更新时间：2024-09-21 11:44
变形镜，亦称波前校正器，是一种应用于多种自适应光学系统的重要组件。它通过改变光波波前的光程或介质的折射率，实现对入射光波波前相位结构的修正。变形镜由多个单元组成，每个单元都有独立的控制器，可通过外部电压控制来改变波面形状，从而校正波前误差。变形镜的发展对于提高自适应光学系统的校正能力和精度至关重要。按照面形分类，变形镜可分为连续表面形和分立表面两类。
早期的变形镜多为分立表面设计，每个分立的平面反射镜由三维调节度控制，通过控制各个致动器可以获得由分立小平面组成的波面。尽管此类变形镜无法获得连续面形，导致波前校正精度较低，但它具有较大的校正量，适用于大型天文自适应光学系统中的大尺寸、大变形量波前校正。
连续表面变形镜的优点在于能够获得连续的面形，具备较高的校正精度，但其面形的变形量较小。连续表面变形镜可分为整体致动和分立致动两种。整体致动的变形镜包括双压电变形镜和薄模变形镜，它们的特点是在某个致动单元受到控制电压的作用时，整个反射镜面都会发生变形，常用于与曲率波前传感器结合校正波前畸变的低阶模式部分。分立致动变形镜的特点是当一个致动器受控时，仅其相邻区域会产生局部变形。如果致动方向平行于镜面，则致动器作用于反射镜边缘，可用于校正特定像差，但在自适应光学系统中的应用受限。相反，致动方向垂直于镜面的连续表面变形镜能够校正所有阶别的像差，并达到高精度，因此在自适应光学系统中最广泛应用。
分离促动器连续镜面变形镜由三部分组成：基底、促动器和连续镜面薄片。薄片的面形由促动器的推拉操作决定。基底的刚度应显著高于薄片，以便推拉动作主要体现在薄片上。促动器通常由压电或电致伸缩材料制成，如钛酸铅材料制成的压电促动器（PZT）和铌镁酸铅材料制成的电致伸缩促动器（PMN）。当向促动器施加电压时，促动器的长度发生变化，进而导致镜面局部面形的变化。单个促动器的作用会导致相邻促动器位置的镜面面形变化，这一现象被称为耦合系数。
拼接子镜变形镜的镜面由多个小型子镜拼接而成，每个子镜下方配备有一个或三个促动器，分别负责沿光束传播方向的piston运动或2D倾斜调整tip/tilt。拥有三个促动器的校正器优于只拥有一组促动器的校正器。然而，由于子镜之间存在间隙，降低了光能利用率并增加了调整难度，因此在自适应光学系统中的实际应用较少。
薄膜自身的刚度很低，只需要很小的力量即可使其变形。通常使用电致伸缩促动器使薄膜发生形变。薄膜四周需要固定支撑，并施加张力以形成平面。由于促动器的数量会影响促动器的变形量，薄膜变形镜通常设计成单元数不多的状态，这有利于校正低阶波像差。薄膜变形镜具有重量轻、成本低、能够主动校正波像差等特点，满足了空间反射镜超轻、超薄、大口径的要求，在空间科学领域得到广泛应用。但由于薄膜材料易碎、谐振频率低等原因，薄膜变形镜在自适应光学技术领域的应用，尤其是在校正高频大气扰动方面进展缓慢。高促动器单元密度的薄膜变形镜仍是当前研究的重点。
双压电变形镜由两片压电陶瓷片粘结而成，中间设有控制电极，陶瓷片两端设有公共电极，其中一片陶瓷片上粘附有薄光学玻璃片作为反射镜。双压电片变形镜利用的是压电陶瓷的横向压电效应，当向控制电极施加电压时，其中一片压电陶瓷横向扩展，另一片压电陶瓷横向收缩，最终导致镜面在施加电压的电极位置发生局部弯曲变形。
基于液晶技术的空间光调制器与前述变形镜的区别在于，它是通过控制折射率来调制波前相位的，而非通过改变光线传播距离。液晶材料具有电控双折射效应，入射光在液晶层中分为e光和O光，对应不同的折射率。当向液晶层施加电压时，液晶分子发生偏转，不同电压对应不同的液晶转轴倾角，e光的折射率随之变化。当垂直于液晶层表面施加电压，保持入射光的偏振方向平行于液晶光轴时，液晶空间光调制器能够对入射光产生纯相位调制。
变形镜的主要性能指标除光学元件必备的通光孔径和表面面型精度外，还包括以下几点：
1. 变形镜尺寸：有效镜面尺寸决定了自适应光学系统的校正范围。
2. 控制单元数：驱动器的数量。
3. 变形灵敏度：单位电压所引起的变形量。
4. 响应时间：施加外加电压时，变形镜从开始变形至完成变形所需的时间。
5. 谐振频率：确保必要控制工作带宽所需的最低频率。
6. 面型影响函数和交连值：变形镜任意驱动器上的变形量分布称为面型影响函数，相邻驱动器中心的影响函数值称为交连值。交连值过大可能导致机械耦合，影响系统工作；过小可能造成波面拟合不足，无法构成连续波面，无法补偿波面误差。理想情况下，交连值应在5%~12%之间。
7. 稳定性：这是最关键的因素，变形镜不仅要求驱动器有足够的强度，还要求驱动器的静态和动态稳定性良好，以维持反射镜面型精度。对于分立式变形镜，多个驱动器支撑的薄镜面，需要在不同环境下保持面型精度，并在工作后恢复原始精度，这要求数十个驱动器的热膨胀系数一致，以减少不可逆变形。
变形镜在多个领域有着广泛的应用，包括但不限于：
1. 自适应光学天文望远镜：用于校正大气扰动、光学系统误差、温度和重力变形引起的误差。
2. 发射激光的自适应光学系统：校正大气热晕效应和湍流扰动、激光腔内误差和光学系统误差等引起的误差。
3. 大型空间自适应光学望远镜：为消除大气扰动的影响，天文望远镜已被置于卫星上，如哈勃空间望远镜。为减轻质量和校正温度不均匀及应力影响，必须采用自适应光学技术，口径较大的变形反射镜用于校正温度及应力影响。
4. 自适应光学谐振腔：补偿激光物质质量不均、腔体发热变形、谐振腔加工误差等的影响，以获得良好的激光模式。
5. 空间自适应激光通信系统：空间通信通常使用无线电，但出于保密考虑或远程通信需求，定向激光通信更为合适，因此需要采用自适应光学技术。
6. 激光核聚变自适应光学系统：激光核聚变系统通常采用多路激光同时轰击目标，每条光路上有许多光学元件，为使多路激光聚焦在目标上，采用自适应光学技术非常必要。
变形镜 .百度文库.2024-09-13
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