Фазовый модулятор волнового фронта

 

Изобретение относится к оптике и предназначено для работы в качестве исполнительного устройства в адаптивных оптических системах. Фазовый модулятор содержит деформируемое зеркало, жесткое основание, пьезоэлементы с крестообразным поперечным сечением и двумя парами электродов на каждой пластине и переключатель с двумя положениями. Пьезокерамика между электродами каждой пары поляризована по толщине пластины, а в зазоре между парами электродов - по ее длине. Переключатель изменяет способ подключения электродов к источнику управляющего напряжения. Фазовый модулятор обеспечивает увеличение времени безотказной работы за счет восстановления исходной формы рабочей поверхности зеркала. 3 ил.

Изобретение относится к области оптики и предназначено для использования в качестве исполнительного устройства в адаптивных оптических системах.

Известен фазовый модулятор волнового фронта [1]. Устройство содержит деформируемое зеркало, жесткое основание и пьезоэлементы, размещенные между зеркалом и основанием. Пьезоэлементы, использующие продольный пьезоэффект, представляют собой стержни из пьезокерамики с управляющими электродами на торцевых поверхностях. Устройство обладает высоким быстродействием. Однако деформация зеркала в устройстве недостаточна для фазовой коррекции в оптических системах инфракрасного диапазона.

Наиболее близким аналогом является фазовый модулятор волнового фронта [2] . Устройство содержит деформируемое зеркало, жесткое основание и пьезоэлементы, размещенные между зеркалом и основанием. Пьезоэлементы, использующие поперечный пьезоэффект, представляют собой монолитные стержни с крестообразным поперечным сечением. На каждую из четырех пластин пьезоэлемента нанесена пара электродов, подключенных к источнику управляющего напряжения. Устройство обладает высокой управляемой деформацией зеркала.

Однако в процессе эксплуатации устройства происходит старение пьезокерамики в пьезоэлементах, приводящее к изменению их геометрических размеров. Следствием этого является искажение исходной формы рабочей поверхности зеркала, что ограничивает функциональные возможности устройства и сокращает срок его безотказной работы.

Изобретение позволяет восстанавливать исходную форму рабочей поверхности и тем самым улучшить коррекцию волнового фронта и повысить надежность работы устройства.

Указанный технический эффект достигается тем, что в фазовый модулятор волнового фронта, содержащий деформируемое зеркало, жесткое основание и размещенные между ними пьезоэлементы в виде монолитных пьезокерамических стержней с крестообразным поперечным сечением и парой электродов, нанесенных на противоположные поверхности каждой из четырех пластин пьезоэлемента и подключенных к источнику управляющего напряжения, введен переключатель с двумя положениями, и на поверхности каждой пластины пьезоэлемента нанесена вторая пара электродов, отделенная зазором от первой пары. Пьезокерамический материал между электродами каждой пары поляризован по толщине пластины, а пьезокерамический материал в зазоре между парами электродов поляризован по длине пластины. Пьезоэлементы соединены с источником управляющего напряжения через переключатель таким образом, что в первом положении переключателя две пары электродов каждой пластины пьезоэлемента соединены параллельно, и соединенные электроды подключены к выходам источника управляющего напряжения, во втором положении переключателя электроды каждой пары соединены между собой, и две пары электродов каждой пластины подключены к выходам источника управляющего напряжения.

Создание фазового модулятора волнового фронта стало возможным благодаря новой конструкции пьезоэлементов, новому принципу поляризации пьезокерамического материала и новому схемному решению устройства. Сочетание участков пьезоэлемента с поперечным пьезоэффектом и участка с продольным пьезоэффектом позволяет осуществить два режима работы устройства: режим фазовой коррекции и режим восстановления исходной формы рабочей поверхности. Переключатель позволяет осуществлять выбор режима.

Предлагаемое в известном устройстве [3] восстановление геометрических размеров пьезоэлемента путем подачи управляющего напряжения обратной полярности возможно в таком грубом устройстве, как стопорный механизм, но неприемлемо в прецизионном устройстве - фазовом модуляторе волнового фронта, так как напряжение обратной полярности приводит к деполяризации пьезокерамики и, как следствие, к снижению чувствительности устройства и сужению интервала изменения фазы волнового фронта. Необходимо отметить, что даже весьма малые величины напряженности электрического поля обратной полярности, не превышающие напряженности так называемого коэрцитивного поля, приводят к деградации электромеханических характеристик пьезокерамики. Справочная величина коэрцитивного поля пьезокерамического материала - условная усредненная величина. По крайней мере половина объема пьезоэлемента подвержена, в той или иной степени, деполяризации при приложении внешнего электрического поля обратной полярности с напряженностью, равной справочной величине коэрцитивного поля пьезокерамического материала.

В предлагаемом изобретении во всех режимах работы полярность управляющего напряжения совпадает с направлением поляризации пьезокерамики, что исключает деполяризацию пьезоэлементов. Наличие в монолитном пьезоэлементе участков с различным направлением деформации позволяет, при одном источнике управляющего напряжения, восстанавливать исходную форму рабочей поверхности зеркала и тем самым повысить надежность работы устройства путем увеличения времени его безотказной работы.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и чертежами. На фиг. 1 изображены проекции общего вида фазового модулятора волнового фронта, на фиг.2 показана схема электрических соединений одного канала фазового модулятора, где Р - направление поляризации в пластине пьезоэлемента, на фиг.3 - схема электрических соединений электродов на четырех пластинах в одном канале фазового модулятора.

Фазовый модулятор содержит деформируемое зеркало 1, жесткое основание 2 и размещенный между ними набор пьезоэлементов 3. Пьезоэлемент 3 представляет собой стержень с крестообразным поперечным сечением. На боковые поверхности каждой пластины стержня нанесены две пары электродов 4 и 5, разделенные зазором 6 (фиг.1 и 2). На фиг.2 условно показаны электроды 4.1 и 5.1 одной из пластин пьезоэлемента 3. Пары электродов четырех пластин каждого пьезоэлемента 3: 4.1, 4.2, 4.3 и 4.4 - соединены параллельно (фиг.3). Аналогично соединены пары электродов 5.1, 5.2, 5.3 и 5.4. Пьезоэлементы 3 через переключатель 7 соединены с источником управляющего напряжения 8. Переключатель 7 имеет два положения: "а" и "б". В положении "а" пары электродов 4.1 и 5.1 соединены параллельно и подключены к источнику управляющего напряжения 8. В положении "б" пара электродов 4.1 замкнута накоротко, также замкнута накоротко пара электродов 5.1. Замкнутые пары электродов 4.1 и 5.1 подключены к источнику управляющего напряжения 8.

Пьезокерамический материал между электродами 4 и между электродами 5 поляризован по толщине пластины. Пьезокерамика в зазоре 6 между парами электродов поляризована по длине пластины. При поляризации пьезокерамики применяют схему, аналогичную схеме на фиг.2, в которой источник управляющего напряжения 8 заменен источником поляризующего напряжения.

Фазовый модулятор волнового фронта работает следующим образом. В положении "а" переключателя 7 при подаче сигнала от источника управляющего напряжения 8 на электроды 4 и 5, нанесенные на пьезоэлемент 3, вследствие поперечного пьезоэффекта происходит продольная деформация пьезоэлемента 3 - сокращение его длины в направлении продольной оси стержня, что вызывает изгибную деформацию зеркала 1 и, как следствие, изменение фазы волнового фронта оптического луча, отраженного от зеркала 1.

В положении "б" переключателя 7 подача сигнала от источника управляющего напряжения 8 вызывает вследствие продольного пьезоэффекта в зазоре 6 продольную деформацию пьезоэлемента 3 - удлинение его в направлении продольной оси. Следствием этого является деформация зеркала в направлении, противоположном деформации в первом режиме, что позволяет восстановить исходную форму рабочей поверхности зеркала 1, которая искажается вследствие старения пьезокерамики при длительной работе устройства.

Новый вид фазового модулятора волнового фронта позволяет существенно повысить эффективность адаптивной оптической системы путем значительного увеличения времени безотказной работы. Наибольший эффект может быть достигнут в системах получения высокодетальных изображений космических аппаратов.

Источники информации 1. Патент США 3904274, М.кл. G 02 F 1/34, 1975.

2. Патент РФ 2080638, М.кл. G 02 F 1/00, 1997.

3. Патент США 4689516, М.Кл. Н 01 L 41/08, 1987.

Формула изобретения

Фазовый модулятор волнового фронта, содержащий деформируемое зеркало, жесткое основание и размещенные между ними пьезоэлементы в виде монолитных пьезокерамических стержней с крестообразным поперечным сечением и парой электродов, нанесенных на противоположные поверхности каждой из четырех пластин пьезоэлемента и подключенных к источнику управляющего напряжения, отличающийся тем, что в него введен переключатель с двумя положениями, на поверхности каждой пластины пьезоэлемента нанесена вторая пара электродов, отделенная зазором от первой пары, пьезокерамический материал между электродами каждой пары поляризован по толщине пластины, а пьезокерамический материал в зазоре между парами электродов поляризован по длине пластины, пьезоэлементы соединены с источником управляющего напряжения через переключатель таким образом, что в первом положении переключателя две пары электродов каждой пластины пьезоэлемента соединены параллельно, и соединенные электроды подключены к выходам источника управляющего напряжения, во втором положении переключателя электроды каждой пары соединены между собой, и две пары электродов каждой пластины подключены к выходам источника управляющего напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3