CN109283682A - 一种压电驱动双面螺旋相位反射镜及其电激励方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种压电驱动双面螺旋相位反射镜及其电激励方法，它包括：反射镜片(2)、压电陶瓷(1)、柔性支撑材料(3)、电源接头(5)和印刷电路板(4)；电源接头(5)通过电源线(6)与压电陶瓷(1)正面上的电极相连；反射镜片(2)粘结在压电陶瓷(1)的反面；电源接头(5)安装在印刷电路板(4)上，与印刷电路板(4)相连；压电陶瓷(1)的正面与印刷电路板(4)之间安装有柔性支撑材料(3)。本发明结构设计合理，通过改变螺旋线十指交叉电极的宽度和间距，能够产生特定方向的电场，使得压电陶瓷产生螺旋变形，且可通过调节电压改变该压电驱动双面螺旋相位反射镜调节螺旋的变形，因而具有方便、快速调节的特性。

Description

一种压电驱动双面螺旋相位反射镜及其电激励方法
技术领域
本发明涉及一种压电驱动双面螺旋相位反射镜及其电激励方法，属微机电系统领域。
背景技术
涡旋光束技术在光镊、微粒子操控、光通信、望远镜和微马达技术等方面展现了广阔的应用前景。目前实验室产生涡旋光束的方法主要有几何模式转换法、螺旋相位板法、计算全息法和空间光调制器法来获取涡旋光束；但几何模式转换法的转换系统较复杂，各参数不易控制；计算全息法因为衍射效率不高所以只适合产生较低阶的涡旋光束；虽然空间光调制器法能够较灵活地控制光束各参数，产生高质量的涡旋光束，但受限于自身的液晶结构，不能处理功率高的激光束；螺旋相位板法能实现较高的涡旋光束转换效率，并且能克服空间光调制器的缺点，对高功率光束进行转换。目前广泛使用的螺旋相位板大多是利用超精密加工技术加工出具有某一特定螺旋形状和尺寸的光洁螺旋面，某一螺旋相位板只能调制出某一特定拓扑载荷的涡旋光束。
发明内容
本发明目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种结构简单、可以快速调节的压电驱动双面螺旋相位反射镜，能够快速调制出多种拓扑载荷的涡旋光束。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
一种压电驱动双面螺旋相位反射镜，它包括：反射镜片、压电陶瓷、柔性支撑材料、电源接头和印刷电路板；
电源接头通过电源线与压电陶瓷正面上的电极相连；反射镜片粘结在压电陶瓷的反面，压电陶瓷的背面朝上；
电源接头安装在印刷电路板上，与印刷电路板相连；压电陶瓷的正面与印刷电路板之间安装有柔性支撑材料；
所述压电陶瓷的正面均匀分布具有螺旋线形状的十指交叉电极，所述螺旋线为等角螺旋线，螺旋线具有变宽度和变间距的特点；所述压电陶瓷的反面的电极与正面的电极结构尺寸相同，但是螺旋方向与正面电极呈反向对称，且反面的螺旋线为等角螺旋线，螺旋线具有变宽度和变间距的特点；
作为优选方案，以上所述的压电驱动双面螺旋相位反射镜，螺旋线具有的宽度变化范围为80微米～450微米，对应的间距变化范围为200微米～750微米；螺旋线宽度和间距的比值范围为0.4～0.6，最佳比值为0.45～0.55之间。本发明通过大量实验筛选，当螺旋线宽度和间距的比值范围最佳比值为0.45～0.55之间时，可使压电陶瓷的变形更符合理论的螺旋线形，这样可保证得到最优的涡旋光束。
本发明可通过改变上述螺旋线十指交叉电极的宽度和间距，能够产生特定方向的电场，使得压电陶瓷产生螺旋变形。
作为优选方案，以上所述的压电驱动双面螺旋相位反射镜，压电陶瓷为近似圆环形结构，该圆环具有一个缺口。作为优选，该圆环具有一个小于0.1mm的缺口，压电陶瓷的厚度不超过0.2mm。
作为优选方案，以上所述的压电驱动双面螺旋相位反射镜，所述反射镜片与压电陶瓷的外形和尺寸完全相同，并粘结在压电陶瓷的背面。作为优选，所述反射镜片为超精密加工硅片，厚度不超过0.5mm。
作为优选方案，以上所述的压电驱动双面螺旋相位反射镜，所述的柔性支撑材料为聚酯类柔性橡胶材料。
作为优选方案，以上所述的压电驱动双面螺旋相位反射镜，通过改变螺旋线十指交叉电极的激励电压，能够改变压电陶瓷螺旋变形的大小。并且可通过改变螺旋线形类十指交叉电极的激励电压，能够改变压电陶瓷螺旋变形的大小。
一种压电驱动双面螺旋相位反射镜的电激励方法，具体电激励方法为：
在压电陶瓷的双面设计等角螺旋线形状的类十指交叉电极，对十指交叉电极同时施加0～200V的直流电压时，使压电陶瓷能够实现螺旋形状的静变形，从而改变激励电压的大小，实现螺旋变形大小的调节，从而使螺旋相位反射镜能够调制出具有不同拓扑载荷的涡旋光束。
有益效果：
本发明提供的压电驱动双面螺旋相位反射镜，结构设计合理，可以快速调节，且能够快速调制出多种拓扑载荷的涡旋光束。
并且本发明利用压电陶瓷片的大变形特性，通过设计具有等角螺旋线形状的类十指交叉电极，实现压电陶瓷的螺旋变形。通过在0～200V范围内改变压电陶瓷片激励电压，能够快速实现螺旋变形大小的调节，因而通过改变激励电压，该螺旋相位反射镜能够调制出不同拓扑载荷的涡旋光束。
附图说明
图1是本发明所述的压电驱动双面螺旋相位反射镜的结构示意图。
图2的本发明所述的压电陶瓷正面的电极分布和电场分布示意图。
图3是本发明所述的压电陶瓷正面电极的螺旋线结构尺寸示意图。
图4是本发明所述的压电陶瓷反面电极的螺旋线结构尺寸示意图。
图5是本发明所述的压电陶瓷和反射镜片的外形图。
具体实施方式
实施例1
如图1、图3、图4和图5所示，一种压电驱动双面螺旋相位反射镜，它包括：反射镜片2、压电陶瓷1、柔性支撑材料3、电源接头5和印刷电路板4；
电源接头5通过电源线6与压电陶瓷1正面上的电极相连；反射镜片2粘结在压电陶瓷1的反面；
电源接头5安装在印刷电路板4上，与印刷电路板4相连；压电陶瓷1的正面与印刷电路板4之间安装有聚酯类柔性橡胶材料。
以上所述压电陶瓷1的正面均匀分布具有螺旋线形状的十指交叉电极，所述螺旋线为等角螺旋线，螺旋线具有变宽度和变间距的特点；所述压电陶瓷1的反面的电极与正面的电极结构尺寸相同，但是螺旋方向与正面电极呈反向对称，且反面的螺旋线为等角螺旋线，螺旋线具有变宽度和变间距的特点；螺旋线具有的宽度变化范围为0微米～450微米，对应的间距变化范围为200微米～750微米；螺旋线宽度和间距的比值范围为0.4～0.6，最佳比值为0.45～0.55之间。
以上所述的压电驱动双面螺旋相位反射镜，压电陶瓷1为近似圆环形结构，该圆环具有一个缺口。所述反射镜片2与压电陶瓷1的外形和尺寸完全相同，并粘结在压电陶瓷1的反面。
实施例2
一种压电驱动双面螺旋相位反射镜的电激励方法，具体电激励方法为：当施加(0～200V)范围内的某一电压(比如50V)时，压电陶瓷片内部将会分布图2所示的电场分布，在逆压电效应的作用下，压电陶瓷片会发生螺旋变形，从而带动反射镜片也发生螺旋变形(50V时，螺旋变形最大高度为6.5～7.5微米)，从而形成的螺旋反射镜面，该螺旋反射镜面能够调制出拓扑载荷为7～9的涡旋光束。由于该系统的共振频率范围为800Hz～1000Hz，因而能够在500Hz范围内快速调节电压和螺旋变形的大小。
当激励电压快速调节到(0～200V)范围内的另一电压(比如100V)时，在逆压电效应的作用下，压电陶瓷片会发生螺旋变形，从而带动反射镜片也发生螺旋变形(100V时，螺旋变形最大高度为13～15微米左右)，从而形成的螺旋反射镜面，该螺旋反射镜面能够调制出拓扑载荷为14～18的涡旋光束。
如图2中所示螺旋线为等角螺旋线，螺旋线方程为r＝a.eθ(a≥1，单位mm)。当给图2所示的螺旋线形类十指交叉电极施加图中所示的电压(比如100V)时，将会在压电陶瓷内部产生图2中所示的电场，所述电场的方向与极径方向成45°夹角。
由于压电陶瓷的逆压电效应，在区域I会产生n向和t向的压应变，在区域II会产生n向的拉应变和t向的压应变。当选择合适的电极宽度wA(300微米)和电极间距dA(147微米)，能使得区域I和区域II内的总体拉应变等于总体压应变。所述总体拉应变方向与电场一致，所述总体压应变与电场方向垂直。由上述应变特征可以导致压电陶瓷的螺旋变形。
本发明上述压电陶瓷的螺旋变形的大小可以通过调节压电陶瓷正面电极的激励电压来实现。当所述激励电压增加，压电陶瓷内部的电场强度也随之增加，从而使得总体拉应变和总体压应变的数值都增加，这样可以得到变形较大的螺旋面。反过来，所述激励电压变小，则得到变形较小的螺旋面。因此，改变激励电压的大小，很容易获得不同变形大小的螺旋面，取得了非常好的技术效果。

Claims (7)

1.一种压电驱动双面螺旋相位反射镜，其特征在于，它包括：反射镜片(2)、压电陶瓷(1)、柔性支撑材料(3)、电源接头(5)和印刷电路板(4)；
电源接头(5)通过电源线(6)与压电陶瓷(1)正面上的电极相连；反射镜片(2)粘结在压电陶瓷(1)的反面，压电陶瓷(1)的反面朝上；
电源接头(5)安装在印刷电路板(4)上，与印刷电路板(4)相连；压电陶瓷(1)的正面与印刷电路板(4)之间安装有柔性支撑材料(3)；
所述压电陶瓷(1)的正面均匀分布具有螺旋线形状的十指交叉电极，所述螺旋线为等角螺旋线，螺旋线具有变宽度和变间距的特点；所述压电陶瓷(1)的反面的电极与正面的电极结构尺寸相同，但是螺旋方向与正面电极呈反向对称，且反面的螺旋线为等角螺旋线，螺旋线具有变宽度和变间距的特点。
2.根据权利要求1所述的压电驱动双面螺旋相位反射镜，其特征在于：螺旋线具有的宽度变化范围为80微米～450微米，对应的间距变化范围为200微米～750微米；螺旋线宽度和间距的比值范围为0.4～0.6，最佳比值为0.45～0.55之间。
3.根据权利要求1或2所述的压电驱动双面螺旋相位反射镜，其特征在于：压电陶瓷(1)为近似圆环形结构，该圆环具有一个缺口。
4.根据权利要求4所述的压电驱动双面螺旋相位反射镜，其特征在于：所述反射镜片(2)与压电陶瓷(1)的外形和尺寸完全相同，并粘结在压电陶瓷(1)的反面。
5.根据权利要求5所述的压电驱动双面螺旋相位反射镜，其特征在于：所述的柔性支撑材料为聚酯类柔性橡胶材料。
6.根据权利要求3所述的压电驱动双面螺旋相位反射镜，其特征在于，通过改变螺旋线十指交叉电极的激励电压，能够改变压电陶瓷(1)螺旋变形的大小。
7.一种压电驱动双面螺旋相位反射镜的电激励方法，其特征在于，在压电陶瓷的双面设计等角螺旋线形状的类十指交叉电极，对十指交叉电极同时施加0～200V的直流电压时，使压电陶瓷能够实现螺旋形状的静变形，从而改变激励电压的大小，实现螺旋变形大小的调节，从而使螺旋相位反射镜能够调制出具有不同拓扑载荷的涡旋光束。
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