變形鏡

變形鏡，又稱波前校正器，主要運用於各種自適應光學系統之中，它通過改變光波波前傳輸的光程或改變傳輸媒介的折射率來改變入射光波波前的相位結構，從而達到對光波波面相位進行校正的目的。

它由很多單元組合而成，每個單元都有自己獨立的控制器，在外加電壓控制下，可以改造波面的面形，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。

變形按面形可大致分為連續表面形和分立表面兩種類型。

基本介紹

• 中文名：變形鏡
• 外文名：wavefront corrector
• 又稱：波前校正器
• 主要運用：各種自適應光學系統之中
• 組合：很多單元組合而成

按面形分

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。

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。其中致動方向平行於鏡面時，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套用受到了局限。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套用最廣的一種波前校正器。

圖2：連續表面變形鏡

按結構分

1、分離促動器連續鏡面變形鏡

主要由3個部件組成：基底、促動器和連續鏡面薄片。薄片面形由促動器的推拉改變。要求基底剛度遠大於薄鏡片的剛度。這樣推拉運動效果就會大部分的在薄鏡片上面反映出來。

促動器一般由壓電或電致伸縮材料製成，由浩鈦酸鉛材料製成的壓電促動器稱為PZT，由鈮鎂酸鉛材料製成的電致伸縮促動器稱為PMN。當給促動器施加電壓時，促動器的長度會發生改變，從而引起鏡面的局部面形發生類似高斯函式的形變，整體形變可以簡化為

一個促動器作用時，其相鄰促動器位置的鏡面面形也會發生變形，稱作耦合係數。

2、拼接子鏡變形鏡

它的鏡面由多個小的子鏡拼接而成，每個子鏡下面由1個（做沿光束傳播方向的piston運動）或三個促動器（包括piston和2D的傾斜調整tip/tilt）進行面形調整。顯然有三個促動器的校正器好於只有一個促動器的情況。

與連續鏡面變形鏡不同，拼接子鏡變形鏡每個子鏡之間有縫隙，縫隙一方面使得光能的利用率降低，另一方面又加大了調整難度，因為每兩個相鄰子鏡的邊緣共相位才能保證有連續的波前結構，所以在自適應光學系統中的實際套用很少。

3、薄膜變形鏡

薄膜變形鏡的原理如右圖，薄膜自身剛度很小，所以只需很小的力就能使其發生改變。一般使用電致伸縮促動器來使薄膜發生形變。薄膜周圍需要固定支撐，並提供張力使薄膜形成平面。

由於促動器的數量會減小促動器所能產生的變形量，所以薄膜變形鏡一般做成單元數不是很多。這樣就有大的校正量適合於校正低階的波像差。

薄膜變形鏡具有整體質量輕、成本低、能夠主動校正波像差等優點，滿足了空間反射鏡超輕、超薄、大口徑等要求，在空間科學領域得到了廣泛的套用。由於薄膜材料較脆、諧振頻率較低等因素的影響，薄膜變形鏡在自適應光學技術的套用，特別是在校正高頻的大氣擾動等方面發展緩慢。高促動器單元密度的薄膜變形鏡任然是目前研究的熱點。

4、雙壓電變形鏡

如圖所示，它由兩片壓電陶瓷片粘結在一起，在兩片壓電陶瓷片中間排列有控制電極，陶瓷片的上下端面設定有公共電極，在一面陶瓷面上粘結有一薄光學玻璃片作為反射鏡。雙壓電片變形鏡利用的是壓電陶瓷的橫向壓電效應，當給控制電極施加電壓時，其中的一片壓電陶瓷橫向擴張，另一片壓電陶瓷橫向收縮，整體作用的效果就是使鏡面在施加電壓的電極位置發生局部彎曲變形。

5、基於液晶技術的空間光調製器

從原理上講，基於液晶技術的空間光調製器與上邊幾種變形鏡有很大區別。它是通過控制折射率來調製波前相位的。而前邊的都是通過改變光線傳播距離改變相位。

液晶材料具有電控雙折射效應，光入射到液晶層，被分為e光和O光，對應的折射率分別為尋常光折射率和非尋常光折射率。當給液晶層施加電壓時，電場作用下液晶分子發生偏轉，且不同電壓對應不同的液晶傾角。e光折射率會隨施加電壓的大小而發生改變。

當垂直於液晶層表面施加電壓，保持入射光的偏振方向平行於液晶光軸時，液晶空間光調製器就能對入射光產生純相位調製。

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)回響時間——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頻寬自身所需的達到諧振點前最低頻率

(6)面型影響函式和交連值。在變形鏡的任一個驅動器上變形量的分布稱為變形鏡的面型影響函式，在相鄰驅動器中心的影響函式值稱為交連值。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後仍保持面型精度——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。

套用領域

(1)自適應光學天文望遠鏡。這是已得到套用和套用前景最廣的系統，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)發射雷射的自適應光學系統。這是戰略雷射武器必須採用的系統。可以校正大氣熱暈效應和湍流擾動、雷射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。為了補償雷射物質質量不勻、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，以得到良好的雷射模式。

(5)空間自適應雷射通訊系統。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，採用定向雷射通訊是適宜的，為此需要採用自適應光學技術。

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