20单元双压电片变形反射镜的影响函数有限元分析和实验测量

影响函数是分析双压电片变形反射镜像差校正能力的重要参量,通过建立有限元模型预测实际器件的影响函数,以有限元模型的不断优化替代实际器件的尝试性改进,可以减小构造的盲目性,从而节约研发成本,缩短双压电片变形镜的实用化进程.采用Veeco干涉仪测量了20单元双压电片变形反射镜的影响函数,同时建立有限元模型进行了相应计算,并将计算结果与实际器件的测量数据进行了对比分析.结果表明,相对于实测数据而言,有限元模型计算得出的影响函数在量值上略有偏小,但其形状和峰值位置与测量数据一致性好,两者对前35项泽尼克像差的拟合曲线也基本吻合,各项拟合误差系数之差皆小于0.1.这说明通过不断改进有限元模型实现对实际器件的优化设计是切实可行的.     

20单元双压电片变形镜对Zernike像差空间拟合能力的实验研究

利用20单元双压电片变形镜和13×13阵列哈特曼波前传感器所构成的闭环自适应光学系统,实验测试了双压电片变形镜对3～20项静态Zernike像差的空间校正能力,并将实验结果与仿真计算结果进行了对比.最后分析了哈特曼传感器与双压电片变形镜之间的对准误差对实验结果的影响.研究表明,除了少数几项外,双压电片变形镜对3～20项Zernike像差的拟合误差都小于0.5,各项Zernike仿真和实验结果之差平均小于0.1.计算表明,与严格对准的理想情况相比,双压电片变形镜对3～20项Zernike像差中大多数项的拟合误差都随着失配程度的增加而增大,对准精度对于高阶像差拟合效果的影响尤其严重.     

双压电变形反射镜的优化设计

利用Ｋｏｋｏｒｏｗｓｋｉ导出的自由边界条件下双压电变形镜表面位移－电压所满足的偏微分方程,运用高斯迭代法求解该方程,得出变形镜的静态响应函数矩阵ｆ（ｒ,０）,考虑到由大气湍流造丰的光学波前畸变中各泽尼克基元模式的统计权重分布,以及变形的实际装夹定位方式,对双压电变形反射镜的优化设计进行了分析。结果表明：变形的校正能力随被校正的各项泽尼克模式像差在大气湍流造成的波前畸变中所占统计权重的不同而有很大的     

61单元分立式压电变形反射镜的研制

由于61单元自适应光学系统(AO)对分立式压电变形反射镜单元数(61单元)和变形量的要求超过以往研制的变形镜,从理论分析到工艺研究采取措施,研制成功了用于系统实验的变形镜,顺利地完成了AO与跟瞄系统(ATP)的对接,提高了ATP的跟瞄精度。     

61单元分立式压电变形反射镜的研制

 由于61单元自适应光学系统(AO)对分立式压电变形反射镜单元数(61单元)和变形量的要求超过以往研制的变形镜,从理论分析到工艺研究采取措施,研制成功了用于系统实验的变形镜,顺利地完成了AO与跟瞄系统(ATP)的对接,提高了ATP的跟瞄精度。     

13单元双压电晶片变形反射镜控制电极的优化设计

双压电晶片变形反射镜具有动态范围大、工作电压低、结构简单、造价低廉等优点，是自适应光学系统中用作波前校正器的新型器件。利用ｋｏｋｏｒｏｗｓｋｉ导出的自由边界条件下双压电变形镜表面位移—电压所满足的偏微分方程，分别运用Ｇａｕｓｓ迭代法和Ｍｏｎｔｅ－Ｃａｒｌｏ法求解该方程的第一边界条件，得出变形镜的静态影响函数矩阵Ｚ（ｘ，ｙ）；按不同电极设计情况划分，以１３组Ｚ（ｘ，ｙ）为基，对Ｚｅｒｎｉｋｅ多项式低阶模进行逐项拟合，得出变形镜控制电极的大小、形状等优化参数，从而得到最佳静态影响函数矩阵以及反演电压矩阵。     

正电压边缘驱动的双压电片变形镜研制

为提高变形镜的热稳定性,提出一种用正电压边缘驱动的双压电片变形镜,通过环形电极产生整体离焦偏置,分立电极校正波前像差,只用正向电压即可实现镜面双向变形,且此变形镜结构对称受热应力影响小.制备变形镜样机并进行测试,测试结果表明:初始镜面展平后残余误差小于λ/30(λ=1 064nm);精确重构了典型低阶Zernike多项式像差,像散、离焦、三叶草和彗差像差的重构幅值分别达到11.1μm、9.7μm、5.7μm和4.2μm,归一化残余误差分别为1.0%、1.0%、3.3%、6.0%;此外,实验生成了新型无衍射艾里光束,并显示出优异的重构性能.     

基于变形镜本征模式的空间光学遥感器波前误差校正方法研究

提出采用基于变形镜(DM)本征模式的自适应光学波前误差校正方法校正高分辨率空间光学遥感器的在轨波前误差。该方法利用变形镜各致动器的影响函数得到一组符合导数正交关系的变形镜本征模式,以图像功率谱密度在低频区域的积分和为评价函数,根据本征模式系数与评价函数之间的关系直接求解出各阶模式所需的校正量。利用实测的37单元变形镜的影响函数得到变形镜本征模式,基于该模式对泽尼克像差进行了开环和闭环仿真校正,定量分析了相位偏置和图像频率范围对算法精度的影响。针对遥感器主镜镜面热变形误差给出了仿真校正结果,分析了图像噪声和不同遥感图像对算法校正精度的影响。仿真结果表明基于变形镜本征模式的自适应光学校正方法可以有效校正波前误差,算法收敛速度快,对图像噪声和内容不敏感,适合用于空间光学遥感器的波前误差校正。     

单压电执行器阵列驱动的变形镜的制备与表征

为降低压电执行器阵列式变形镜的成本,提出了一种由单压电执行器阵列驱动的低成本变形镜.制备了 19单元50 mm 口径的变形镜样机,建立了基于Shack-Hartmann传感器的 自适应光学测试系统,并对单个执行器性能、校正性能、镜面校平性能、变形镜频率响应特性进行了表征.测试结果显示,制备的变形镜单个执行器在50 V电...     

基于近红外光谱的人眼像差校正系统中变形镜性能对比研究

对比分析了基于近红外光谱的人眼像差校正系统中两种微机械薄膜变形镜(OKO37单元和BMC140单元)的结构特征和空间特性,着重对变形镜的影响函数进行了主成分研究,建立了变形镜电压控制模型,并通过调整参数d确定变形镜最优控制模式。最后对Zernike单位模式波前像差和Thibos模式人眼波前像差进行拟合仿真实验,结果表明BMC140单元变形镜对Zernike各阶模式的拟合能力均为OKO37单元变形镜的2倍以上。对RMS均值为0.683λ(λ=0.785 μm)的Thibos模式人眼像差,BMC变形镜校正后残余像差RMS值为0.063λ,达到了光学系统的衍射极限(λ/14)。而OKO变形镜由于受相邻电极交连值大、电极分布密度小等因素的影响,其校正能力不及BMC变形镜,残余像差RMS值为0.168λ。本方法也可用于其他种类变形镜的性能评估。     

MEMS变形反射镜主要特性测试

介绍了基于微机电系统技术的微变形反射镜的基本结构和电极分布.分析了微机系统变形镜的变形原理,推导了微变形镜的镜面变形与外加驱动电压的关系.分析了基于计算机控制的频闪显微干涉测量系统的组成及测试原理,并利用该系统实现了对微变形镜静态电压-位移曲线、静态面形、动态离面变形以及谐振频率的测试.实验表明,测试结果与理论分析有很好的一致性.     

MEMS变形反射镜主要特性测试

介绍了基于微机电系统技术的微变形反射镜的基本结构和电极分布.分析了微机系统变形镜的变形原理,推导了微变形镜的镜面变形与外加驱动电压的关系.分析了基于计算机控制的频闪显微干涉测量系统的组成及测试原理,并利用该系统实现了对微变形镜静态电压-位移曲线、静态面形、动态离面变形以及谐振频率的测试.实验表明,测试结果与理论分析有很好的一致性.     

双变形镜自适应光学系统像差解耦研究

对由大行程变形镜和高空间频率变形镜组成的双变形镜自适应光学系统中的像差解耦原理和限定像差校正算法做了理论分析。认为在高空间频率变形镜的斜率响应矩阵中加入限定像差向量,根据直接斜率法分别计算出两个变形镜的控制电压,可以实现两个变形镜分别对低阶像差和高阶像差的闭环校正。仿真研究了19单元变形镜和61单元变形镜组成的双变形镜自适应光学系统对低阶像差和高阶像差分别校正的情况,结果说明双变形镜自适应光学系统的校正效果与理想行程的单变形镜自适应光学系统的校正效果相当,避免了制作同时具有大行程和高空间频率两个特征的变形镜。     

亚飞秒啁啾Mo/Si多层膜反射镜的设计、制作与性能检测

针对利用高次谐波获取亚飞秒脉冲的实验需求,设计制备了啁啾为-2 800 as2的啁啾Mo/Si多层膜反射镜.数值计算表明,采用所设计的啁啾多层膜反射镜可以获得86 as的脉冲.通过直流磁控溅射方法实现了Mo/Si多层膜样品的制备.在合肥同步辐射上进行了多层膜反射率的测量,在所设计的工作波长内,多层膜的平均反射率为5.6±2.3%.在考虑最上层Si的氧化作用后,对测量曲线进行拟合,得到的反射率曲线和膜层厚度分布分别与测试曲线和设计结果相吻合.     

亚飞秒啁啾Mo/Si多层膜反射镜的设计、制作与性能检测

针对利用高次谐波获取亚飞秒脉冲的实验需求,设计制备了啁啾为－2 800 as2的啁啾Mo/Si多层膜反射镜.数值计算表明,采用所设计的啁啾多层膜反射镜可以获得86 as的脉冲.通过直流磁控溅射方法实现了Mo/Si多层膜样品的制备.在合肥同步辐射上进行了多层膜反射率的测量,在所设计的工作波长内,多层膜的平均反射率为5.6±2.3%.在考虑最上层Si的氧化作用后,对测量曲线进行拟合,得到的反射率曲线和膜层厚度分布分别与测试曲线和设计结果相吻合.     

变形镜像差拟合能力的有限元仿真

为了研究变形镜对于Zernike多项式像差模式的拟合能力,利用有限元仿真方法,建立了两种不同单元排布方式的变形镜有限元模型.通过给促动器施加理论位移,进行了仿真分析.结果指出了不同的促动器排布方式与像差拟合能力之间的关系,同时表明57点促动器密布的排列方式已经能校正像差到λ/20甚至更小,验证了促动器对变形镜印透效应等的影响.     

变形镜像差拟合能力的有限元仿真

为了研究变形镜对于Zernike多项式像差模式的拟合能力, 利用有限元仿真方法, 建立了两种不同单元排布方式的变形镜有限元模型. 通过给促动器施加理论位移, 进行了仿真分析. 结果指出了不同的促动器排布方式与像差拟合能力之间的关系, 同时表明57点促动器密布的排列方式已经能校正像差到λ/20甚至更小, 验证了促动器对变形镜“印透效应”等的影响.