CN110543010B - 一种超精密主动光学调制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多区间热变形调制的超精密主动光学调制方法及系统。本系统包括反射镜、多路可控电源、反馈控制组件和面形监测设备；其中，所述反射镜的底层为高电阻率材料层，底层之上为低电阻率材料层，所述低电阻率材料层上设置多对电极，每一对电极用于通电后对低电阻率材料层设定表层局部区域产生热变形；所述多路可控电源中的每一路与一对电极连接，用于控制对应对电极的电流大小；所述面形监测设备，用于监测低电阻率材料层的热变形并将监测信息发送给反馈控制组件；所述反馈控制组件，用于根据收到的监测信息确定各对电极的最优电流大小。本发明提供一种具有高空间分辨、高稳定性特征的变形镜及主动光学系统，结构简单、性能稳定。

Description

一种超精密主动光学调制方法及系统

技术领域

本发明涉及基于镜体表面局部热变形的主动光学调制技术，特别涉及一种超高精度反射镜面形修正的主动光学调制方法及系统。

背景技术

高端光学仪器/设备中，为了保证传输光束的相位品质，对光学器件的面形等的精度有非常高的要求。以光刻机为例，为达到衍射极限的聚焦，需要将光束的波前畸变控制在非常低的水平。特别是中低频误差破坏了拓宽了系统点扩散函数，进而降低了成像质量。然而，考虑加工工艺、机械安装、环境差异等多方面因素，仅靠无限提升单个光学器件的品质的方法，不但成本比较高，而且工程实现的风险也非常大。因此在精密光学设备中还需要有主动光学的思考。主动光学技术在现代超精密光学仪器/设备有很多重要的作用。例如引力波干涉仪、超大口径的光学天文望远镜等。主动光学技术通过在镜面上产生特定面形，调制补偿反射/透射不完美光学器件光束的波前，使光学仪器/设备整体达到衍射极限的要求。

目前，一般使用的主动光学调制包括压电变形镜(参考Nakamori H,Matsuyama S,Imai S, et al.Experimental and simulation study of undesirable short-perioddeformation in piezoelectric deformable x-ray mirrors[J].Review of scientificinstruments,2012,83(5):053701)、多点机械压弯镜(参考Nicolas J,Ruget C,JuanhuixJ,et al.Focusing and defocusing using mechanically corrected mirrors at theMX beamline at Alba[C]//Journal of Physics:Conference Series.IOP Publishing,2013,425(5):052016)、激光加热式主动变形镜等的方法(参考Yang F,Li M,Gao L, etal.Laser-heating-based active optics for synchrotron radiation applications[J].Optics letters, 2016,41(12):2815-2818)。这些基于机械应力变形的变形设备普遍存在空间分辨率较低和稳定性的问题。以压电变形镜为例，双压电片反射镜的基本原理：给压电陶瓷加载电压，压电陶瓷驱动器发生膨胀或收缩，进而引起被粘贴的反射镜变形。通过控制加载电压，为了获得一定的变形。在整个口径范围内，每个压电驱动器和驱动器上的电极尺寸是分段整体，也就是说空间分辨率小于电极尺寸。受限于工艺问题，压电反射镜的长度一般比较短。关于稳定性，由于机械应力释放以及电极热效应，变形镜产生的变形也是不稳定的。实验显示压电反射镜的调节后，曲率半径在一天的时间里变化2％，在最初的20分钟与之后的曲率变化反向，这个趋稳的时间尺度与加载电压相关(参考Alcock S G,SutterJ P,Sawhney K J S,et al.Bimorph mirrors:the good,the bad,and the ugly[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A:Accelerators,Spectrometers,Detectors and Associated Equipment,2013,710:87-92)。基于激光加热的主动变形镜基于表面加热变形效应，而且由于加热点(或者说热源)尺寸可调，因此具有空间分辨率高，调节维度多的优势。然而，这种方法也存在加热效率低，同时激光光路的调制增加了整个系统集成难度。

发明内容

本发明提出一个采用高/低电阻率的复合材料基材，并通过多组电极对低电阻率的表层通电使镜面表层的局部自发热产生镜面的微小变形从而达到修正面型的方法。本发明提供一种具有高空间分辨、高稳定性特征的变形镜及主动光学系统，该系统结构简单、性能稳定。

本发明的技术方案为：

一种复合材料基材，其特征在于，包括上下两层，其中下层为高电阻率材料层，上层为低电阻率材料层。

进一步的，所述下层为高阻抗单晶硅，所述上层厚度为10～100微米；下层电阻率与上层电阻率的比值大于10。

进一步的，通过对所述下层进行改质将下层的表层若干厚度部分变成低电阻率形成所述上层；或通过外延生长技术在所述下层的表层上制备所述上层。

一种反射镜，其特征在于，反射镜的底层为高电阻率材料层，底层之上为低电阻率材料层，所述低电阻率材料层上设置多对电极，每一对电极用于通电后对低电阻率材料层设定表层局部区域产生热变形。

进一步的，所述低电阻率材料层的上表面为反射镜的反射面；或者在所述低电阻率材料层的上表面镀一反射层作为反射镜的反射面。

进一步的，所述低电阻率材料层为台阶结构，所述多对电极设置在台阶沿长度方向的两侧面，台阶的顶面为反射镜的反射面。

进一步的，所述底层为高阻抗单晶硅，底层电阻率与低电阻率材料层的比值大于10。

一种基于多区间热变形调制的超精密主动光学调制系统，其特征在于，包括反射镜、多路可控电源、反馈控制组件和面形监测设备；其中，

所述反射镜的底层为高电阻率材料层，底层之上为低电阻率材料层，所述低电阻率材料层上设置多对电极，每一对电极用于通电后对低电阻率材料层设定表层局部区域产生热变形；

所述多路可控电源中的每一路与一对电极连接，用于控制对应对电极的电流大小；

所述面形监测设备，用于监测低电阻率材料层的热变形并将监测信息发送给反馈控制组件；

所述反馈控制组件，用于根据收到的监测信息确定各对电极的最优电流大小。

进一步的，还包括一冷却组件，用于调节所述反射镜的底层温度保持在设定温度范围内；所述上层低电阻率材料层厚度应控制在小于电极间距d*M；M<5。

一种超精密主动光学调制方法，其步骤包括：

1)在所述反射镜的低电阻率材料层上设定N个监测区域，N为所述反射镜上的电极对个数；

2)每次选取一个电极对进行通电，并监测N各监测区域的热变形；其中，第i对电极的电流产生的热变形为f_i(x_j)，x_j是沿反射镜体长度方向的第j个监测区域，i＝1,2,…,N,j＝1,2,…,N；

3)设置x_j位置处的目标镜面变形为S_j＝S(x_j)，第i对电极的电流为I_i，构建优化方程

4)对所述优化方程求解，得到各对电极的电流加载值{I_i}。

由于半导体工业的发达，可以获得米级长度的高阻抗单晶硅，并通过改质或外延生长技术可将其表层几十微米厚的部分变成低电阻率的部分。这样一来，从阳极电极流入的电流就可以主要通过材料的表层到达阴极，达到使材料表层局部发热、精密调制波前的目的。这是一种非常简洁的主动光学调制方案，可具有较高的调制空间频率范围和较好的系统稳定性。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)通过对材料2D的晶格修正，实现对反射面形修正，以及蜈蚣脚的电极布置去除了加热通道数N物理上空间的限制，因此能够实现高空间分辨面形调制。

2)受益于稳定的温度检测和电流的控制，系统的稳定性高。

3)能够实现大尺寸的镜面面型修正，特别适合同步辐射束线上应用。

4)费用比较廉价。

附图说明

图1示意性地给出了根据本发明总体构思的实施例的变形镜及主动光学系统的结构图；

图2示意性地给出了复合单晶硅的镜体设计；

(a)蜈蚣脚电极表面加热方案；(b)侧边电极加热方案；

图3为本发明中对应图2的掺杂硅反射镜的下层冷却结构示意图；

(a)内部管道结构冷却；(b)翅片结构冷却；

图4为有限元仿真计算并对比了有无翅片结构时，单电极加热响应函数的曲线图。

其中，1-多电极复合型单晶硅反射镜，2-多路可控电源，3-冷却组件，4-反馈控制组件，5-电极，6-连接件，7-面形监测设备，21-上层掺杂低阻抗区，22-下层高阻抗区， 23-反射镜面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描叙，附图中相同的标号始终表示相同的部件。

实施例1：

参照图1，该超高精度面形检测系统包括：多电极复合型单晶硅反射镜1、多路可控电源 2、冷却组件3、反馈控制组件4和面形监测设备7。

多电极复合型单晶硅反射镜，是指底部材料整体呈高电阻率，但靠近反射面的表层部分呈低电阻率模式的材料，并且在其表面布有规则的多电极形成调制电路，底层高电阻率材料层的电阻与上层低电阻率材料层的电阻的比值应大于10；多路可控电源2用于提供稳定、可调的电流，与多电极复合型单晶硅反射镜1的周期性布置的电极相连，通过控制各路电流的大小局部加热反射镜表面，实现多电极复合型单晶硅反射镜1表面变形调制的目的；冷却组件3用于吸收流入反射镜的总热量，让反射镜整体处于动态热平衡，同时与局部加热的部分构成优化的温度场。反馈控制组件4根据测量信号，数据处理获得并反馈调节所述多路电源的各路电流。

图2给出了多电极复合型单晶硅反射镜1的具体三维结构示意图，主要包含四个区域：上层掺杂低阻抗区21，下层高阻抗区22，反射镜面23，和多组电极5。镜体沿厚度方向分为上下两层。通过控制上层掺杂区21掺杂量调节电阻率，也是电发热区域，实现反射镜面23的热变形。二者原子结构层一致，但上下两层的电学性质不同。反射镜上层两侧镀有电极5，见图2(b)，或者反射镜表面镀有电极5，见图2(a)，沿着长度方向均匀分布N路电极，分别与所述多路可控电源2连接。图2(a)为体加热，低电阻率层比较薄，因此电流密度较下层的高，可以产生较大焦耳热；图2(b)为表面加热，掺杂区域仅为表面几十微米到几百微米的厚度(可以选取为10～1000微米)，适合用于产生高空间分辨的热变形。上层掺杂区21，可以局部均匀掺杂，或者外延生长以控制部分的电阻率。当仅使用反射镜中心区域很小一部分区域时，上层掺杂区域21靠近反射镜面23部分可以做成台阶结构，如图2(a)，提高电热效率，台阶宽度和高度根据热变形调节精度和幅度优化设计。低电阻率层的厚度主要作用是作为热源，高电阻率层主要是产生反射镜体热变形和冷却(调节反射镜体的工作温度)；针对不同的应用需求，高电阻率层与低电阻率层的厚度比可以不同，对于高精度的面形调制，调制幅度低，因此高电阻率层厚度可以低一些；对于调制幅度高的情况，高电阻率层厚度越厚越好。一般而言，对于高电阻率层材料厚度极限可以为无穷大，上层低电阻率材料层厚度应控制在小于电极间距d*M(M<5)，从而尽量减少相邻电极对之间的电流串扰。

多电极复合型单晶硅反射镜1的下层非掺杂区22为高阻抗的单晶硅，电阻率可以很高，主要作用是基材实现镜子的冷却及装夹固定。下层非掺杂区22采用水冷方式进行温度调节，可以是底部冷却，也可以内部管道冷却。

图3给出了下层非掺杂区22的两种不同的三维冷却结构。图3(a)中，冷却液体经过内部流通管道对镜体散热；图3(b)利用翅片结构与冷却液体外部接触散热。通过这两种方式可以产生非常更大的局域温度梯度，进而产生更高空间频率响应的热变形。

图4为利用有限元仿真计算并对比了有无翅片结构时，单电极加热响应函数的曲线。很明显，带翅片冷却结构时，函数半高宽更窄，这证明通过翅片结构散热提高面形调制空间频率的方案非常有效。

通过外部冷却组件3控制整体平衡温度。冷却组件3具有精密的温度监测及恒温能力，流量、流速、温度均可动态调节，可以精确控制掺杂硅镜体的平衡温度或者工作温度。

反馈控制组件4控制多路可控电源2的基本方案如下：

面形监测设备7用于测量反射镜面23热变形，测量的数据提供给反馈控制组件4。

实验测量第i对电极的电流产生的热变形为f_i(x_j)，其中x_j是沿掺杂硅镜体长度方向的第j 个位置，i＝1,2,…,N,j＝1,2,…,N。本发明设置N个位置采样区，N对电极；每次选取一对电极进行通电测量N各位置的热变形。

设置x_j位置处的目标镜面变形为S_j＝S(x_j)，第i电极的电流为I_i，构建如下优化方程：

结合矩阵方程优化求解等数值运算方法可以计算各电极的电流加载值{I_i}，i＝1,2,…,N。

以上所述，仅为本发明的一个具体实施方式的概念图，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于多区间热变形调制的超精密主动光学调制系统，其特征在于，包括反射镜、多路可控电源、反馈控制组件和面形监测设备；其中，

反射镜包含四个区域：高电阻率材料层、低电阻率材料层、反射镜面和多对电极，反射镜体由所述高电阻率材料层和所述低电阻率材料层组成；所述反射镜的底层为所述高电阻率材料层，底层之上为所述低电阻率材料层，所述低电阻率材料层上设置所述多对电极，每一对电极用于通电后对所述低电阻率材料层设定表层局部区域产生热变形；其中所述低电阻率材料层的作用是作为热源，所述高电阻率材料层用于使所述反射镜体产生热变形；

所述多路可控电源中的每一路与一对电极连接，用于控制对应对电极的电流大小；

所述面形监测设备，用于监测所述反射镜面的热变形并将监测信息发送给所述反馈控制组件；

所述反馈控制组件，用于根据收到的监测信息确定各对电极的最优电流大小。

2.如权利要求1所述的超精密主动光学调制系统，其特征在于，还包括一冷却组件，用于调节所述反射镜的底层温度保持在设定温度范围内。

3.一种基于权利要求1所述超精密主动光学调制系统的超精密主动光学调制方法，其步骤包括：

1）在所述反射镜的低电阻率材料层上设定N个监测区域，N为所述反射镜上的电极对个数；

2）每次选取一个电极对进行通电，并监测N个监测区域的热变形；其中，第i对电极的电流产生的热变形为f _i (x _j )， x _j 是沿反射镜体长度方向的第j个监测区域，i= 1, 2, …, N,j= 1, 2, …, N；

3）设置x _j 位置处的目标镜面变形为S _j = S(x _j )，第i对电极的电流为I _i ，构建优化方程

4）对所述优化方程求解，得到各对电极的电流加载值{I _i }。

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