环内的磁场分布仿真结果示意图。

图4是本发明磁环内中间平面上的磁感应强度沿半径方向的分布曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明基于反射薄膜的磁液变形镜包括第一容器1、第二容器2、微型电磁驱动线圈阵列3、磁性液体4、反射薄膜5、容器上盖6、永磁环7，磁性液体4置于第二容器2之中，反射薄膜5位于磁性液体4的表面，容器上盖6位于反射薄膜5的上方，微型电磁驱动线圈阵列3作为驱动器安装在第一容器1的底部，并将微型电磁驱动线圈阵列中每个电磁线圈的一条引线8接地，另一条引线9接到电流驱动电路上，第一容器1和第二容器2都置于永磁环7内部，利用支架使基于反射薄膜的磁液变形镜的镜面位于环内中间位置。

上述永磁环如图2所示，是六个尺寸和剩磁完全相同的磁环（轴向磁化），同轴紧密排列（充磁方向一致），串接而成的，当磁环尺寸和位置合适时，各个磁环的磁场分布将叠加到一起，使轴线上某一段区域的磁场分布均匀，从而形成均匀磁场。为在磁环内部产生均匀大磁场，每个磁环尺寸设计为内径70mm，外径140mm，高20mm。把基于反射薄膜的磁液变形镜放置在永磁环内部中心位置，利用支架使镜面高度正好是永磁环高度的一半。向基本磁液变形镜系统中的磁性液体施加均匀大磁场，并与磁液镜面变形驱动系统中的微型电磁驱动线圈产生的扰动磁场叠加，可增加磁液变形镜的变形量，并实现镜面良好的线性响应。本实施例中用到的永久磁铁是最早使用的一种磁场产生装置，直到现在仍然在生产和科学实验中广泛使用。由于永久磁铁是依靠永磁材料来产生稳恒磁场，不需要线圈和外加电源，因此具有体积小，磁场稳定的优点。利用轴向磁化的永磁环来实现轴向均匀磁场是最佳的选择。

永磁环内的磁场分布仿真结果参见图3，磁环内中间平面上的磁感应强度沿半径方向的分布曲线参见图4。根据永磁环的结构参数，使用有限元多物理场分析软件COMSOLMultiphysics 进行仿真。首先，应用COMSOL有限元软件建立几何模型，因为电磁波从远处观测就是一个球面波，所以在磁环外部的空气采用一个球形来进行几何建模。其次，对模型采用自由四面体进行网格剖分。然后，模型采用剩余磁通密度进行加源。最后，根据永磁环的工作原理分析。从仿真结果可以看出，永磁环内部产生一个较大的均匀强磁场(约为80mT)，满足磁液变形镜对均匀强磁场的要求。

另外，上述反射薄膜中，考虑到镜面变形所需的柔韧性，及与金属纳米颗粒的附着能力，优选超薄弹性薄膜的材料为聚氨酯（PU），厚度小于10um，利用溅射法在其表面制备一层固态纳米铝膜，来提高镜面反射率。要求沉积膜厚均匀，具有较好的附着力(与弹性薄膜)和较小的内应力。该反射薄膜不仅可以长期使用，而且磁性液体因反射膜的限制作用，在外加磁场过大时，避免了磁液Rosensweig（罗森史维格）不稳定现象；在失重情况下，磁液也不会缩聚成球状，故能应用于外太空中。

本发明基于反射薄膜的磁液变形镜的具体制造方法如下：步骤一、 将微型电磁驱动线圈阵列安装于第一容器内底部的蜂窝型排布的凸台上，并将微型电磁驱动线圈阵列的两条引线从磁液变形镜容器壁上的孔中引出，一端接在电流驱动电路上，另一端接地；

步骤二、将第二容器固定在步骤一中装有微型电磁驱动线圈阵列的第一容器上部，该第二容器的底部刚好与线圈的顶部接触；

步骤三、 将磁性液体倒入第二容器中，作为变形镜镜面驱动载体；

步骤四、将反射膜均匀平整地铺在磁性液体的表面，用于提高镜面的反射率；

步骤五、把基于反射薄膜的磁液变形镜放置在永磁环内部中心位置，利用支架使镜面高度正好是永磁环高度的一半，完成磁液变形镜的组装。

其中，第二容器是圆形薄壁容器。

本发明将微型电磁驱动线圈安装在容器内底部的蜂窝型排布的凸台上，微型电磁驱动线圈有两条引线，一条引线通过容器壁上的孔接地，另一条引线通过容器壁上的孔接到电流驱动电路上，构成磁液变形镜的镜面变形驱动系统；并向另一圆形薄壁容器中倒入磁性液体，再将反射薄膜均匀平整地铺在磁液表面，为防止薄膜周边破损及起褶皱现象，将容器上盖覆盖薄膜之上，使薄膜能够贴浮在磁液表面，构成磁液变形镜的基本磁液镜面系统；在外部设置永磁环产生均匀、强磁场，将基本磁液镜面系统和镜面变形驱动系统共同构成的磁液变形镜放到永磁环中，构成磁液变形镜系统。

本发明与现有技术相比较，该变形镜以磁性液体为驱动载体，利用溅射法在弹性薄膜上制备一层固态纳米金属膜，来提高镜面反射率，合理优化设计永磁环尺寸产生均匀大磁场，并结合微型线圈产生的扰动磁场来控制镜面变形。不仅解决了现有磁液变形镜中磁液表面金属类似液体膜配制难、易破裂以及应用受限等问题，而且解决了亥姆霍兹线圈或麦克斯韦线圈内部产生的磁场强度小的问题。与传统固态变形镜相比，该变形镜变形行程大、成本低、制作简单、性能良好，并且驱动器易于扩展。

以上所述具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于反射薄膜的磁液变形镜，其特征在于，其包括第一容器、第二容器、微型电磁驱动线圈阵列、磁性液体、容器上盖、反射薄膜、永磁环，磁性液体置于第二容器之中，反射薄膜位于磁性液体的表面，容器上盖位于反射薄膜的上方，微型电磁驱动线圈阵列作为驱动器安装在第一容器的底部，并将微型电磁驱动线圈阵列中每个电磁线圈的一条引线接地，另一条引线接到电流驱动电路上，第一容器和第二容器都置于永磁环内部。

2.如权利要求1所述基于反射薄膜的磁液变形镜，其特征在于，所述永磁环是依靠永磁材料来产生稳恒磁场。

3.如权利要求1所述基于反射薄膜的磁液变形镜，其特征在于，所述永磁环提供一个的均匀垂直磁场和微型电磁驱动线圈阵列产生的扰动磁场叠加，增加磁液变形镜的变形量，并使镜面响应线性化。

4.如权利要求1所述基于反射薄膜的磁液变形镜，其特征在于，所述第一容器底部是蜂窝型排布的凸台。

5.如权利要求1所述基于反射薄膜的磁液变形镜，其特征在于，所述反射薄膜的材料为聚氨酯，厚度小于10um，利用溅射法在其表面制备一层固态纳米金属膜，来提高镜面反射率。

6.如权利要求1所述基于反射薄膜的磁液变形镜，其特征在于，所述永磁环是六个尺寸和剩磁完全相同的磁环，同轴紧密排列，并对每个磁环进行轴向磁化，为在磁环内部产生均匀大磁场，尺寸设计为内径70mm，外径140mm，高20mm。

7.如权利要求1所述基于反射薄膜的磁液变形镜，其特征在于，所述微型电磁驱动线圈阵列由电磁线绕制而成，用于产生扰动磁场。

8.一种基于反射薄膜的磁液变形镜的制造方法，其特征在于，其包含以下制备步骤：

步骤一、 将微型电磁驱动线圈阵列安装于容器内底部的蜂窝型排布的凸台上，并将微型电磁驱动线圈阵列的引线从磁液变形镜容器壁上的孔中引出，一端接在电流驱动电路上，另一端接地；

步骤二、将圆形薄壁容器固定在步骤一中装有微型电磁驱动线圈阵列的容器上部，该圆形薄壁容器的底部刚好与微型电磁驱动线圈阵列的顶部接触；

步骤三、 将磁性液体倒入圆形薄壁容器中，作为变形镜镜面驱动载体；

步骤四、将弹性反射膜均匀平整地铺在磁性液体的表面，用于提高镜面的反射率；

步骤五、把基于反射薄膜的磁液变形镜放置在永磁环内部中心位置，利用支架使镜面高度正好是永磁环高度的一半，完成磁液变形镜的组装。