адаптивное зеркало

Формула изобретения

Адаптивное зеркало, включающее основание, деформируемую пластину, на первую поверхность которой нанесено отражающее покрытие, и набор электромеханических преобразователей из сегнетоэлектрической керамики, снабженных управляющими электродами, отличающееся тем, что пластина изготовлена из сегнетоэлектрической керамики с размытым фазовым переходом, электромеханические преобразователи выполнены в теле пластины, управляющие электроды нанесены на вторую поверхность пластины и представляют собой фрактальные фигуры.

Описание изобретения к патенту

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

Известен модулятор волнового фронта [1]. Устройство содержит две механически соединенные пьезоэлектрические пластины из поляризованного материала с электродами на их поверхностях. Периферийные части пластин закреплены на основании, а их центральная часть через толкатель соединена с зеркалом. Изгибная деформация пластин преобразуется в перемещение зеркала, что позволяет осуществить фазовую коррекцию волнового фронта оптического излучения. Известное устройство обладает высокой чувствительностью при малых значениях напряженности управляющего сигнала, не превосходящих напряженности коэрцитивного поля.

Однако устройство не позволяет получить значительное перемещение зеркала, так как увеличение напряженности управляющего сигнала выше напряженности коэрцитивного поля сегнетоэлектрика приводит к деполяризации той пластины, в которой полярность сигнала и направление поляризации противоположны. Деполяризация пластин приводит к деградации электромеханических характеристик и снижает временную стабильность устройства.

Наиболее близким аналогом является деформируемое зеркало [2]. Устройство содержит основание, деформируемую пластину с отражающим покрытием, биморфную пьезоэлектрическую пластину и размещенные между пластинами пьезоэлектрические электромеханические преобразователи со сферическими поверхностями. Деформируемая пластина прижимается к электромеханическим преобразователям путем создания разрежения в камере, содержащей преобразователи. Устройство позволяет осуществлять фокусировку и коррекцию фазы оптического излучения.

Однако известное устройство имеет недостаточно высокое быстродействие из-за отсутствия жесткого соединения электромеханических преобразователей с биморфной и отражающей пластинами. Кроме того, наличие вакуумного насоса, создающего разрежение в камере устройства, существенно снижает надежность работы устройства и значительно увеличивает энергопотребление. Указанные недостатки не позволяют применить известное устройство в адаптивных оптических системах подвижных объектов.

Заявляемое в качестве изобретения адаптивное зеркало позволяет значительно повысить быстродействие оптической системы и применить ее для коррекции эффектов атмосферной турбулентности в реальном масштабе времени. Кроме того, заявляемое устройство позволяет существенно повысить надежность и временную стабильность оптической системы.

Указанный технический эффект достигается тем, что в адаптивном зеркале, включающем основание, деформируемую пластину, на первую поверхность которой нанесено отражающее покрытие, и набор электромеханических преобразователей из сегнетоэлектрической керамики, снабженных управляющими электродами, пластина изготовлена из сегнетоэлектрической керамики с размытым фазовым переходом, электромеханические преобразователи выполнены в теле пластины, управляющие электроды нанесены на вторую поверхность пластины и представляют собой фрактальные фигуры.

Создание адаптивного зеркала стало возможным благодаря совокупности новой конструкции деформируемой пластины и управляющих электродов и нового материала для изготовления пластины.

Выбранный в качестве электроактивного материала сегнетоэлектрик с размытым фазовым переходом [3] обладает высокой электрострикционной деформацией, сравнимой с пьезодеформацией лучших пьезоэлектриков, и малым старением из-за отсутствия доменной структуры. Сочетание этих свойств позволяет создать высокочувствительный электромеханический преобразователь адаптивного зеркала с высокой временной стабильностью.

Выполнение электромеханических преобразователей в теле деформируемой пластины позволяет совместить в одной пластине функции отражающего элемента и элементов, модулирующих волновой фронт, избежать многочисленных механических соединений и тем самым существенно повысить быстродействие и надежность оптической системы.

Технический эффект изобретения достигается благодаря новому принципу электромеханического преобразования энергии в деформируемой пластине. Управляющие электроды электромеханических преобразователей нанесены на одну из поверхностей пластины, и в зазоре между ними возникает электрическое поле, которое, за счет электрострикционного эффекта в сегнетоэлектрике с размытым фазовым переходом, создает механические напряжения в приповерхностном слое, приводящие к изгибной деформации пластины.

При этом существенным признаком является выполнение управляющих электродов в виде фрактальных фигур [4]. Например, выполнение границы электрода в виде самоподобной кривой Серпинского позволяет получить равномерную деформацию электроактивного материала в пределах электрода, так как эта кривая при многократном повторении процедуры ее построения охватывает практически всю поверхность электромеханического преобразователя (а в пределе проходит через все точки поверхности).

Таким образом, создание адаптивного зеркала стало возможным благодаря совмещению в одном монолитном элементе - деформируемой пластине - нескольких функциональных элементов и принципиально новой конструкции электромеханического преобразователя, в частности геометрической форме электродов, воплощающей в себе техническую сущность решения задачи.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и чертежами: фиг.1, 2, 3. На фиг.1а изображен общий вид адаптивного зеркала в режиме фокусировки оптического луча, на фиг.1б - общий вид в режиме фазовой модуляции волнового фронта. На фиг.2 представлен фрагмент адаптивного зеркала с одним электромеханическим преобразователем и схема электрических соединений. На фиг.3 показаны стадии построения фрактальной кривой Серпинского при изготовлении фотошаблона электрода электромеханического преобразователя.

Устройство содержит основание 1 и жестко закрепленную на нем пластину 2 из сегнетоэлектрической керамики с размытым фазовым переходом. На внешнюю поверхность пластины 2 нанесено отражающее покрытие 3. На другую поверхность пластины 2 нанесены адресные электроды 4 и общий электрод 5, отделенный от адресных электродов 4 зазором 6 (фиг.2). Границы электродов 4 и 5 представляют собой фрактальные кривые. На фиг. 3 показано построение фрактальной кривой путем последовательного соединения фигур, подобных исходному многоугольнику 7. Область пластины 2, перекрываемая адресным электродом 4, образует электромеханический преобразователь 8. Адресные электроды 4 электромеханических преобразователей 8 и общий электрод 5 подключены к выходным усилителям 9 системы управления.

Пластина 2 выполнена из сегнетоэлектрической керамики магнониобата-титаната свинца, изготовленной методом горячего прессования [5]. На полированную поверхность пластины 2 нанесено отражающее покрытие 3 методом напыления в вакууме [6] . Адресные электроды 4 и общий электрод 5 нанесены на другую поверхность пластины 2 методом фотолитографии [7].

Устройство работает следующим образом. Управляющий сигнал с выходного усилителя 9 поступает на адресный электрод 4 электромеханического преобразователя 8. При этом в зазоре 6 и в приповерхностном слое пластины 2 возникает электрическое поле. Так как сегнетоэлектрическая керамика с размытым фазовым переходом обладает весьма высокой диэлектрической проницаемостью, электрическое поле преимущественно сосредоточено внутри пластины 2. Вследствие электрострикционного эффекта в приповерхностном слое пластины 2 возникают механические напряжения, приводящие к деформации пластины 2.

При одновременном подключении всех электромеханических преобразователей происходит деформация пластины 2 с радиусом кривизны R, показанная на фиг. 1а. Этой деформации соответствует режим фокусировки оптического луча. При подключении одного электромеханического преобразователя 8 (или группы соседних преобразователей) происходит локальная деформация пластины 2, позволяющая производить коррекцию фазы волнового фронта оптического излучения (фиг. 1б).

Совмещение в одной монолитной пластине из электрострикционной керамики различных функций многоэлементного адаптивного зеркала при отсутствии многочисленных механических соединений позволяет существенно повысить быстродействие, временную стабильность и надежность устройства. Преимущества предлагаемого адаптивного зеркала позволят применить его в информационных оптических системах различного назначения, размещенных на подвижных объектах, в том числе на летательных аппаратах.

Источники информации

1. Патент США 4280756, М.Кл. G 02 F 1/29, 1981.

2. Патент США 4239343, М.Кл. G 02 В 5/10, 1980.

3. Веневцев Ю.Н. и др. Сегнето- и антисегнетоэлектрики семейства титаната бария. М., Химия, 1985, стр.165.

4. Соколов И.М. Фракталы. -Квант, 1989, 5, стр.6-13.

5. Панич А.Е., Куприянов М.Ф. Физика и технология сегнетокерамики.- Ростов-на-Дону: Изд-во Рост. Ун-та, 1989.

6. Технологические лазеры: Справочник: Т.2/Под общ. ред. Г.А.Абильсиитова - М.: Машиностроение. 1991, стр.329-331.

7. Справочник технолога-приборостроителя. Т.2/Под ред. Е.А.Скороходова - М.: Машиностроение. 1980, стр.350-355.