Деформируемое зеркало на основе многослойной активной биморфной структуры

 

Использование: для статического и динамического управления волновым фронтом излучения в различных оптических приборах. Сущность изобретения: деформируемое зеркало содержит закрепленные в корпусе два жестко соединенные друг с другом пьезоэлектрических элемента, выполненные многослойными и образованные по крайней мере двумя идентичными пьезопластинами (пьезопленками, пьезослоями) со сплошными металлическими электродами на противоположных сторонах, причем в каждом пьезоэлементе векторы поляризации смежных пьезопластин направлены в противоположные стороны, а их одноименные электроды электрически связаны между собой, при этом пьезоэлектрические элементы соединены друг с другом так, что векторы поляризации смежных пьезопластин сонаправлены, а их смежные сопрягаемые электроды электрически связаны между собой. 2 з. п. ф-лы, 4 ил.

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 деформируемое биморфное зеркало (см. P.Jagourel, J.-P.Gaffard. Adaptive optics components in Laserdot. Proc. SPIE, 1991, vol. 1543, p.76-87), содержащее активную биморфную структуру из двух пьезоэлектрических пластин, склеенных вместе, и имеющее 13 независимых управляющих электродов; диаметр управляемой апертуры 30 мм. К обеим сторонам такой двойной пьезопластины прикреплены тонкие кремниевые пластины, на одной из которых сформирована отражающая поверхность; диаметр кремниевых пластин больше, чем пьезоэлектрических. Через кремниевые пластины зеркало крепится к подложке-основанию в трех точках. Деформации отражающей поверхности зеркала обеспечиваются за счет изгиба активной биморфной структуры при деформации пьезокерамики в параллельном оптической поверхности направлении благодаря действию обратного поперечного пьезоэлектрического эффекта, при этом принципиально важным является то, что жесткость (а следовательно, и толщина) кремниевых пластин должна быть существенно меньше, чем для пьезокерамических. В противном случае управляемые деформации зеркала будут весьма незначительны. 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 активного биморфного зеркала являются: малая амплитуда управляемых деформаций отражающей поверхности; низкая чувствительность (не более 25 мкм/кВ); высокое управляющее напряжение; высокая трудоемкость формирования оптической поверхности, включающего использование дополнительных кремниевых пластин; низкое качество и стабильность исходной оптической формы зеркала; низкая прочность и надежность зеркала.

Известно деформируемое биморфное зеркало на основе активной пьезоэлектрической биморфной структуры с 19 управляющими электродами в виде центрального эллипса и двух концентрических эллиптических колец, разбитых соответственно на 6 и 12 отдельных сегментов (см. C.Boyer, P.Jagourel, J.P.Gaffard et al. "Laserdot components of the PUEO Adaptive Optics System." - Laserdot-Cilas, September 1995). Активная биморфная структура образована двумя пьезоэлектрическими пластинами диаметром 83 мм, на внешней стороне одной из которых выполнена оптическая поверхность с серебряным отражающим покрытием. Общая толщина зеркала 2,5 мм. В трех точках по внешнему диаметру зеркало крепится в оправе. Деформации отражающей поверхности зеркала обеспечиваются за счет изгиба активной биморфной структуры при деформации пьезокерамики в параллельном оптической поверхности направлении благодаря действию 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, при этом соответствующий радиус кривизны на управляемой апертуре составляет 34 м. Недостатками данного активного биморфного зеркала являются: малая амплитуда управляемых деформаций отражающей поверхности; низкая чувствительность; высокое управляющее напряжение.

Известно деформируемое зеркало (см. авт. свид. СССР N 1485180 G 02 B 5/10 от 27.06.1989), содержащее корпус в виде стакана с крышкой и отражающей поверхностью на внешней стороне днища стакана, отдельные пьезоэлектрические элементы, расположенные в стакане, не выходя за пределы отражающей поверхности, внутри цилиндрических полостей, в центре каждой из которых находится выступ. При подаче электрического напряжения на пьезоэлемент, являющийся активной биморфной структурой, он изгибается, вследствие чего осуществляется деформация отражающей поверхности зеркала. При этом выступ в центре полости играет роль промежуточного звена, через которое развиваемое пьезоэлементом усилие при его изгибе прикладывается к тыльной стороне зеркальной пластины. Необходимо также заметить, что в данном деформируемом зеркале каждый пьезоэлемент является фактически биморфным приводом. Недостатками данного зеркала являются: 1) малая амплитуда управляемых деформаций отражающей поверхности (обусловленная весьма низкой активной жесткостью пьезоэлемента, т.е. малым усилием, развиваемым при его изгибе); 2) низкая чувствительность; 3) высокая трудоемкость изготовления самого зеркала (корпуса), его сборки (крепление и юстировка пьезоэлементов), а также формирования его оптической поверхности; 4) низкое качество и стабильность исходной формы отражающей поверхности; 5) низкая прочность и надежность зеркала.

Известен ряд деформируемых биморфных зеркал на основе полупассивных биморфных структур, см. например: В.И.Бойков, П.В.Николаев, А.В.Смирнов. Функции отклика биморфного гибкого зеркала. Оптико-механическая промышленность, 1989, N 10, c.lO-13; А.В.Икрамов, А.В.Кудряшов, А.Г.Сафронов, С.В.Романов, И. М. Рощупкин, А. О. Сулимов. Адаптивное биморфное зеркало. Патент СССР N 1808159 (1992), кл. H O1 S 3/02, по заявке N 4766709/25 от 19.12.1989; F. Forbes, F. Roddier, G. Poczulp, C.Pinches, G.Sweeny and R.Dueck. Segmented bimorph deformable mirror. J. Phys. E: Sci. Instrum. 1989, vol. 22, p.402-405; S. G. Lipson, E.N.Ribak, C.Schwartz. Bimorph deformable mirror design. Proc. SPIE, 1994, vol.2201, p.703. По сравнению с биморфными зеркалами на основе активных биморфных структур общими недостатками указанных зеркал и им подобных являются: малая амплитуда управляемых деформаций отражающей поверхности; низкая чувствительность; высокое управляющее напряжение. Перечисленные недостатки полупассивных биморфных зеркал обусловлены их принципиальной особенностью, а именно тем, что биморфная структура в них наряду с активным элементом, пьезопластиной, содержит пассивный элемент отражающую пластину. Понятно, что при прочих равных условиях деформации активной биморфной структуры будут всегда больше, чем полупассивной.

Известно деформируемое биморфное зеркало, выбранное за прототип (см. J.- P. Gaffard, P. Jagourel, P.Gigan. Adaptive Optics: Description of available components at Laserdot. Proc. SPIE, 1994, vol. 2201, p.688-702), содержащее активную биморфную структуру, образованную двумя склеенными друг с другом пьезоэлектрическими пластинами, одна из которых является отражающей, и имеющее 13 независимых секционированных управляющих электродов. Общий диаметр биморфной структуры 60 мм; толщина 2 мм. В трех точках на диаметре 60 мм зеркало крепится в оправе. 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), высокое управляющее напряжение.

Технический результат, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в увеличении амплитуды управляемых перемещений оптической (отражающей) поверхности деформируемых зеркал на основе активных биморфных структур и повышении их чувствительности при одновременном снижении управляющего напряжения. Кроме того, предлагаемая конструкция позволяет изменять форму функции отклика деформируемого зеркала, т.е. форму деформаций его отражающей поверхности.

Указанный технический результат достигается тем, что в деформируемом зеркале на основе многослойной активной биморфной структуры, содержащем закрепленные в корпусе два жестко соединенных друг с другом пьезоэлектрических элемента со сплошными металлическими электродами на противоположных сторонах и отражающую поверхность, выполненную на внешней стороне одного из пьезоэлектрических элементов, пьезоэлектрические элементы выполнены многослойными и образованы по крайней мере двумя идентичными пьезопластинами, или пьезопленками, или пьезослоями со сплошными металлическими электродами на противоположных сторонах, причем в каждом пьезоэлементе отдельные пьезопластины, или пьезопленки, или пьезослои ориентированы таким образом, что векторы поляризации смежных пьезопластин, или пьезопленок, или пьезослоев направлены в противоположные стороны, а их одноименные электроды электрически связаны между собой, при этом пьезоэлектрические элементы жестко соединены друг с другом таким образом, что векторы поляризации их смежных сопрягаемых пьезопластин, или пьезопленок, или пьезослоев сонаправлены, а их смежные сопрягаемые электроды электрически связаны между собой. Кроме того, в деформируемом зеркале на основе многослойной активной биморфной структуры по крайней мере одна пара смежных пьезопластин, или пьезопленок, или пьезослоев может быть сопряжена между собой через общий для них электрод; по крайней мере одна пьезопластина, или пьезопленка, или пьезослои или по крайней мере один электрод может быть выполнен в форме полного или усеченного либо круга, либо овала, либо кольца, либо многоугольника, либо сектора, либо сегмента, либо в форме объединения по крайней мере двух одинаковых или различных перечисленных геометрических фигур.

Увеличение по сравнению с прототипом амплитуды управляемых перемещений отражающей поверхности в деформируемом зеркале на основе многослойной активной биморфной структуры и повышение его чувствительности обеспечивается по следующим причинам (далее везде термин "пьезопластина" используется для обозначения как пьезопластин, так и пьезопленок или пьезослоев): 1) благодаря наличию дополнительных изгибающих моментов, возникающих при использовании каждой дополнительной пьезопластины в любой половине многослойной активной биморфной структуры, что реализуется вследствие того, что пьезопластины, т. е. обе части (половины) биморфа, выполнены в виде одинаковых многослойных пьезоэлектрических элементов, каждый из которых образован по крайней мере двумя идентичными пьезопластинами со сплошными металлическими электродами на противоположных сторонах; 2) за счет синхронных и синфазных (т.е. равных по величине и по знаку) деформаций всех пьезокерамических пластин в каждой части (половине) многослойной активной биморфной структуры, что реализуется вследствие того, что в каждом пьезоэлементе, т.е. в каждой части (половине) биморфа, отдельные пьезопластины ориентированы таким образом, что векторы поляризации смежных пьезопластин направлены в противоположные стороны, а их одноименные электроды электрически связаны между собой, при этом пьезоэлектрические элементы (части биморфа) жестко соединены друг с другом таким образом, что векторы поляризации смежных сопрягаемых пьезопластин сонаправлены, а их разноименные сопрягаемые электроды электрически связаны между собой; 3) за счет возможного крепления многослойной активной биморфной структуры в ее центре к корпусу зеркала и, тем самым, реализации более свободного закрепления гибкой отражающей пластины.

В случае оптимальной общей толщины биморфа и при прочих равных условиях (т.е. одинаковом закреплении) повышение чувствительности в предлагаемом изобретении по сравнению с прототипом обеспечивается, ко всему прочему, за счет снижения толщины отдельных пьезопластин и, следовательно, снижения управляющего напряжения. Этот результат является прямым следствием того, что чувствительность биморфного зеркала есть отношение величины деформаций его оптической поверхности к приложенному управляющему напряжению. В общем и целом, увеличение чувствительности будет тем больше, чем меньше будет толщина каждой отдельной пьезоэлектрической пластины, входящей в многослойную активную биморфную структуру.

Другим отличием деформируемого зеркала на основе многослойной активной биморфной структуры является то, что, с целью увеличения простоты и удобства его конструкции, по крайней мере одна пара смежных пьезопластин сопряжена между собой через общий для них электрод. По сути дела, в данном случае вместо двух электродов двух различных смежных пьезопластин имеется один единственный электрод, расположенный в месте соединения этих пластин.

Следующим отличием предлагаемого изобретения является то, что, с целью видоизменения формы функции отклика деформируемого зеркала, т.е. деформаций его отражающей поверхности, а также с целью видоизменения формы световой зоны зеркала, по крайней мере одна пьезопластина или по крайней мере один электрод выполнен в форме полного или усеченного либо круга, либо овала, либо кольца, либо многоугольника, либо сектора, либо сегмента, либо в форме объединения по крайней мере двух одинаковых или различных перечисленных геометрических фигур. Поскольку в деформируемом биморфном зеркале форма деформаций его отражающей поверхности (функция отклика) существенно зависит от конфигурации управляющих электродов (см. например, А.В.Икрамов, С.В.Романов, И. М. Рощупкин, А. Г. Сафронов, А.О.Сулимов. Биморфное адаптивное зеркало. Квант. электрон, 1992, т. 19, N 2, с. 180-183.), то данный отличительный признак позволяет изменять, в том числе оптимизировать, пространственную структуру деформаций отражающей поверхности зеркала на основе многослойной активной биморфной структуры. Изменение формы пьезоэлектрических пластин обеспечивает необходимую конфигурацию световой зоны зеркала в предлагаемом изобретении.

Указанные цели и преимущества изобретения будут понятны из нижеследующего описания конструкции и прилагаемых фигур. На фиг.1 показано устройство деформируемого зеркала на основе многослойной активной биморфной структуры в случае крепления последней в ее центре к корпусу зеркала и использования в каждом пьезоэлементе трех пьезокерамических пластин. На фиг.2 показаны простейшая активная биморфная структура и ее деформации при воздействии управляющего напряжения. На фиг.З показана трехслойная активная биморфная структура. На фиг.4 показана симметричная четырехслойная активная биморфная структура.

Предлагаемое устройство (см. фиг.1) состоит из корпуса 1, в котором с помощью держателя 2 закреплена многослойная активная биморфная структура, образованная двумя одинаковыми пьезоэлектрическими элементами, первый из которых состоит из нескольких (в данном случае трех) пьезокерамических пластин 3, а второй из такого же количества пьезопластин 4. На все пьезопластины 3 и 4 каким-либо способом нанесены управляющие электроды 5. Отражающая поверхность 6 деформируемого зеркала образована на внешней стороне многослойной активной биморфной структуры. Кроме того, предлагаемое устройство состоит из соединительных проводников 7, электрических проводов 8, задней крышки 9, электрического разъема 10 и эластичного герметика 10 (фиг. 1). Простейшая активная биморфная структура, фиг.2, состоит из двух пьезокерамических пластин 12, соединенных вместе. На обе стороны каждой пьезопластины 12 каким-либо способом нанесены сплошные металлические электроды, а на внешней стороне одной из них сформирована отражающая поверхность 13. Трехслойная (фиг. З) и четырехслойная (фиг.4) активные биморфные структуры состоят, соответственно, из трех и четырех пьезокерамических пластин 12 и 14, соединенных вместе и также имеющих металлические электроды на своих противоположных сторонах. Стрелками на всех фиг. показано направление поляризации пьезоэлектрических пластин 3,4, 12 и 14. На всех фиг. соседние смежные электроды для каждой пары смежных пьезопластин 3,4, 12 и 14 показаны одной сплошной линией. На фиг.2 пунктирными линиями показаны деформации простейшей биморфной структуры при воздействии управляющего напряжения. На фиг. 2, 3 и 4 значками "-" и "+" показаны заземление и положительное управляющее напряжение на соответствующих управляющих электродах. На фиг.З двойным знаком "++" показано положительное управляющее напряжение на соответствующем электроде, величина которого превосходит положительное напряжение, показанное знаком "+".

Деформируемое зеркало на основе многослойной активной биморфной структуры работает следующим образом. Через электрический разъем 11, электрические провода 8, соединительные проводники 7 и управляющие электроды 5 к каждой пьезопластине 3 и 4 прикладывается управляющее напряжение. Следовательно, за счет обратного поперечного пьезоэлектрического эффекта все пьезопластины 3 и 4 будут деформироваться Причем для каждого из двух пьезоэлементов эти деформации будут одинаковыми для всех пьезопластин 3 или 4 одного пьезоэлемента, в силу их выбранной ориентации и указанного соединения электродов 5, см. фиг. 1. По этой же причине деформации пьезопластин 3 первого пьезоэлемента равны по величине деформациям пьезопластин 4 второго пьезоэлемента, но имеют противоположный знак. Иными словами, каждый трехслойный (и, следовательно, многослойный) пьезоэлемент будет деформироваться как единое целое, то есть как монолитная пьезопластина эквивалентной толщины. Таким образом, при выбранной ориентации пьезопластин 3 и 4 и указанном соединении их электродов 5 каждый многослойный пьезоэлемент эквивалентен монолитной пьезопластине.

Имея это в виду, легко понять, что соединение двух выше описанных пьезоэлементов эквивалентно соединению двух монолитных пьезопластин, как это показано на фиг. 2. Такое соединение, как известно (см. напр. Kokorowski S.A. Analysis of adaptive optical elements made from piezoelectric bimorphs. J. Opt. Soc. Am. 1979, v.69, N I, p. 181-187), является активной 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. Для примера на фиг.2 показаны деформации простейшей биморфной структуры (пунктирными линиями) и соответствующие управляющие напряжения на ее электродах.

Увеличение по сравнению с прототипом амплитуды управляемых перемещений отражающей поверхности в деформируемом зеркале на основе многослойной активной биморфной структуры и повышение его чувствительности становится понятным из нижеследующего рассмотрения. В простейшей активной биморфной структуре, реализованной в зеркале-прототипе и изображенной на фиг. 2, деформации (прогиб) отражающей поверхности 13 происходят за счет возникновения изгибающего момента, благодаря расширению одной из пьезопластин 12 и сжатию другой. Причем при изменении полярности управляющего напряжения деформации данной активной биморфной структуры также изменяют свой знак.

При переходе от рассмотренной двухслойной активной биморфной структуры к трехслойной (см. фиг. З) согласно указанной выше причине (см. п.1 на с. 6) возникает дополнительный изгибающий момент (за счет деформаций новой пьезопластины 14), который складывается с изгибающим моментом, возникающим при деформациях старых пьезопластин 12. Однако в этом случае увеличения суммарного изгибающего момента, возникающего в трехслойной активной биморфной структуре (и, тем самым, увеличения амплитуды деформаций отражающей поверхности и чувствительности зеркала), может и не происходить, поскольку при переходе от двухслойной активной биморфной структуры к трехслойной имеет место конкуренция следующих трех факторов (при том же самом управляющем напряжении): 1) добавление к существующему изгибающему моменту дополнительного изгибающего момента за счет новой пьезопластины 14; иными словами, при подаче управляющего напряжения только на пьезопластину 14 (напряжение на пьезопластинах 12 равно нулю) биморфная структура на фиг.З будет изгибаться исключительно за счет деформаций новой пьезопластины 14; 2) снижение по сравнению с фиг.2 величины изгибающего момента, вызываемого деформациями старых пьезопластин 12, т.к. в трехслойной биморфной структуре данному изгибающему моменту необходимо скомпенсировать противодействие (жесткость) новой пьезопластины 14; иными словами, при подаче управляющего напряжения только на пьезопластины 12 (напряжение на пьезопластине 14 равно нулю) величина изгиба биморфной структуры на фиг.З будет меньше, чем на фиг.2; 3) добавление к существующему изгибающему моменту дополнительного изгибающего момента, возникающего в биморфном соединении "новая пьезопластина 14 старая пьезопластина 12" за счет одновременных, но различных по величине деформаций обоих этих пьезопластин.

Понятно, что с точки зрения увеличения амплитуды управляемых перемещений оптической поверхности зеркала на основе активной биморфной структуры 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 биморфном соединении "новая пьезопластина 14 старая пьезопластина 12" добавочный изгибающий момент совпадает по знаку с изгибающим моментом, возникающим благодаря деформациям обеих старых пьезопластин 12. А это, в свою очередь, возможно только тогда, когда деформации новой пьезопластины 14 совпадают по знаку с деформациями сопряженной с ней старой пьезопластины 12 и превосходят их по величине. На фиг. З эта ситуация показана двойным знаком "++" для управляющего напряжения на электроде пьезопластины 14. Во всех остальных случаях действие третьего фактора является отрицательным, даже в том случае, когда деформации смежных пьезопластин 12 и 14 совпадают по знаку, но отличаются друг от друга по величине.

Из вышеизложенного рассмотрения ясно, что при переходе от двухслойной активной биморфной структуры (фиг.2) к трехслойной (см. фиг.З) первые два фактора являются принципиальными, присутствующими всегда, и, следовательно, второй (отрицательный) фактор принципиально неустраним. Действие третьего фактора можно обратить на пользу дела, обеспечив при работе зеркала на основе активной биморфной структуры, чтобы в каждый момент времени управляющее напряжение на пьезопластине 14 совпадало по знаку с напряжением на сопряженной с ней пьезопластине 12 и превышало последнее по величине. Однако все варианты подобного управления пьезопластинами в трехслойной активной биморфной структуре крайне неудобны. Действительно, во-первых, во всех подобных случаях необходимо иметь два электрически независимых управляющих канала. Во-вторых, значение управляющего напряжения на пьезопластине 14 все время необходимо сравнивать с величиной напряжения на смежной пьезопластине 12, что весьма неудобно в динамическом режиме работы зеркала. Заметим, что в конструкции на фиг.З новая пьезопластина 14 деформируется синфазно со смежной пьезопластиной 12, т.е. сжимается в продольном направлении при указанной на фиг. З ориентации векторов поляризации пьезопластин. Очевидно, все проведенные рассуждения справедливы также для случая расположения новой пьезопластины 14 снизу рассмотренной конструкции, т.е. когда эта пластина будет расширяться в продольном направлении синфазно с расширением смежной пьезопластины 12, в данном случае нижней из двух (понятно, что вектор поляризации пьезопластины 14 в этом случае сохранит свою ориентацию).

Заметим также, что все приведенные рассуждения целиком справедливы для полупассивных биморфных зеркал, в которых одна из пластин (а именно отражающая) выполняется из стекла, металла и т.п. т.е. сама по себе не деформируется.

К указанным выше факторам, возникающим при переходе от двухслойной (фиг. 2) активной биморфной структуры к трехслойной (см. фиг. З), необходимо добавить еще один, имеющий своеобразное отрицательное влияние при построении многослойных активных биморфных структур. Дело заключается в том, что трехслойная активная биморфная структура на фиг. З является несимметричной (на сжатие работают две пьезопластины, на растяжение одна). С другой стороны, понятно, что при прочих равных условиях (а именно, при равенстве управляющего напряжения на обеих половинах биморфа и неизменной общей его толщине) деформации симметричной активной биморфной структуры имеют большую величину, чем несимметричной. Использование в несимметричном активном биморфе для двух его частей различного по величине напряжения довольно неудобно с точки зрения управления. Очевидно, для устранения указанного отрицательного эффекта целесообразно использовать вместо несимметричной трехслойной активной биморфной структуры, изображенной на фиг.З, полностью симметричную четырехслойную (см. фиг.4). Очевидно также, что для новой нижней пьезопластины 14 на фиг.4 полностью справедливы отмеченные выше три фактора.

При переходе от трехслойной активной биморфной структуры (фиг.З) к четырехслойной (фиг.4) и далее к многослойной (фиг. 1) действие всех трех вышеперечисленных факторов изменяется, а именно: 1) добавка к существующему изгибающему моменту дополнительного изгибающего момента уменьшается с присоединением каждой новой пьезопластины, т.к. общая жесткость активной биморфной структуры все более возрастает; иными словами, с присоединением каждой новой пьезопластины и при подаче управляющего напряжения только на нее (напряжение на всех остальных пьезопластинах равно нулю) активная биморфная структура будет изгибаться все меньше и меньше; 2) с присоединением каждой новой пьезопластины снижаются значения изгибающих моментов, вызываемых деформациями всех уже имеющихся (старых) пьезопластин, т. к. в многослойном зеркале данным изгибающим моментам необходимо скомпенсировать противодействие (жесткость) каждой новой пьезопластины; иными словами, при подаче управляющего напряжения только на все старые пьезопластины (напряжение на вновь присоединенной пьезопластине равно нулю) величина изгиба биморфной структуры будет уменьшаться с присоединением каждой новой пьезопластины (заметим, что данное утверждение справедливо как для случая подачи управляющего напряжения на все старые пьезопластины сразу, так и в случае подачи напряжения на любую старую пьезопластину в отдельности); 3) добавляются дополнительные изгибающие моменты, возникающие во всех биморфных структурах, образованных каждой парой смежных пьезопластин, из которых хотя бы одна является вновь присоединенной, за счет одновременных, но различных по величине деформаций этих смежных пьезопластин.

За счет уменьшения положительного эффекта от первого фактора, возрастания отрицательного эффекта от второго и по аналогии с трехслойной активной биморфной структурой понятно, что в многослойном активном биморфе добиться вышеуказанного технического результата (т.е. увеличения чувствительности и амплитуды деформаций) за счет простого увеличения количества пьезопластин не удается. Кроме того, в многослойной активной биморфной структуре добиться положительного действия третьего фактора (т.е. когда для обоих половин биморфа управляющее напряжение на всех пьезопластинах является однополярным, причем его величина для каждой последующей, т.е. вновь присоединенной, пластины больше, чем для предыдущей) еще сложнее, чем в трехслойной или четырехслойной, и в динамике практически невозможно. Поэтому практически всегда в многослойном активном биморфе третий фактор будет оказывать отрицательное воздействие на амплитуду деформаций и чувствительность.

Выход из сложившейся ситуации в предлагаемом изобретении заключается в устранении третьего фактора вообще, т.е. за счет того, что для каждой половины многослойного активного биморфа (фиг. 1 все соединения каждой пары смежных пьезопластин 3 или 4 друг с другом не являются биморфными. (При этом, естественно, подразумевается, что соединение обоих многослойных частей друг с другом в активную биморфную структуру является биморфным, т.е. соединение смежных пьезопластин 3 и 4.) Указанный вариант реализуется в том случае, когда для любой половины (любого пьезоэлемента) многослойной активной биморфной структуры любые две смежные пьезопластины 3 или 4 деформируются абсолютно одинаково или, иными словами, когда при прочих равных условиях на все пьезопластины 3 или 4 одной половины биморфа подается одинаковое управляющее напряжение. Именно благодаря этому деформации всех пьезопластин 3 или 4 для любой половины биморфа 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 в каждом пьезоэлементе (т.е. для каждой половины биморфа) отдельные пьезопластины ориентированы таким образом, что векторы поляризации смежных пьезопластин направлены в противоположные стороны, а их одноименные электроды электрически связаны между собой, при этом пьезоэлектрические элементы (части биморфа) жестко соединены друг с другом таким образом, что векторы поляризации их смежных сопрягаемых пьезопластин сонаправлены, а их смежные сопрягаемые электроды электрически связаны между собой. На фиг.1 соответствующие управляющие электроды 5 пьезокерамических пластин 3 и 4 соединены указанным образом посредством соединительных проводников 7. Таким образом, только сочетание данного отличительного признака с первым (что пьезоэлектрические элементы, т.е. обе половины биморфа, выполнены многослойными и образованы по крайней мере двумя идентичными пьезопластинами со сплошными металлическими электродами на противоположных сторонах) позволяет добиться указанного технического результата, т. е. повышения амплитуды управляемых перемещений оптической поверхности деформируемого зеркала на основе многослойной активной биморфной структуры.

Поскольку чувствительность деформируемого зеркала есть отношение величины деформаций его отражающей поверхности к приложенному управляющему напряжению, то из приведенного рассмотрения ясно, что в предлагаемом зеркале на основе многослойной активной биморфной структуры сочетание указанных отличительных признаков, характеризующих выполнение пьезоэлектрических элементов и соединение управляющих электродов в них, также обеспечивает увеличение чувствительности по сравнению с известными аналогами и прототипом. Кроме того, как отмечалось выше, повышение чувствительности в предлагаемом изобретении возможно, ко всему прочему, за счет снижения толщины отдельных пьезопластин 3 и 4 (фиг. 1) и, следовательно, снижения управляющего напряжения. Таким образом, в соответствии с проведенным рассмотрением за счет сочетания указанных отличительных признаков и возможного снижения толщины отдельных пьезопластин описанное техническое решение обеспечивает гарантированное и существенное увеличение чувствительности деформируемых биморфных зеркал.

Для дальнейшего увеличения амплитуды управляемых деформаций в предлагаемом зеркале (и, следовательно, дальнейшего повышения его чувствительности) необходимо реализовать более свободное закрепление многослойной активной биморфной структуры в корпусе зеркала по сравнению с известными аналогами и прототипом. В известных зеркалах наиболее оптимальное закрепление активной биморфной структуры реализовано в выбранном прототипе, где биморфная пластина крепится к корпусу в трех точках по своему внешнему диаметру, что в идеальном случае соответствует ее свободному опиранию, т.е. отсутствию ограничений на значение первой производной функции деформаций на краю пластины. Понятно, что в реальной конструкции выполнить идеальные условия свободного опирания на краю невозможно, поэтому в той или иной степени биморфная пластина будет заневолена по своему краю. Иными словами, реальные условия краевого закрепления биморфной пластины находятся между жестким защемлением и свободным опиранием. Данное реальное закрепление устанавливает вполне конкретное значение первой производной от функции деформаций на краю пластины, отличное от идеального теоретического результата и лежащее между ним и нулем (что соответствует жесткому защемлению). При этом амплитуда управляемых перемещений оптической поверхности зеркала будет тем выше, чем меньше отличие реального значения первой производной на краю пластины от идеального варианта. Отсюда, в частности, вытекает целесообразность эластичного краевого закрепления биморфной пластины в нескольких точках, например, с помощью резиновых, поролоновых и т.п. прокладок. Тем не менее, во всех подобных вариантах отличие реального значения первой производной функции деформаций от теоретической величины является принципиально неустранимым и, следовательно, возможное повышение амплитуды управляемых деформаций и чувствительности биморфного зеркала не является существенным и гарантированным.

Кардинальным решением рассмотренной проблемы является отказ от краевого закрепления биморфной пластины и реализация крепления последней в ее центре. Это сразу же обеспечивает выигрыш в амплитуде управляемых деформаций, поскольку в этом отношении при прочих равных условиях центральное закрепление биморфа оказывается явно предпочтительнее любого краевого закрепления, в том числе идеального свободного опирания (см. Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц. Теоретическая физика. В 10-ти т. Т. VII. Теория упругости. М. Наука, 1987, с. 6О-69). Например, прогиб пластины в поле силы тяжести для случая центрального закрепления на 40-66% (в зависимости от материала пластины) больше, чем в случае свободного опирания аналогичной пластины. Один из возможных вариантов показан на фиг. 1, где многослойная активная биморфная структура (пластина) закреплена в корпусе 1 деформируемого зеркала с помощью держателя 2, при этом со стороны отражающей поверхности между корпусом 1 и биморфной пластиной имеется зазор. Заметим, что отличие данного конкретного варианта центрального закрепления от идеального случая (т.е. жесткого закрепления в точке) весьма незначительно по следующим причинам:
1) поскольку многослойная биморфная пластина достаточно легкая, то для любой ориентации деформируемого зеркала диаметр держателя 2 может быть выбран минимальным (во всяком случае много меньшим по сравнению с диаметром биморфа);
2) поскольку прогиб биморфной пластины есть квадратичная функция радиуса, а его величина мала (т.е. радиус прогиба большой), следовательно, в центре биморфа в пределах диаметра держателя 2 можно считать прогиб биморфа постоянным и равным нулю;
3) поскольку вершина прогиба биморфа находится в его центре, то первая производная функции деформаций в этой точке равна нулю, а в ее окрестности близка к нулю из-за большого радиуса прогиба, что соответствует граничному условию в случае центрального закрепления.

Следовательно, рассмотренный вариант центрального закрепления многослойной биморфной пластины в корпусе деформируемого зеркала обеспечивает эффективное увеличение амплитуды управляемых деформаций оптической поверхности, а значит, и чувствительности зеркала. Таким образом, сочетание всех отличительных признаков и описанного варианта закрепления многослойной активной биморфной структуры обеспечивает гарантированное достижение существенного указанного технического результата, т. е. гарантированное и существенное увеличение амплитуды управляемых перемещений отражающей поверхности деформируемых зеркал на основе многослойных активных биморфных структур и повышение их чувствительности при одновременном снижении управляющего напряжения.

Наибольшая простота и удобство конструкции предлагаемого изобретения достигаются в том случае, когда смежные пьезопластины сопряжены между собой через общий для них электрод. Действительно, в этом случае каждый 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. Таким образом, в итоге пьезопластины в многослойном пьезоэлементе оказываются сопряженными через общий для них электрод.

Выше уже были отмечены преимущества, которые обеспечиваются за счет изменения формы пьезоэлектрических пластин и/или их электродов. В этом случае работа деформируемого зеркала на основе многослойной активной биморфной структуры ничем не отличается от вышеописанной, за исключением того, что форма деформаций его отражающей поверхности будет соответствовать выбранной форме пьезоэлектрических пластин и их электродов.

Показанный на фиг. 1 эластичный герметик 11, заполняющий внутреннюю полость корпуса зеркала, не является обязательным элементом и служит для повышения прочности, надежности и стабильности конструкции в целом. Это достигается благодаря демпфированию эластичным герметиком 11 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.

Немаловажным достоинством предлагаемого устройства является возможность уменьшения толщины отдельных пьезопластин 3 и 4 с целью понижения величины управляющего напряжения (без снижения амплитуды полезных деформаций отражающей поверхности) и, следовательно, повышения чувствительности. Действительно, для существующих аналогов и прототипа толщина одной пьезопластины (и, следовательно, толщина всей биморфной структуры) ограничена снизу, поскольку ее жесткость должна обеспечивать возможность оптического формообразования и полировки зеркала, а также стабильность исходной отражающей поверхности. Таким образом, для имеющихся аналогов и прототипа существует минимально допустимая толщина пьезопластины, при которой возможно создание эффективного деформируемого биморфного зеркала.

Из приведенного выше описания ясно, что для предлагаемого зеркала на основе многослойной активной биморфной структуры какого-либо ограничения минимальной толщины отдельных пьезопластин 3 или 4 не существует. Очевидно, в этом случае возможный недостаток жесткости биморфной пьезоструктуры в целом легко компенсируется увеличением количества пьезоэлектрических пластин 3 и 4. Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает возможность создания низковольтных высокочувствительных одноканальных деформируемых биморфных зеркал с высокой амплитудой управляемых перемещений оптической поверхности.

В заключение уместно отметить, что предлагаемое устройство, в том числе изображенное на фиг. 1, может быть реализовано на стандартном промышленном оборудовании с использованием известных материалов и технологий. 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 Diehl GmbH Co. с одним пьезоприводом, см. Lasers in Engineering, 1995, Vol. 4, pp. 233-242) предложенное устройство обладает как минимум следующими преимуществами: значительно меньшими массой и габаритными размерами, существенно меньшей себестоимостью, более сферическими деформациями отражающей поверхности.

Практически предложенное 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.

Формула изобретения

1. Деформируемое зеркало на основе многослойной активной биморфной структуры, содержащее закрепленные в корпусе два жестко соединенные друг с другом пьезоэлектрических элемента с металлическими электродами на противоположных сторонах и отражающую поверхность, выполненную на внешней стороне одного из пьезоэлектрических элементов, отличающееся тем, что пьезоэлектрические элементы выполнены многослойными и образованы по крайней мере двумя идентичными пьезопластинами, или пьезопленками, или пьезослоями со сплошными металлическими электродами на противоположных сторонах, причем в каждом пьезоэлементе отдельные пьезопластины, или пьезопленки, или пьезослои ориентированы таким образом, что векторы поляризации смежных пьезопластин, или пьезопленок, или пьезослоев направлены в противоположные стороны, а их одноименные электроды электрически связаны между собой, при этом пьезоэлектрические элементы жестко соединены друг с другом таким образом, что векторы поляризации их смежных сопрягаемых пьезолпластин, или пьезопленок, или пьезослоев сонаправлены, а их смежные сопрягаемые электроды электрически связаны между собой.

2. Зеркало по п.1, отличающееся тем, что по крайней мере одна пара смежных пьезопластин, или пьезопленок, или пьезослоев сопряжена между собой через общий для них электрод.

3. Зеркало по п.1 или 2, отличающееся тем, что по крайней мере одна пьезопластина, или пьезопленка, или пьезослой, или по крайней мере один электрод выполнен в форме полного или усеченного либо круга, либо овала, либо кольца, либо многоугольника, либо сектора, либо сегмента, либо в форме объединения по крайней мере двух одинаковых или различных перечисленных фигур.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4