RU2106670C1

RU2106670C1 - Wave-front phase modulator

Info

Publication number: RU2106670C1
Application number: RU95115509A
Authority: RU
Inventors: Г.А. Житомирский; А.Е. Панич
Original assignee: Научное конструкторско-технологическое бюро "Пьезоприбор" при Ростовском государственном университете
Priority date: 1995-09-04
Filing date: 1995-09-04
Publication date: 1998-03-10

Abstract

FIELD: optics. SUBSTANCE: phase modulator has deformed mirror, rigid base, piezoelectric elements, fork-shaped pushers, bearing grid, prismatic fillets, and flexible circular members formed by eccentric cylindrical surfaces. EFFECT: enhanced controlled deformation of modulator mirror. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области оптики и предназначено для использования в качестве исполнительного устройства в адаптивных оптических системах. The invention relates to the field of optics and is intended for use as an actuator in adaptive optical systems.

Известно пьезоэлектрическое исполнительное устройство системы управления оптическим лучом (патент Великобритании N 1517469, МКл. G 02 F 1/29, 1978). Устройство содержит пластину из пьезоэлектрического материала с электродами, нанесенными на торцевые поверхности. Приложение электрического поля к пластине вызывает изменение ее толщины вследствие продольного пьезоэффекта. Устройство осуществляет фокусировку мощного лазерного луча, обладает высоким быстродействием, но вследствие малой толщины пьезоэлемента обеспечивает малое перемещение зеркала, что не позволяет изменять фазу волнового фронта в интервале, достаточном для эффективной компенсации атмосферных искажений в информационных системах. Known piezoelectric actuator of the optical beam control system (UK patent N 1517469, MKL. G 02 F 1/29, 1978). The device comprises a plate of piezoelectric material with electrodes deposited on the end surfaces. The application of an electric field to the plate causes a change in its thickness due to the longitudinal piezoelectric effect. The device focuses a powerful laser beam, has a high speed, but due to the small thickness of the piezoelectric element provides a small mirror movement, which does not allow changing the phase of the wavefront in the range sufficient to effectively compensate for atmospheric distortions in information systems.

Наиболее близким аналогом является фазовый модулятор волнового фронта (патент США N 4257686, МКл. G 02 F 1/00, 1981). Устройство содержит деформируемое зеркало, жесткое основание и пьезоэлементы, размещенные между зеркалом и основанием. Пьезоэлемент, использующий продольный пьезоэффект, представляет собой многослойную структуру, в которой суммируются пьезоэлектрические деформации отдельных слоев. Устройство обладает высоким быстродействием и обеспечивает деформацию зеркала до 1 мкм, достаточную для фазовой коррекции волнового фронта оптического излучения видимого диапазона. Однако в получающих широкое распространению адаптивных оптических системах длинноволнового инфракрасного диапазона коррекция волнового фронта, соизмеряемая с длиной волны оптического излучения, должна быть порядка нескольких микрометров, а в некоторых случаях для излучения лазеров на углекислом газе, аммиаке и четырехфтористом углероде составлять несколько десятков микрометров, что существенно выше, чем достигается в известном устройстве. The closest analogue is the wavefront phase modulator (US patent N 4257686, MKL. G 02 F 1/00, 1981). The device contains a deformable mirror, a rigid base and piezoelectric elements placed between the mirror and the base. A piezoelectric element using a longitudinal piezoelectric effect is a multilayer structure in which piezoelectric deformations of individual layers are summarized. The device has a high speed and provides a deformation of the mirror up to 1 μm, sufficient for phase correction of the wavefront of the optical radiation of the visible range. However, in the widely used adaptive optical systems of the long-wavelength infrared range, the wavefront correction, commensurate with the wavelength of optical radiation, should be of the order of several micrometers, and in some cases for radiation of carbon dioxide, ammonia, and carbon tetrafluoride lasers, be several tens of micrometers, which is significantly higher than achieved in the known device.

Изобретение позволяет обеспечить увеличение деформации зеркала фазового модулятора волнового фронта и тем самым расширить возможности адаптивных оптических систем в области оптического излучения инфракрасного диапазона. The invention allows to increase the deformation of the mirror of the wavefront phase modulator and thereby expand the capabilities of adaptive optical systems in the field of optical radiation of the infrared range.

Указанный технический эффект достигается тем, что фазовый модулятор волнового фронта, содержащий деформируемое зеркало, жесткое основание и размещенные между зеркалом и основанием пьезоэлементы, содержит также опорную решетку, жестко связанную с основанием и расположенную между пьезоэлементами и зеркалом, призматические балки, жестко связанные с решеткой, упругие кольцеобразные элементы, образованные эксцентрическими цилиндрическими поверхностями, размещенные между призматическими балками и зеркалом, и жестко связанные с зеркалом, и вилкообразные толкатели, размещенные между пьезоэлементами и упругими элементами и жестко связанные с пьезоэлементами. The indicated technical effect is achieved in that the wavefront phase modulator comprising a deformable mirror, a rigid base and piezoelectric elements placed between the mirror and the base, also contains a support grating rigidly connected to the base and located between the piezoelectric elements and the mirror, prismatic beams rigidly connected to the grating, elastic ring-shaped elements formed by eccentric cylindrical surfaces placed between prismatic beams and a mirror and rigidly connected to the mirror , and fork-shaped pushers located between the piezoelectric elements and elastic elements and rigidly connected with the piezoelectric elements.

Создание фазового модулятора волнового фронта оптического излучения инфракрасного диапазона стало возможным благодаря новому принципу взаимодействия пьезоэлементов с деформируемым зеркалом. The creation of a phase modulator of the wavefront of infrared optical radiation has become possible thanks to the new principle of the interaction of piezoelectric elements with a deformable mirror.

Наиболее эффективные конструкции пьезоэлементов - многослойные структуры - обеспечивают значительные механические усилия, достигающие значений в несколько тысяч ньютонов (Никольский. Точные двухканальные следящие электроприводы с пьезокомпенсаторами. -М. : Энергоатомиздат. 1988, с. 20, 21). Однако в известных конструкциях фазовых модуляторов преимущества многослойных структур лишь частично используются, так как для деформации зеркала достаточно усилия в несколько десятков ньютонов. The most effective designs of piezoelectric elements - multilayer structures - provide significant mechanical effort, reaching values of several thousand Newtons (Nikolsky. Precise two-channel follow-up electric drives with piezoelectric compensators. -M.: Energoatomizdat. 1988, p. 20, 21). However, in the known constructions of phase modulators, the advantages of multilayer structures are only partially used, since a force of several tens of Newtons is sufficient to deform the mirror.

В предлагаемом фазовом модуляторе волнового фронта вилкообразные толкатели, опорная решетка, призматические балки, упругие элементы и деформируемое зеркало представляют собой механизм, преобразующий пьезоэлектрическую деформацию пьезоэлементов с высоким удельным усилием в перемещение поверхности зеркала, превышающее исходное перемещение толкателей в несколько раз. При этом усилие, прилагаемое к деформируемому зеркалу, уменьшается во столько же раз, но достаточно для перемещения поверхности зеркала в несколько десятков микрометров, т.е. для эффективной работы фазового модулятора в инфракрасном диапазоне. Таким образом, заявляемая совокупность существенных признаков обеспечивает полное использование энергии пьезоэлементов и преобразование ее в полезную работу, равную произведению усилия на перемещение. In the proposed wavefront phase modulator, fork-shaped pushers, a support lattice, prismatic beams, elastic elements and a deformable mirror are a mechanism that transforms the piezoelectric deformation of piezoelectric elements with high specific force into a mirror surface displacement several times greater than the initial displacement of the pushers. In this case, the force applied to the deformable mirror decreases by the same amount, but is sufficient to move the mirror surface by several tens of micrometers, i.e. for the effective operation of the phase modulator in the infrared range. Thus, the claimed combination of essential features ensures the full use of the energy of the piezoelectric elements and converts it into useful work, equal to the product of the effort to move.

Выполнение опоры механизма в виде решетки и призматических балок, вилкообразная форма толкателей и цилиндрическая форма упругих элементов придают элементам конструкции технологичность и компактность, необходимую для размещения механизма в ограниченном объеме фазового модулятора волнового фронта. The implementation of the support of the mechanism in the form of a lattice and prismatic beams, fork-shaped pushers and the cylindrical shape of the elastic elements give the structural elements the manufacturability and compactness necessary to place the mechanism in a limited volume of the wavefront phase modulator.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображены проекции общего вида фазового модулятора волнового фронта и схема электрических соединений одного канала фазового модулятора. The invention is illustrated in the drawing, which shows a projection of a General view of a phase modulator of the wave front and the electrical circuit of one channel of the phase modulator.

Фазовый модулятор содержит деформируемое зеркало 1, жесткое основание 2, пьезоэлементы 3, вилкообразные толкатели 4, кольцеобразные упругие элементы 5, опорную решетку 6, призматические балки 7 и стойки 8. Пьезоэлементы 3 выполнены в виде многослойного пакета из пьезоэлектрической керамики с управляющими электродами на главных поверхностях. Пластины соединены механически последовательно, а электрически - параллельно. Пьезоэлементы 3 подключаются к выходным усилителям 9 системы управления. Опорная решетка 6 выполнена путем фрезерования взаимно перпендикулярных пазов в монолитной плите и жестко связана при помощи стоек 8 с основанием 2. Пьезоэлементы 3 соединены с основанием 2 и толкателями 4 склейкой. Склейкой же соединены упругие элементы 5 с деформируемым зеркалом 1 непосредственно или через вспомогательные толкатели. Призматические балки 7 соединены склейкой с опорной решеткой 6. При монтаже фазового модулятора обеспечивают геометрическое силовое замыкание механизма, т.е. плотное прижатие призматических элементов толкателей 4 и балок 7 к упругим элементам 5. Кольцеобразные элементы 5 выполнены из бронзы и ограничены эксцентрическими цилиндрическими поверхностями. The phase modulator contains a deformable mirror 1, a rigid base 2, piezoelectric elements 3, fork pushers 4, ring-shaped elastic elements 5, a support grid 6, prismatic beams 7 and struts 8. Piezoelectric elements 3 are made in the form of a multilayer package of piezoelectric ceramics with control electrodes on the main surfaces . The plates are connected mechanically in series, and electrically in parallel. The piezoelectric elements 3 are connected to the output amplifiers 9 of the control system. The support lattice 6 is made by milling mutually perpendicular grooves in a monolithic plate and is rigidly connected using racks 8 to the base 2. The piezoelectric elements 3 are connected to the base 2 and pushers 4 by gluing. By gluing, the elastic elements 5 are connected with the deformable mirror 1 directly or through auxiliary pushers. Prismatic beams 7 are connected by gluing to a support grid 6. When mounting a phase modulator, they provide a geometric power circuit of the mechanism, i.e. tight pressing of the prismatic elements of the pushers 4 and beams 7 to the elastic elements 5. The ring-shaped elements 5 are made of bronze and are limited to eccentric cylindrical surfaces.

Фазовый модулятор волнового фронта работает следующим образом. The phase modulator of the wavefront works as follows.

С выхода усилителя 9 системы управления (не показана) на вход соответствующего пьезоэлемента 3 поступает сигнал, пропорциональный необходимому изменению фазы волнового фронта излучения, падающего на зеркало 1. В результате электромеханического преобразования за счет продольного пьезоэффекта длина пьезоэлемента 3 изменяется пропорционально управляющему сигналу. Механическое усилие от пьезоэлемента 3 через толкатель 4 прикладывается к упругому элементу 5. Происходит изгибная деформация упругого элемента 5, играющего роль криволинейного рычага, опирающегося на призматическую балку 7, закрепленную в решетке 6. Эксцентричность цилиндрических поверхностей обеспечивает переменное по длине окружности поперечное сечение элемента 5 и придает ему свойства балки равного сопротивления изгибу. Перемещение наибольшего сечения упругого элемента 5 пропорционально отношению диаметра d средней окружности элемента 5 к расстоянию b между призматическими опорами толкателя 4. Механическое усилие от элемента 5 прикладывается, в свою очередь, к деформируемому зеркалу 1. Таким образом, деформация зеркала 1, пропорциональная отношению d/b, может в несколько раз превышать деформацию пьезоэлемента 3, механическое усилие которого, приложенное к упругому элементу 5, в несколько же раз больше, чем необходимо для деформации зеркала 1. From the output of the amplifier 9 of the control system (not shown), a signal proportional to the necessary phase change of the wavefront of the radiation incident on the mirror 1 is received at the input of the corresponding piezoelectric element 3. As a result of the electromechanical transformation due to the longitudinal piezoelectric effect, the length of the piezoelectric element 3 changes in proportion to the control signal. The mechanical force from the piezoelectric element 3 through the pusher 4 is applied to the elastic element 5. There is a bending deformation of the elastic element 5, playing the role of a curved lever, resting on a prismatic beam 7, mounted in the lattice 6. The eccentricity of the cylindrical surfaces provides a cross-section of the element 5 and gives it the properties of a beam of equal bending resistance. The movement of the largest cross section of the elastic element 5 is proportional to the ratio of the diameter d of the middle circumference of the element 5 to the distance b between the prismatic supports of the pusher 4. The mechanical force from the element 5 is applied, in turn, to the deformable mirror 1. Thus, the deformation of the mirror 1 is proportional to the ratio d / b, can be several times greater than the deformation of the piezoelectric element 3, the mechanical force of which is applied to the elastic element 5, several times more than is necessary for the deformation of the mirror 1.

Деформация отражающей поверхности зеркала 1 приводит к изменению фазы волнового фронта в субапертуре зеркала 1, соответствующей данному каналу фазового модулятора. Deformation of the reflecting surface of mirror 1 leads to a change in the phase of the wave front in the subaperture of mirror 1 corresponding to this channel of the phase modulator.

Предлагаемый новый тип фазового модулятора волнового фронта позволяет существенно расширить возможность адаптивных оптических систем. В частности представляется возможность получения высокодетальных изображений космических аппаратов в искусственном (лазерном) свете, а также для передачи энергии и больших объемов информации с Земли на космические аппараты при помощи лазерных пучков высокой направленности
Адаптивная телескопическая система, использующая метод адаптации по так называемой "лазерной искусственной звезде" и предлагаемый фазовый модулятор волнового фронта, сможет решать научные задачи, требовавшие до сего времени применения крупных телескопов космического базирования.The proposed new type of wavefront phase modulator can significantly expand the ability of adaptive optical systems. In particular, it is possible to obtain highly detailed images of spacecraft in artificial (laser) light, as well as to transfer energy and large amounts of information from the Earth to spacecraft using high-beam laser beams
An adaptive telescopic system using the adaptation method for the so-called "artificial laser star" and the proposed wavefront phase modulator will be able to solve scientific problems that have so far required the use of large space-based telescopes.

Claims

A phase wavefront modulator containing a deformable mirror, a rigid base and piezoelectric elements placed between the mirror and the base, characterized in that it contains a support grating rigidly connected to the base and located between the piezoelectric elements and the mirror, prismatic beams rigidly connected to the grating, elastic elements made in the form of annular eccentric cylindrical surfaces placed between the prismatic beams and the mirror, rigidly connected with the mirror, and fork-shaped pushers, size ennye between the piezo elements and elastic elements, rigidly connected with the piezo elements.