RU2133052C1

RU2133052C1 - Phase modulator of wave front

Info

Publication number: RU2133052C1
Application number: RU97108510A
Authority: RU
Inventors: А.Е. Панич; А.И. Сокалло; А.В. Гориш; Ю.Н. Коптев
Original assignee: Научное конструкторско-технологическое бюро "Пьезоприбор" при Ростовском госуниверситете
Priority date: 1997-05-20
Filing date: 1997-05-20
Publication date: 1999-07-10

Abstract

FIELD: adaptive optical systems. SUBSTANCE: phase modulator of wave front is designed for use in the capacity of actuating device in adaptive optical systems. Modulator makes it feasible to improve correction of wave front and to ensure time and temperature stability of controlled alternating deformation of mirror of phase modulator in wide frequency range, to enhance reliability and efficiency of adaptive optical systems in all ranges of optical radiation. It includes deformed mirror, base and motors. Motors are manufactured in the form of E-shaped monoceramic blocks formed by three multilayer electrostrictive converters made fast with butts to common support. Second butts of two extreme converters are made fast to base and butt of central one is mechanically coupled through holes made in base to deformed mirror by means of elastic member anchored on it Elastic member is fabricated from material of mirror. Controlling electrodes of extreme converters are electrically connected in parallel and insulated from controlling electrodes of central converter. EFFECT: enhanced reliability and efficiency of adaptive optical systems using proposed phase modulator in all ranges of optical radiation. 5 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.

Известен пьезоэлектрический модулятор волнового фронта (см. патент США N 4248504, Н. кл. 350/360, М.кл. G 02 F 1/03, 1981), содержащий деформируемое зеркало и блок пьезокерамического материала, в котором локально вырезаны штыри, электромеханически развязанные друг от друга. Штыри выполняют роль пьезоэлектрических электромеханических преобразователей. Устройство имеет сравнительно высокую чувствительность. Однако для работы устройства необходимы высокие управляющие напряжения (порядка нескольких кВ). A known piezoelectric wavefront modulator (see US patent N 4248504, N. CL 350/360, Mcl G 02 F 1/03, 1981) containing a deformable mirror and a block of piezoceramic material in which the pins are locally cut, electromechanically untied from each other. The pins act as piezoelectric electromechanical transducers. The device has a relatively high sensitivity. However, the device requires high control voltages (of the order of several kV).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является многослойный пьезоэлектрический модулятор волнового фронта, описанный в патенте США N 4257686, G 02 F 1/00, 1981. Модулятор волнового фронта содержит деформируемое зеркало, основание и блок пьезоэлектрического материала, состоящий из ячеек с дискретной электрической адресацией. Устройство для электрического обращения к дискретной ячейке содержит электроды и два проводника. Каждая такая ячейка представляет собой многослойный электромеханический преобразователь. The closest in technical essence to the claimed invention is a multilayer piezoelectric wavefront modulator described in US patent N 4257686, G 02 F 1/00, 1981. The wavefront modulator contains a deformable mirror, a base and a block of piezoelectric material, consisting of cells with discrete electrical addressing. A device for electrical access to a discrete cell contains electrodes and two conductors. Each such cell is a multilayer electromechanical converter.

Достоинством устройства является сравнительно низкое управляющее напряжение. Однако известное устройство позволяет осуществить лишь однонаправленную деформацию зеркала, т.к. управляющее напряжение противоположного знака приводит к деполяризации пьезоэлектрических преобразователей и деградации их электромеханических характеристик. The advantage of the device is the relatively low control voltage. However, the known device allows only unidirectional deformation of the mirror, because the opposite voltage control leads to the depolarization of the piezoelectric transducers and the degradation of their electromechanical characteristics.

Для систем оптического мониторинга Земли необходимы фазовые модуляторы, обеспечивающие коррекцию волнового фронта в условиях турбулентности атмосферы и высокую стабильность знакопеременной деформации зеркала под воздействием переменного электрического напряжения. Optical Earth monitoring systems require phase modulators that provide wavefront correction under conditions of atmospheric turbulence and high stability of the alternating deformation of the mirror under the influence of alternating electric voltage.

Заявляемое изобретение позволяет улучшить коррекцию волнового фронта и обеспечить временную и температурную стабильность управляемой знакопеременной деформации зеркала фазового модулятора в широком диапазоне частот и тем самым повысить надежность и эффективность адаптивных оптических систем во всех диапазонах оптического излучения. The claimed invention allows to improve the correction of the wavefront and to provide temporary and temperature stability of the controlled alternating deformation of the mirror of the phase modulator in a wide frequency range and thereby increase the reliability and efficiency of adaptive optical systems in all ranges of optical radiation.

Указанный технический эффект достигается тем, что фазовый модулятор волнового фронта, содержащий деформируемое зеркало, основание и многослойные твердотельные электромеханические преобразователи, содержит также толкатели, выполненные из материала зеркала и размещенные между деформируемым зеркалом и электромеханическими преобразователями, электромеханические преобразователи выполнены в виде Ш-образных монокерамических блоков, каждый из которых образован тремя многослойными электрострикционными преобразователями, вертикально установленными и закрепленными на плоской опоре со стороны своих нижних торцевых поверхностей, при этом верхние торцевые поверхности двух крайних электрострикционных преобразователей механически соединена с основанием, а верхняя торцевая поверхность среднего электрострикционного преобразователя механически соединена посредством закрепленного на ней толкателя с деформируемым зеркалом через сквозные отверстия, выполненные в основании, управляющие электроды крайних электрострикционных преобразователей отдельного Ш-образного блока электрически соединены параллельно и электроизолированы от управляющих электродов среднего электрострикционного преобразователя. The indicated technical effect is achieved by the fact that the wavefront phase modulator containing a deformable mirror, a base and multilayer solid-state electromechanical converters also contains pushers made of mirror material and placed between the deformable mirror and electromechanical converters, the electromechanical converters are made in the form of Ш-shaped monoceramic blocks , each of which is formed by three multilayer electrostrictive converters, vertically at mounted and fixed on a flat support from the side of their lower end surfaces, while the upper end surfaces of the two extreme electrostrictive transducers are mechanically connected to the base, and the upper end surface of the middle electrostrictive transducer is mechanically connected through a pusher fixed to it with a deformable mirror through the through holes made in base, control electrodes of extreme electrostrictive transducers of a separate Ш-shaped block and electrically connected in parallel and electrically isolated from the control electrodes of the middle electrostrictive converter.

Создание фазового модулятора волнового фронта, обеспечивающего стабильность во времени и от температуры характеристик знакопеременной деформации зеркала до ±15 мкм с гистерезисом до 2%, обусловлено новой конструкцией многослойных электрострикционных преобразователей и новому принципу их расположения и крепления в адаптивном зеркале. The creation of a wavefront phase modulator that provides stability over time and from temperature to characteristics of alternating deformation of the mirror up to ± 15 μm with a hysteresis of up to 2% is due to the new design of multilayer electrostrictive converters and the new principle of their location and fastening in an adaptive mirror.

Использование толкателей для передачи деформации от электрострикционных преобразователей зеркалу под воздействием управляющего электрического напряжения и выполнение их из материала зеркала позволяют исключить скачки электрофизических (модули упругости) и тепловых (коэффициенты температурного расширения) характеристик в зоне контакта толкателей с поверхностью зеркала, что обеспечивает температурную и временную стабильность фазового модулятора в целом. The use of pushers for transferring deformation from electrostrictive converters to a mirror under the influence of a control electric voltage and their execution from the mirror material allows to exclude jumps in the electrophysical (elastic moduli) and thermal (thermal expansion coefficients) characteristics in the contact zone of the pushers with the mirror surface, which ensures temperature and temporary stability phase modulator as a whole.

Выполнение электромеханических преобразователей в виде Ш-образных монокерамических блоков, образованных тремя многослойными электрострикционными преобразователями, обеспечивает знакопеременную деформацию участков зеркала при подаче на соответствующие преобразователи управляющего электрического напряжения. The design of electromechanical converters in the form of W-shaped monoceramic blocks formed by three multilayer electrostrictive converters provides alternating deformation of the mirror sections when a control voltage is applied to the corresponding converters.

Более высокая эффективность деформация электрострикционных материалов, применяемых для выполнения твердотельных преобразователей, под действием электрических полей и практическое отсутствие остаточной деформации (гистерезиса) позволяют получить в малогабаритных жестких конструкциях большие стабильные во времени перемещения по сравнению с твердотельными преобразователями, выполненными из пьезоэлектрических материалов. Кроме того, отсутствие в электрострикционных материалах пьезоэффекта практически сводит к нулю взаимное влияние соседних многослонйных электрострикционных преобразователей при работе зеркала. В случае применения пьзеоэлектрических преобразователей это влияние заметно, т.к. при подаче электрического напряжения на один из преобразователей соседние преобразователи подвергаются существенным механическим напряжениям сжатия или растяжения. При этом на этих преобразователях появляется электрическое поле, которое, в свою очередь, вызывает их деформацию. Higher efficiency deformation of electrostrictive materials used to make solid-state transducers under the action of electric fields and the practical absence of residual deformation (hysteresis) make it possible to obtain large time-stable movements in small-sized rigid structures compared to solid-state transducers made of piezoelectric materials. In addition, the absence of a piezoelectric effect in electrostrictive materials practically nullifies the mutual influence of neighboring multilayer electrostrictive transducers during mirror operation. In the case of piezoelectric transducers, this effect is noticeable, because when an electrical voltage is applied to one of the transducers, adjacent transducers are subjected to significant mechanical compressive or tensile stresses. In this case, an electric field appears on these converters, which, in turn, causes their deformation.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и чертежами, где на фиг. 1 изображены проекции общего вида фазового модулятора: на фиг. 2 - проекции многослойного твердотельного электромеханического преобразователя в виде монокерамического блока, образованного тремя многослойными электрострикционными преобразователями; на фиг. 3 - электрическая схема подключения управляющих электродов электрострикционных преобразователей Ш-образного блока к источникам управляющего напряжения. The invention is illustrated by the following description and drawings, where in FIG. 1 shows projections of a general view of a phase modulator: in FIG. 2 is a projection of a multilayer solid-state electromechanical transducer in the form of a mono-ceramic block formed by three multilayer electrostrictive transducers; in FIG. 3 is a wiring diagram for connecting the control electrodes of the electrostrictive converters of the W-shaped block to the sources of control voltage.

Фазовый модулятор (фиг. 1) содержит деформируемое зеркало 1, основание 2, толкатели 3 и электромеханические преобразователи 4. Электромеханические преобразователи 4 (фиг. 2) выполнены в виде Ш-образных монокерамических блоков, образованных тремя идентичными многослойными электрострикционными преобразователями 4.1, 4.2, 4.3, вертикально установленными и закрепленными на общей опоре 5 со стороны своих нижних (относительно поверхности зеркала) торцевых поверхностей и имеющими дискретную электрическую адресацию. Крайние преобразователи 4.1 и 4.3 каждого Ш-образного блока механически связаны своими верхними торцевыми поверхностями с основанием 2, а средний преобразователь 4.2 своим верхним торцом механически соединен с деформируемым зеркалом посредством толкателя 3 через сквозные отверстия, выполненные в основании 2. The phase modulator (Fig. 1) contains a deformable mirror 1, base 2, pushers 3 and electromechanical converters 4. Electromechanical converters 4 (Fig. 2) are made in the form of W-shaped monoceramic blocks formed by three identical multilayer electrostrictive converters 4.1, 4.2, 4.3 vertically mounted and fixed on a common support 5 from the side of its lower (relative to the mirror surface) end surfaces and having a discrete electrical addressing. The extreme converters 4.1 and 4.3 of each Ш-shaped block are mechanically connected by their upper end surfaces to the base 2, and the middle converter 4.2 is mechanically connected with its upper end to the deformable mirror by means of the pusher 3 through the through holes made in the base 2.

Для получения электромеханического преобразователя в виде Ш-образного монокерамического блока, образованного тремя многослойными электрострикционными преобразователями, предварительно изготавливают заготовки размером (10х10х0,3) мм из электрострикционного материала магнониобата свинца (МНС-7.5), на поверхности которых наносятся серебряные электроды. Из готовых заготовок собирают с применением сварки на стекле многослойный пакет с расположением слоев, как это показано на фиг. 2,б. Пакет устанавливают на опоре размером (10х10х3) мм и приваривают на стекле С-30 при температуре Т= 800^oC с усилием поджатия 3 - 3 кг/см². После сварки готовый пакет прорезают до опоры для получения трех одинаковых фрагментов. Такая технология изготовления многослойного преобразователя с применением сварки на стекле позволяет упростить и удешевить традиционную пленочную технологию изготовления многослойных пакетов с использованием платино-палладиевой пасты. Фрагменты коммутируются, как это показано на фиг. 2,а.To obtain an electromechanical transducer in the form of a W-shaped monoceramic block formed by three multilayer electrostrictive transducers, preforms with a size of (10 × 10 × 0.3) mm are preliminarily made from lead electron friction material Magnoniobate (MHC-7.5), on the surface of which silver electrodes are applied. A multilayer bag with the arrangement of layers, as shown in FIG. 2, b. The package is mounted on a support measuring 10 × 10 × 3 mm and is welded on C-30 glass at a temperature of T = 800 ^° C with a preload force of 3–3 kg / cm ² . After welding, the finished bag is cut to a support to obtain three identical fragments. Such a technology for manufacturing a multilayer converter using glass welding makes it possible to simplify and reduce the cost of traditional film technology for manufacturing multilayer bags using platinum-palladium paste. Fragments are commutated as shown in FIG. 2 a.

Электрическая схема подключения управляющих электродов многослойных электрострикционных преобразователей 4.1, 4.2 и 4.3, образованных фрагментами, к управляющим источникам электрического напряжения E₁ и E₂ показана на фиг. 3, при этом управляющие электроды крайних преобразователей 4.1 и 4.3 (C₁ и C₃, соответственно) каждого отдельного Ш-образного блока электрически соединены параллельно и электроизолированы от управляющих электродов среднего преобразователя 4.2 (C₂).The electrical circuit for connecting the control electrodes of multilayer electrostrictive converters 4.1, 4.2 and 4.3, formed by fragments, to the control sources of electric voltage E ₁ and E _{2 is} shown in FIG. 3, while the control electrodes of the extreme converters 4.1 and 4.3 (C ₁ and C ₃ , respectively) of each individual W-shaped block are electrically connected in parallel and electrically isolated from the control electrodes of the middle transducer 4.2 (C ₂ ).

Деформируемое зеркало 1 и толкатели 3 выполнены из одного материала, в качестве которого выбран ситалл. The deformable mirror 1 and the pushers 3 are made of the same material, which is selected as a ceramic.

Все механические соединения в конструкции, а именно, деформируемого зеркала с толкателями, толкателей со средними преобразователями и крайних преобразователей с основанием выполнены также методом сварки на стекле C-30 при температуре 800^oC с усилием поджатия 3 - 5 кг/см². Это позволяет создать жесткую монолитную конструкцию фазового модулятора.All mechanical joints in the structure, namely, a deformable mirror with pushers, pushers with middle converters and extreme converters with a base, are also made by welding on C-30 glass at a temperature of 800 ^o C with a preload force of 3-5 kg / cm ² . This allows you to create a rigid monolithic design of the phase modulator.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

При подаче сигнала от источника управляющего электрического напряжения E₂ на управляющие электроды среднего преобразователя 4.2 Ш-образного блока вследствие электрострикционного эффекта происходит его удлинение, что вызывает перемещение толкателя 3 в направлении деформируемого зеркала 1 и приводит к положительной деформации соответствующего участка отражающей поверхности зеркала.When a signal is supplied from the source of control electric voltage E ₂ to the control electrodes of the middle converter 4.2 of the W-shaped block, it lengthens due to the electrostrictive effect, which causes the pusher 3 to move in the direction of the deformable mirror 1 and leads to positive deformation of the corresponding portion of the reflecting surface of the mirror.

При подаче электрического напряжения от источника E₁ на управляющие электроды крайних преобразователей 4.1 и 4.3 последние, деформируясь (удлиняясь), перемещают опору 5 относительно основания 2, создавая тем самым отрицательную деформацию отражающей поверхности зеркала на участке контакта последней с толкателем 3.When applying electric voltage from the source E ₁ to the control electrodes of the extreme converters 4.1 and 4.3, the latter, deforming (lengthening), move the support 5 relative to the base 2, thereby creating a negative deformation of the reflecting surface of the mirror in the area of contact of the latter with the pusher 3.

Величина управляющего сигнала определяется в зависимости от фазового искажения волнового фронта оптического луча, падающего на зеркало 1. Фазовое искажение вызываемое, например, атмосферными флуктуациями, измеряется датчиком волнового фронта, подключаемым к источнику управляющего сигнала. Для обеспечения деформации отражающей поверхности зеркала порядка ±3 мкм требуется управляющее напряжение до 200 В. В результате фазовой коррекции при указанных режимах оптический луч, отраженный от поверхности зеркала, имеет плоский волновой фронт. The magnitude of the control signal is determined depending on the phase distortion of the wavefront of the optical beam incident on mirror 1. Phase distortion caused, for example, by atmospheric fluctuations, is measured by a wavefront sensor connected to the source of the control signal. To ensure the deformation of the reflecting surface of the mirror of the order of ± 3 μm, a control voltage of up to 200 V is required. As a result of phase correction under these conditions, the optical beam reflected from the surface of the mirror has a plane wave front.

Новый тип фазового модулятора волнового фронта, иначе говоря - адаптивного зеркала, позволяет существенно расширить возможности адаптивных оптических систем. В частности, представляется возможным создание системы апертурного зондирования, в которой предлагаемое адаптивное зеркало способно выполнять две функции: корректирующую с большим смещением поверхности, и модулирующую с высокой частотой пробных возмущений. Такая система обладает наибольшими возможностями совершенствования своей организации и развития адаптивных свойств. Большой практический интерес представляет также применение нового адаптивного зеркала в системах слежения за движущимися объектамиа A new type of wavefront phase modulator, in other words, an adaptive mirror, can significantly expand the capabilities of adaptive optical systems. In particular, it seems possible to create an aperture sounding system in which the proposed adaptive mirror is capable of performing two functions: correcting with a large displacement of the surface, and modulating with a high frequency of test disturbances. Such a system has the greatest potential for improving its organization and the development of adaptive properties. Of great practical interest is also the use of the new adaptive mirror in tracking systems for moving objects

Claims

A wavefront phase modulator containing a deformable mirror, a base and multilayer solid-state electromechanical converters, characterized in that it contains pushers made of mirror material and placed between the deformable mirror and electromechanical converters, the electromechanical converters are made in the form of W-shaped monoceramic blocks, each of which formed by three multilayer electrostrictive transducers, vertically mounted and fixed on p a flat support from the side of its lower end surfaces, while the upper end surfaces of the two extreme electrostrictive transducers are mechanically connected to the base, and the upper end surface of the middle electrostrictive transducer is mechanically connected through a pusher fixed to it with a deformable mirror through holes made in the base, the control electrodes of the extreme electrostrictive converters of a separate Ш-shaped block are electrically connected in parallel and elec troisolated from the control electrodes of the middle electrostrictive converter.