RU2068191C1 - Многослойное пьезоэлектрическое деформируемое биморфное зеркало - Google Patents

Abstract

Использование: для статического и динамического управления волновым фронтом излучения в различных оптических приборах и системах. Сущность изобретения: деформируемое зеркало содержит корпус в виде стакана с крышкой и отражающей поверхностью на внешней стороне днища стакана, выполненного переменной толщины, и пьезоэлектрический элемент, выполненный из по крайней мере двух пьезопластин с электродами на их противоположных сторонах, последовательно расположенных параллельно внутренней поверхности днища стакана, причем векторы поляризации смежных пьезопластин направлены в противоположные стороны, одноименные электроды электрически связаны между собой, при этом стакан выполнен в виде одной детали, а отражающая поверхность выполнена в средней части днища, имеющей большую толщину. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к управляемой оптике и может быть использовано для статического и динамического управления волновым фронтом излучения в различных оптических приборах и системах, включая астрономические телескопы, промышленную лазерную технику, а также оптические системы наведения и сопровождения.

Известно неохлаждаемое деформируемое биморфное зеркало, содержащее две пьезоэлектрические пластины, одна из которых является отражающей, и имеющее 13 независимых секционированных управляющих электродов [1] Деформации отражающей поверхности в данном биморфном зеркале достигаются благодаря возникновению изгибающего момента в активной биморфной структуре при деформации пьезокерамики в параллельном оптической поверхности направлении за счет обратного поперечного пьезоэлектрического эффекта. Наибольшая амплитуда управляемых перемещений оптической поверхности в этом зеркале достигается при подаче максимального электрического напряжения (400 В) одновременно на все управляющие электроды и не превышает 10 мкм. Недостатками данного биморфного зеркала являются: малая амплитуда управляемых деформаций отражающей поверхности, низкая чувствительность (не более 25 мкм/кВ), высокая трудоемкость формирования оптической поверхности, низкое качество и стабильность ее исходной формы, а также низкая прочность и надежность зеркала.

Известно охлаждаемое адаптивное биморфное зеркало, выбранное за прототип, содержащее корпус в виде стакана, охлаждаемую отражающую пластину, основную и дополнительную пьезоэлектрические пластины и имеющее 18 независимых управляющих электродов [2] Причем дополнительная пьезопластина, расположенная между отражающей пластиной и основной пьезокерамической пластиной и жестко соединенная с ними, используется независимо от основной пьезопластины, то есть ее управляющий электрод не имеет электрического контакта с другими электродами. Назначение этой дополнительной пьезопластины заключается в стабилизации реперной формы отражающей поверхности зеркала, уменьшении его электромеханического гистерезиса и, при определенных условиях, увеличении диапазона управляемых перемещений отражающей поверхности. При этом деформации отражающей поверхности в данном биморфном зеркале достигаются за счет создания при деформациях каждой пьезопластины изгибающих моментов и их последующей суперпозиции; каждая пьезопластина деформируется в параллельном отражающей поверхности направлении за счет обратного поперечного пьезоэлектрического эффекта. Недостатками известного устройства являются: наличие электрического потенциала на металлическом корпусе зеркала, малая амплитуда управляемых деформаций отражающей поверхности (максимум 11,2 мкм), низкая чувствительность (максимум 37,3 мкм/кВ), высокая трудоемкость формирования оптической поверхности, низкое качество и стабильность ее исходной формы, а также низкая прочность и надежность зеркала.

Целью изобретения является увеличение амплитуды управляемых перемещений оптической поверхности деформируемых биморфных зеркал и повышении их чувствительности. Кроме того, предлагаемая конструкция позволяет снизить трудоемкость при формировании оптической поверхности зеркала, повысить качество и стабильность ее исходной формы, увеличить прочность и надежность зеркала, а также обеспечить более равномерную деформацию отражающей поверхности.

Это достигается тем, что многослойное пьезоэлектрическое деформируемое биморфное зеркало, содержащее корпус в виде стакана с крышкой и отражающей поверхностью на внешней стороне днища стакана, возможно охлаждаемого, пьезоэлектрический элемент в виде двух пьезопластин с электродами на их противоположных сторонах, последовательно закрепленных параллельно внутренней поверхности днища стакана, не выходя за пределы отражающей поверхности, отличается тем, что пьезоэлектрический элемент образован по крайней мере двумя пьезопластинами или является многослойным, все электроды выполнены сплошными, векторы поляризации смежных пьезопластин направлены в противоположные стороны, а их одноименные электроды электрически связаны между собой, при этом стакан выполнен в виде единой детали с днищем переменной толщины, причем отражающая поверхность выполнена в средней части днища, имеющей большую толщину.

Увеличение амплитуды управляемых перемещений оптической поверхности биморфного зеркала и повышение его чувствительности обеспечивается по следующим причинам: благодаря наличию дополнительных изгибающих моментов, возникающих при использовании каждой дополнительной пьезопластины, что реализуется вследствие того, что пьезоэлектрический элемент образован по крайней мере двумя пьезопластинами или является многослойным; за счет синхронных и синфазных (т.е. равных по величине и по знаку) деформаций всех пьезокерамических пластин, что реализуется вследствие того, что все электроды выполнены сплошными, векторы поляризации смежных пьезопластин направлены в противоположные стороны, а их одноименные электроды электрически связаны между собой; за счет снижения жесткости отражающей пластины (т.е. днища стакана) в ее периферийной части и, тем самым, реализации более эластичного закрепления отражающей пластины, что обеспечивается вследствие того, что стакан выполнен в виде единой детали с днищем переменной толщины, причем отражающая поверхность выполнена в средней части днища, имеющей большую толщину.

Первая из вышеперечисленных причин имеет место в охлаждаемом биморфном зеркале, выбранном за прототип. При использовании в конструкции зеркала второй пьезопластины при ее деформации возникает добавочный изгибающий момент, который складывается с изгибающим моментом, возникающим при деформации первой пьезопластины. Однако в этом случае увеличения суммарного изгибающего момента, возникающего в двухслойной биморфной структуре (и, тем самым, увеличения амплитуды деформаций отражающей поверхности и чувствительности зеркала), может и не происходить, поскольку при переходе от однослойного биморфного зеркала к двухслойному имеет место конкуренция трех факторов: добавление к существующему моменту дополнительного изгибающего момента за счет новой пьезопластины; снижение по сравнению с однослойным зеркалом величины изгибающего момента, вызываемого деформациями первой пьезопластины, т.к. в двуслойном зеркале данному изгибающему моменту необходимо компенсировать противодействие не только со стороны отражающей пластины, но также противодействие со стороны второй (новой) пьезопластины; добавление к существующему изгибающему моменту дополнительного изгибающего момента, возникающего в биморфной структуре "первая (старая) пьезопластина вторая (новая) пьезопластина", т.е. за счет одновременных деформаций обоих пьезопластин.

С точки зрения увеличения амплитуды управляемых перемещений оптической поверхности биморфного зеркала и повышения его чувствительности первый из названных факторов является положительным, а второй отрицательным. Действие третьего фактора оказывается положительным только в том случае, когда возникающий в биморфной структуре "первая пьезопластина вторая пьезопластина" добавочный изгибающий момент совпадает по знаку с моментом, возникающим благодаря деформациям первой (старой) пьезопластины. А это, в свою очередь, возможно только тогда, когда деформации второй (новой) пьезопластины совпадают по знаку с деформациями первой (старой) и превосходят их по величине. Во всех остальных случаях действие третьего фактора является отрицательным, даже в том случае, когда деформации обоих пьезопластин совпадают по знаку, но отличаются друг от друга по величине.

Из вышеизложенного ясно, что при переходе от однослойного зеркала к двухслойному первые два фактора являются принципиальными, присутствующими всегда и, следовательно, второй фактор принципиально неустраним. Действие третьего фактора можно обратить на пользу, обеспечив при работе биморфного зеркала, чтобы в каждый момент времени управляющее напряжение на второй пьезопластине совпадало по знаку с напряжением на первой и превышало последнее по величине. Однако все варианты подобного управления пьезопластинами в двухслойном биморфном зеркале неудобны. Во-первых, во всех подобных случаях необходимо иметь два электрически независимых управляющих канала. Во-вторых, значение управляющего напряжения на второй пьезопластине все время необходимо сравнивать с величиной напряжения на первой пьезопластине, что весьма неудобно в динамическом режиме работы зеркала.

При переходе от двухслойного зеркала к трехслойному и далее к многослойному действие всех трех вышеперечисленных факторов усиливается, а именно: добавка к существующему изгибающему моменту дополнительно изгибающего момента уменьшается с присоединением каждой новой пьезопластины, т.к. общая жесткость биморфной структуры все более возрастает; снижаются значения изгибающих моментов, вызываемых деформациями всех уже имеющихся пьезопластин, а не только первой, т.к. в многослойном зеркале каждой имеющейся пьезопластине необходимо компенсировать противодействие со стороны отражающей пластины и со стороны всех остальных пьезопластин; добавляются дополнительные изгибающие моменты, возникающие во всех биморфных структурах, образованных каждой парой смежных пьезопластин.

По аналогии с двухслойным биморфным зеркалом понятно, что в многослойном зеркале добиться вышеуказанного технического результата (т.е. увеличения чувствительности и амплитуды деформаций) за счет простого увеличения количества пьезопластин не удается. Кроме того, в многослойном зеркале добиться положительного действия третьего фактора (т.е. когда управляющее напряжение на всех пьезопластинах является однополярным, причем его величина для каждой последующей пластины больше, чем для предыдущей) еще сложнее, чем в двухслойном и в динамике практически невозможно. Поэтому практически всегда третий фактор будет оказывать отрицательное воздействие на амплитуду деформаций.

Выход заключается в устранении третьего фактора вообще, т.е. за счет того6 что все соединения каждой пары смежных пьезопластин друг с другом не являются биморфными. Последнее реализуется в том случае, когда любые две смежные пьезопластины деформируются абсолютно одинаково или, иными словами, когда при прочих равных условиях на все пьезопластины подается одинаковое управляющее напряжение. Именно благодаря этому деформации всех пьезопластин являются синхронными и синфазными, что, как отмечалось выше, является второй причиной, приводящей к достижению указанного технического результата. При этом соответствующим отличительным признаком является то, что все электроды выполнены сплошными, векторы поляризации смежных пьезопластин направлены в противоположные стороны, а их одноименные электроды электрически связаны между собой. Таким образом, только сочетание данного отличительного признака с первым (что пьезоэлектрический элемент образован по крайней мере двумя пьезопластинами или является многослойным) позволяет добиться указанного технического результата.

С другой стороны, необходимо отметить, что даже при устранении влияния третьего из рассмотренных факторов конкуренция первых двух по-прежнему имеет место. Это обуславливает существование оптимального количества дополнительных пьезопластин с точки зрения увеличения чувствительности многослойного биморфного зеркала и повышения его управляемых деформаций, т.е. добавление каждой новой пьезопластины (даже при условии ориентации и соединения ее указанным нужным образом) приведет не к увеличению амплитуды деформаций и чувствительности, а к их уменьшению. Говоря другими словами, дальнейшее увеличение количества пьезопластин приведет к такому увеличению жесткости многослойной биморфной структуры, которое не позволит достичь указанного технического результата.

Увеличение жесткости многослойной биморфной структуры компенсируется более эластичным ее креплением к корпусу зеркала по сравнению с прототипом. Для этого достаточно понизить жесткость отражающей пластины (т.е. днища стакана) в ее периферийной части, что является третьей причиной, приводящей к указанному техническому результату. При этом соответствующим отличительным признаком является то, что стакан выполнен в виде единой детали с днищем переменной толщины, причем отражающая поверхность выполнена в средней части днища, имеющей большую толщину. Таким образом, только сочетание всех указанных отличительных признаков позволяет добиться существенного гарантированного увеличения амплитуды управляемых перемещений оптической поверхности многослойного биморфного зеркала и повышения его чувствительности, т.е. гарантированно получить существенный указанный выше технический результат.

Сочетание признаков, характеризующих выполнение корпуса и пьезоэлектрического элемента, позволяет снизить суммарную жесткость элемента, несущего отражающую поверхность, и пьезоэлектрического элемента, что позволяет значительно повысить чувствительность зеркала.

Если обеспечена минимально возможная толщина пьезоэлектрических пластин, составляющих многослойную биморфную структуру, а их количество пропорционально увеличено, то повышение чувствительности зеркала обеспечивается за счет снижения управляющего напряжения. Этот результат является прямым следствием того, что чувствительность биморфного зеркала есть отношение величины деформаций его оптической поверхности к приложенному управляющему напряжению.

Снижение трудоемкости формирования оптической поверхности биморфного зеркала и повышение качества ее исходной формы обеспечиваются благодаря тому, что стакан выполнен в виде единой детали с днищем переменной толщины, причем отражающая поверхность выполнена в средней части днища, имеющей большую толщину. Непосредственными причинами, вытекающими из данного отличия предлагаемого изобретения, которые приводят к указанному результату, являются: более однородный и равномерный контакт оптической поверхности зеркала при его полировке с обрабатывающим инструментом (полировальником); исключение из процесса полировки периферии корпуса, т.е. стенок стакана со стороны его днища.

Другим отличием многослойного пьезокерамического деформируемого биморфного зеркала является то, что с целью увеличения простоты и удобства его конструкции, смежные пьезопластины сопряжены между собой через общий для них электрод. В данном случае вместо двух электродов двух различных смежных пьезопластин имеется один единственный электрод, расположенный в месте соединения этих пластин.

Следующим отличием изобретения является то, что, с целью снижения трудоемкости формирования оптической поверхности зеркала, повышения качества и стабильности ее исходной формы, а также увеличения прочности и надежности зеркала, полость его корпуса заполнена эластичным герметиком. Снижение трудоемкости формирования оптической поверхности зеркала и повышение качества ее исходной формы достигается благодаря демпфированию эластичным герметиком давления полировальника на отражающую пластину зеркала в процессе полировки последнего, за счет чего обеспечивается более однородный и равномерный контакт оптической поверхности зеркала с полировальником. Стабильность исходной отражающей поверхности зеркала, а также увеличение его прочности и надежности достигаются благодаря демпфированию эластичным герметиком внешних ударных, вибрационных и иных нагрузок, действующих на корпус зеркала в процессе его эксплуатации. Надежность зеркала также повышается благодаря тому, что герметик защищает внутреннее устройство зеркала от непосредственного повреждения. Помимо этого, использование эластичного герметика способствует возврату днища стакана в исходное положение.

На чертеже показано устройство многослойного пьезокерамического деформируемого биморфного зеркала в простейшем случае, а именно при использовании трех пьезокерамических пластин.

Предлагаемое устройство состоит из корпуса 1, содержащего отражающую пластину 2, трех или более пьезокерамических пластин 3 с нанесенными каким-либо способом управляющими электродами 4, соединительных проводников 5, электрических проводов 6, задней крышки 7, электрического разъема 8 и эластичного герметика 9. Стрелками показано направление исходной поляризации для каждой пьезопластины. Соседние одноименные электроды для каждой пары смежных пьезопластин показаны одной сплошной линией.

Многослойное пьезоэлектрическое деформируемое биморфное зеркало работает следующим образом. Через электрический разъем 8 к каждой пьезопластине 3 прикладывается управляющее напряжение. Следовательно, за счет обратного поперечного пьезоэлектрического эффекта все пьезопластины 3 будут деформироватьсяя. Причем эти деформации будут одинаковыми для всех пьезопластин 3 в силу их выбранной ориентации и указанного соединения электродов 4. Трехслойная (и, следовательно, многослойная) пьезоструктура будет деформироваться как единое целое, то есть как монолитная пьезопластина эквивалентной толщины. Таким образом, при выбранной ориентации пьезопластин 3 и указанном соединении их электродов 4 многослойная пьезоструктура эквивалентна монолитной пьезопластине.

Имея это в виду, легко понять, что соединение "отражающая пластина 2 - многослойная пьезоструктура" эквивалентно соединению двух монолитных пластин: отражающей и пьезокерамической. Такое соединение, как известно, является полупассивной биморфной структурой. Следовательно, при подаче электрического напряжения на пьезокерамику отражающая поверхность зеркала будет деформироваться определенным образом, а именно прогибаться за счет возникновения изгибающего момента в биморфной структуре. Предлагаемое устройство обеспечивает гарантированное существенное увеличение амплитуды управляемых перемещений оптической поверхности зеркала.

Поскольку чувствительность деформируемого зеркала есть отношение величины деформаций его отражающей поверхности к приложенному управляющему напряжению, то из приведенного рассмотрения ясно, что в предлагаемом многослойном биморфном зеркале сочетание всех отличительных признаков, характеризующих выполнение корпуса и пьезоэлектрического элемента, также обеспечивет гарантированное значительное увеличение чувствительности по сравнению с известными аналогами и прототипом. Очевидно, в случае использования в конструкции биморфного зеркала на трех, а более пьезоэлектрических пластин 3, а также в случае многослойного пьезоэлемента все приведенные рассуждения сохраняют свою справедливость при условии ориентации всех пьезопластин 3, соединения их электродов 4, выполнения корпуса 1 и отражающей пластины 2 указанным образом (см. чертеж).

Наибольшая простота и удобство конструкции предлагаемого изобретения достигаются в том случае, когда смежные пьезопластины сопряжены между собой через общий для них электрод. В этом случае многослойный пьезоэлемент может быть образован не простым соединением отдельных пьезопластин с нанесенными на обе стороны электродами, а, например, спеканием по платине тонких пьезоэлектрических пленок. При этом сами пьезопленки не имеют управляющих электродов, а их роль играют платиновые прокладки. Кроме того, при спекании одновременно проводится термообработка пьезопленок, за счет чего они превращаются в жесткие (но тонкие) пьезопластины. В итоге пьезопластины в многослойном пьезоэлементе оказываются сопряженными через общий для них электрод.

При заполнении жидким герметиком полости корпуса и его последующем высыхании происходит его адгезия к стенкам корпуса и поверхности пьезоэлемента. Таким образом, герметик играет роль своеобразной пружины, возвращающей отражающую пластину (днище стакана) в исходное состояние при любых нагрузках, действующих на нее в процессе изготовления или эксплуатации зеркала.

По аналогии с прототипом отражающая пластина (днище стакана) может быть выполнена охлаждаемой. Например, она может содержать каналы охлаждения для пропускания воды или любого иного хладагента, расположенные непосредственно под отражающей поверхностью зеркала. На прилагаемом чертеже данные каналы охлаждения не показаны.

Достоинством предлагаемого устройства многослойного биморфного зеркала является возможность уменьшения толщины отдельных пьезопластин 3 с целью понижения величины управляющего напряжения (без снижения амплитуды полезных деформаций отражающей поверхности) и, следовательно, еще большего повышения чувствительности. Действительно, для существующих аналогов и прототипа толщина одной пьезопластины ограничена снизу, так как ее жесткость должна быть достаточна для максимального изгиба отражающей пластины. В свою очередь, общая толщина биморфной структуры также ограничена снизу, поскольку ее жесткость должна обеспечивать возможность оптического формообразования и полировки зеркала. Таким образом, для имеющихся аналогов и прототипа существует минимально допустимая толщина пьезопластины, при которой возможно создание эффективного деформируемого биморфного зеркала.

Для предлагаемого многослойного биморфного зеркала какого-либо ограничения минимальной толщины отдельных пьезопластин 3 не существует. В этом случае возможный недостаток жесткости пьезоструктуры в целом компенсируется увеличением количества пьезоэлектрических пластин 3. Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает возможность создания низковольтных высокочувствительных одноканальных деформируемых биморфных зеркал с высокой амплитудой управляемых перемещений оптической поверхности.

Предлагаемое устройство, в том числе изображенное на чертеже, может быть реализовано на стандартном промышленном оборудовании с использованием известных материалов и технологических операций. Использующиеся в конструкции зеркала пьезоэлектрические пластины также являются стандартной промышленной продукцией.

По сравнению с деформируемыми зеркалами, содержащими дискретные управляющие приводы (например, по сравнению с аналогичным по назначению и рабочим характеристикам одноканальным деформируемым зеркалом немецкой фирмы DIеhI GmbH Cо с одним пьезопроводом, см. Lаsеrs in Engineering 1995, VoI. 4 рр. 233-242) предложенное устройство обладает как минимум следующими преимуществами: значительно меньшими массой и габаритными размерами, существенно меньшей себестоимостью, более сферическими деформациями отражающей поверхности.

Изобретение может быть использовано в любых оптических системах для выполнения динамической коррекции (компенсации) осесимметричных искажений оптических пучков с высокой точностью, например, в технологических лазерных установках с "летающей" оптикой с целью получения равномерного качества сварного шва во всем рабочем поле комплекса.

Claims (4)

1. Многослойное пьезоэлектрическое деформируемое биморфное зеркало, содержащее корпус в виде стакана с крышкой и отражающей поверхностью на внешней стороне днища стакана, и пьезоэлектрический элемент, закрепленный на внутренней поверхности днища стакана, не выходя за пределы отражающей поверхности, отличающееся тем, что пьезоэлектрический элемент выполнен из последовательно расположенных параллельно внутренней поверхности днища стакана по крайней мере двух пьезопластин с электродами на их противоположных сторонах, электроды выполнены сплошными, векторы поляризации смежных пьезопластин направлены в противоположные стороны, а их одноименные электроды электрически связаны между собой, при этом стакан выполнен в виде единой детали с днищем переменной толщины, причем отражающая поверхность выполнена в средней части днища, имеющей большую толщину.

2. Зеркало по п.1, отличающееся тем, что днище стакана выполнено охлаждаемым.

3. Зеркало по п.1 или 2, отличающееся тем, что смежные пьезопластины сопряжены между собой через общий для них электрод.

4. Зеркало по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что полость корпуса заполнена эластичным герметиком.