變形鏡，亦稱波前校正器，是一種應用于多種自適應光學系統(tǒng)的重要組件。它通過改變光波波前的光程或介質(zhì)的折射率，實現(xiàn)對入射光波波前相位結(jié)構(gòu)的修正。變形鏡由多個單元組成，每個單元都有獨立的控制器，可通過外部電壓控制來改變波面形狀，從而校正波前誤差。變形鏡的發(fā)展對于提高自適應光學系統(tǒng)的校正能力和精度至關(guān)重要。按照面形分類，變形鏡可分為連續(xù)表面形和分立表面兩類。
分類
按照面形分類
分立表面變形鏡
早期的變形鏡多為分立表面設(shè)計，每個分立的平面反射鏡由三維調(diào)節(jié)度控制，通過控制各個致動器可以獲得由分立小平面組成的波面。盡管此類變形鏡無法獲得連續(xù)面形，導致波前校正精度較低，但它具有較大的校正量，適用于大型天文自適應光學系統(tǒng)中的大尺寸、大變形量波前校正。
連續(xù)表面變形鏡
連續(xù)表面變形鏡的優(yōu)點在于能夠獲得連續(xù)的面形，具備較高的校正精度，但其面形的變形量較小。連續(xù)表面變形鏡可分為整體致動和分立致動兩種。整體致動的變形鏡包括雙壓電變形鏡和薄模變形鏡，它們的特點是在某個致動單元受到控制電壓的作用時，整個反射鏡面都會發(fā)生變形，常用于與曲率波前傳感器結(jié)合校正波前畸變的低階模式部分。分立致動變形鏡的特點是當一個致動器受控時，僅其相鄰區(qū)域會產(chǎn)生局部變形。如果致動方向平行于鏡面，則致動器作用于反射鏡邊緣，可用于校正特定像差，但在自適應光學系統(tǒng)中的應用受限。相反，致動方向垂直于鏡面的連續(xù)表面變形鏡能夠校正所有階別的像差，并達到高精度，因此在自適應光學系統(tǒng)中最廣泛應用。
按照結(jié)構(gòu)分類
分離促動器連續(xù)鏡面變形鏡
分離促動器連續(xù)鏡面變形鏡由三部分組成：基底、促動器和連續(xù)鏡面薄片。薄片的面形由促動器的推拉操作決定。基底的剛度應顯著高于薄片，以便推拉動作主要體現(xiàn)在薄片上。促動器通常由壓電或電致伸縮材料制成，如鈦酸鉛材料制成的壓電促動器（PZT）和鈮鎂酸鉛材料制成的電致伸縮促動器（PMN）。當向促動器施加電壓時，促動器的長度發(fā)生變化，進而導致鏡面局部面形的變化。單個促動器的作用會導致相鄰促動器位置的鏡面面形變化，這一現(xiàn)象被稱為耦合系數(shù)。
拼接子鏡變形鏡
拼接子鏡變形鏡的鏡面由多個小型子鏡拼接而成，每個子鏡下方配備有一個或三個促動器，分別負責沿光束傳播方向的piston運動或2D傾斜調(diào)整tip/tilt。擁有三個促動器的校正器優(yōu)于只擁有一組促動器的校正器。然而，由于子鏡之間存在間隙，降低了光能利用率并增加了調(diào)整難度，因此在自適應光學系統(tǒng)中的實際應用較少。
薄膜變形鏡
薄膜自身的剛度很低，只需要很小的力量即可使其變形。通常使用電致伸縮促動器使薄膜發(fā)生形變。薄膜四周需要固定支撐，并施加張力以形成平面。由于促動器的數(shù)量會影響促動器的變形量，薄膜變形鏡通常設(shè)計成單元數(shù)不多的狀態(tài)，這有利于校正低階波像差。薄膜變形鏡具有重量輕、成本低、能夠主動校正波像差等特點，滿足了空間反射鏡超輕、超薄、大口徑的要求，在空間科學領(lǐng)域得到廣泛應用。但由于薄膜材料易碎、諧振頻率低等原因，薄膜變形鏡在自適應光學技術(shù)領(lǐng)域的應用，尤其是在校正高頻大氣擾動方面進展緩慢。高促動器單元密度的薄膜變形鏡仍是當前研究的重點。
雙壓電變形鏡
雙壓電變形鏡由兩片壓電陶瓷片粘結(jié)而成，中間設(shè)有控制電極，陶瓷片兩端設(shè)有公共電極，其中一片陶瓷片上粘附有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，當向控制電極施加電壓時，其中一片壓電陶瓷橫向擴展，另一片壓電陶瓷橫向收縮，最終導致鏡面在施加電壓的電極位置發(fā)生局部彎曲變形。
基于液晶技術(shù)的空間光調(diào)制器
基于液晶技術(shù)的空間光調(diào)制器與前述變形鏡的區(qū)別在于，它是通過控制折射率來調(diào)制波前相位的，而非通過改變光線傳播距離。液晶材料具有電控雙折射效應，入射光在液晶層中分為e光和O光，對應不同的折射率。當向液晶層施加電壓時，液晶分子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，不同電壓對應不同的液晶轉(zhuǎn)軸傾角，e光的折射率隨之變化。當垂直于液晶層表面施加電壓，保持入射光的偏振方向平行于液晶光軸時，液晶空間光調(diào)制器能夠?qū)θ肷涔猱a(chǎn)生純相位調(diào)制。
性能指標
變形鏡的主要性能指標除光學元件必備的通光孔徑和表面面型精度外，還包括以下幾點：
1. 變形鏡尺寸：有效鏡面尺寸決定了自適應光學系統(tǒng)的校正范圍。
2. 控制單元數(shù)：驅(qū)動器的數(shù)量。
3. 變形靈敏度：單位電壓所引起的變形量。
4. 響應時間：施加外加電壓時，變形鏡從開始變形至完成變形所需的時間。
5. 諧振頻率：確保必要控制工作帶寬所需的最低頻率。
6. 面型影響函數(shù)和交連值：變形鏡任意驅(qū)動器上的變形量分布稱為面型影響函數(shù)，相鄰驅(qū)動器中心的影響函數(shù)值稱為交連值。交連值過大可能導致機械耦合，影響系統(tǒng)工作；過小可能造成波面擬合不足，無法構(gòu)成連續(xù)波面，無法補償波面誤差。理想情況下，交連值應在5%~12%之間。
7. 穩(wěn)定性：這是最關(guān)鍵的因素，變形鏡不僅要求驅(qū)動器有足夠的強度，還要求驅(qū)動器的靜態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性良好，以維持反射鏡面型精度。對于分立式變形鏡，多個驅(qū)動器支撐的薄鏡面，需要在不同環(huán)境下保持面型精度，并在工作后恢復原始精度，這要求數(shù)十個驅(qū)動器的熱膨脹系數(shù)一致，以減少不可逆變形。
應用領(lǐng)域
變形鏡在多個領(lǐng)域有著廣泛的應用，包括但不限于：
1. 自適應光學天文望遠鏡：用于校正大氣擾動、光學系統(tǒng)誤差、溫度和重力變形引起的誤差。
2. 發(fā)射激光的自適應光學系統(tǒng)：校正大氣熱暈效應和湍流擾動、激光腔內(nèi)誤差和光學系統(tǒng)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，天文望遠鏡已被置于衛(wèi)星上，如哈勃空間望遠鏡。為減輕質(zhì)量和校正溫度不均勻及應力影響，必須采用自適應光學技術(shù)，口徑較大的變形反射鏡用于校正溫度及應力影響。
4. 自適應光學諧振腔：補償激光物質(zhì)質(zhì)量不均、腔體發(fā)熱變形、諧振腔加工誤差等的影響，以獲得良好的激光模式。
5. 空間自適應激光通信系統(tǒng)：空間通信通常使用無線電，但出于保密考慮或遠程通信需求，定向激光通信更為合適，因此需要采用自適應光學技術(shù)。
6. 激光核聚變自適應光學系統(tǒng)：激光核聚變系統(tǒng)通常采用多路激光同時轟擊目標，每條光路上有許多光學元件，為使多路激光聚焦在目標上，采用自適應光學技術(shù)非常必要。
參考資料 >
變形鏡 .百度文庫.2024-09-13
變形鏡是自適應光學系統(tǒng)中常見的一種波前校正器.電子發(fā)燒友 .2024-09-13
折射率定義是什么?折射率的公式是什么? .百度文庫.2024-09-13