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變形鏡,又稱變形反射鏡,主要運用於各種自適應光學系統之中,作為波前校正器件校正波前誤差,在自適應光學系統中起著極其重要的作用,是自適應光學系統中的重要部件之一,變形鏡的研究和發展關係到整個自適應光學系統的校正能力和校正精度。

  變形鏡,又稱變形反射鏡,主要運用於各種自適應光學系統之中,作為波前校正器件校正波前誤差,在自適應光學系統中起著極其重要的作用,是自適應光學系統中的重要部件之一,變形鏡的研究和發展關係到整個自適應光學系統的校正能力和校正精度。

1 變形鏡 -變形鏡的分類

  變形反射鏡式通過改變自己表面面形來補償波前相位畸變,可分為連續表面形和分立表面兩種類型。

分立表面變形鏡

  早期的變形反射鏡多為分立表面的,如圖1所示,每個分立的平面反射鏡由三維調節度(平移+傾斜),通過控制各個致動器可以得到由分立小平面構成的波面。很顯然,這種變形鏡無法得到連續面形,波前校正精度低,但是它有較大的校正量,適用於大型天文自適應光學系統中做大尺寸、大變形量的波前校正。

  

圖1:分立式變形鏡圖1:分立式變形鏡
連續表面變形鏡

  連續表面變形反射鏡如圖2所示,其優點是可以得到連續的面形,校正精度高,其缺點是面形的變形量比較小。連續表面的變形反射鏡又可分為整體致動和分立致動兩種,見圖3-2所示。整體致動主要有雙壓電變形鏡和薄模變形鏡,其特點是當控制電壓作用於某一致動單元時,整個反射鏡面都將產生變形,這類變形鏡主要用於與曲率波前感測器配合校正波前畸變的低階模式部分。分立致動變形鏡的一個特點是當控制電壓作用於一個致動器時,只有該致動器相鄰區域產生局部變形。其中致東方向平行於鏡面時,致動器作用於反射鏡邊緣,只能用於校正離焦和像散等特定像差,因此在自適應光學系統里的應用受到了局限。致動方向垂直於鏡面的連續表面變形鏡可以校正各階像差,而且能達到很高的校正精度,因此成為自適應光學系統中應用最廣的一種波前校正器。

  

圖2:連續表面變形鏡圖2:連續表面變形鏡

2 變形鏡 -變形鏡主要性能指標

  變形反射鏡的主要性能除了光學元件必須的通光孔徑和表面面型精度外。還有如下主要性能:

  (1)變形反射鏡尺寸——變形鏡有效鏡面尺寸關係到自適應光學系統的校正面積

  (2)控制單元數——驅動器數量

  (3)變形靈敏度——單位電壓使變形鏡產生的變形量

  (4)響應時間——當施加外加電壓時,變形鏡從開始變形到變形結束的時間

  (5)諧振頻率——即為了保證必要的控制工作帶寬自身所需的達到諧振點前最低頻率

  (6)面型影響函數和交連值。在變形鏡的任一個驅動器上變形量的分佈稱為變形鏡的面型影響函數,在相鄰驅動器中心的影響函數值稱為交連值。交連值大表示影響區域寬,過大的交連值造成各個控制迴路之間的機械耦合,影響系統的工作。過小則造成波面擬合不足而形成各個驅動器的局部起伏,因而不能構成連續的波面,達不到補償波面誤差的效果。根據Pearson的經驗數據,理想的交連值在5%~12%之間。

  (7)穩定性。這是最關鍵的性能,變形鏡不僅要求變形鏡驅動器有足夠的強度,因為變形鏡的變形量是正負交替的,驅動器以每秒幾百次甚至上千次的工作速度承受著循環應力。如驅動器很快損壞到失去變形能力或變形已不正常就沒有了足夠的工作能力,也可以說已破壞了穩定性。更重要的也是最苛刻最難達到的則是驅動器的靜態和動態穩定性,它直接影響反射鏡面型精度,同樣造成不能正常工作,通常認為面型精度太差了就已達到工作壽命的終點。而對於分立式變形鏡,多個驅動器支持的薄鏡面,一方面是要在不同的環境中放置后仍保持面型精度——靜態穩定性,同時經過工作以後停止工作時面型又要恢復到原始精度——動態穩定性,這就要求幾十個驅動器的熱膨脹係數一致,在反覆變形過程中產生的不可恢復變形極小。

  

3 變形鏡 -應用領域

  (1)自適應光學天文望遠鏡。這是已得到應用和應用前景最廣的系統,變形鏡用來校正大氣擾動、光學系統誤差、溫度和重力變形引起的誤差。

  (2)發射激光的自適應光學系統。這是戰略激光武器必須採用的系統。可以校正大氣熱暈效應和湍流擾動、激光腔內誤差和光學系統誤差等引起的誤差。

  (3)大型空間自適應光學望遠鏡。為消除大氣擾動的影響,已開始將天文望遠鏡安置在衛星上。如美國的哈勃望遠鏡,而為了減輕質量和校正溫度不均勻及應力影響,必須採用自適應光學技術,口徑較大的變形反射鏡用於校正溫度及應力影響。

  (4)自適應光學諧振腔。為了補償激光物質質量不勻、腔體發熱變形、諧振腔加工誤差等的影響,採用自適應光學技術,以得到良好的激光模式。

  (5)空間自適應激光通訊系統。空間通訊一般可用無線電波,但為了保密,或者通訊距離遙遠,需要節省能量,採用定向激光通訊是適宜的,為此需要採用自適應光學技術。

  (6)激光核聚變自適應光學系統。激光核聚變系統一般是採用多路激光同時轟擊靶標,而每路的光路很長,光學零件很多,為了使多路激光能會聚在靶標上,採用自適應光學技術是十分必要的。

  

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