变形镜

波前校正器

变形镜，又称波前校正器，主要运用于各种自适应光学系统之中，它通过改变光波波前传输的光程或改变传输媒介的折射率来改变入射光波波前的相位结构，从而达到对光波波面相位进行校正的目的。

按面形分

分立表面变形镜

早期的变形反射镜多为分立表面的，每个分立的平面反射镜由三维调节度（平移+倾斜），通过控制各个致动器可以得到由分立小平面构成的波面。很显然，这种变形镜无法得到连续面形，波前校正精度低，但是它有较大的校正量，适用于大型天文自适应光学系统中做大尺寸、大变形量的波前校正。

连续表面变形镜

连续表面变形反射镜如图1所示，其优点是可以得到连续的面形，校正精度高，其缺点是面形的变形量比较小。连续表面的变形反射镜又可分为整体致动和分立致动两种。整体致动主要有双压电变形镜和薄模变形镜，其特点是当控制电压作用于某一致动单元时，整个反射镜面都将产生变形，这类变形镜主要用于与曲率波前传感器配合校正波前畸变的低阶模式部分。分立致动变形镜的一个特点是当控制电压作用于一个致动器时，只有该致动器相邻区域产生局部变形。其中致动方向平行于镜面时，致动器作用于反射镜边缘，只能用于校正离焦和像散等特定像差，因此在自适应光学系统里的应用受到了局限。致动方向垂直于镜面的连续表面变形镜可以校正各阶像差，而且能达到很高的校正精度，因此成为自适应光学系统中应用最广的一种波前校正器。

按结构分

1、分离促动器连续镜面变形镜

主要由3个部件组成：基底、促动器和连续镜面薄片。薄片面形由促动器的推拉改变。要求基底刚度远大于薄镜片的刚度。这样推拉运动效果就会大部分的在薄镜片上面反映出来。

促动器一般由压电或电致伸缩材料制成，由浩钛酸铅材料制成的压电促动器称为PZT，由铌镁酸铅材料制成的电致伸缩促动器称为PMN。当给促动器施加电压时，促动器的长度会发生改变，从而引起镜面的局部面形发生类似高斯函数的形变，整体形变可以简化为

一个促动器作用时，其相邻促动器位置的镜面面形也会发生变形，称作耦合系数。

2、拼接子镜变形镜

它的镜面由多个小的子镜拼接而成，每个子镜下面由1个（做沿光束传播方向的piston运动）或三个促动器（包括piston和2D的倾斜调整tip/tilt）进行面形调整。显然有三个促动器的校正器好于只有一个促动器的情况。

与连续镜面变形镜不同，拼接子镜变形镜每个子镜之间有缝隙，缝隙一方面使得光能的利用率降低，另一方面又加大了调整难度，因为每两个相邻子镜的边缘共相位才能保证有连续的波前结构，所以在自适应光学系统中的实际应用很少。

3、薄膜变形镜

薄膜变形镜的原理如图2，薄膜自身刚度很小，所以只需很小的力就能使其发生改变。一般使用电致伸缩促动器来使薄膜发生形变。薄膜周围需要固定支撑，并提供张力使薄膜形成平面。

由于促动器的数量会减小促动器所能产生的变形量，所以薄膜变形镜一般做成单元数不是很多。这样就有大的校正量适合于校正低阶的波像差。

薄膜变形镜具有整体质量轻、成本低、能够主动校正波像差等优点，满足了空间反射镜超轻、超薄、大口径等要求，在空间科学领域得到了广泛的应用。由于薄膜材料较脆、谐振频率较低等因素的影响，薄膜变形镜在自适应光学技术的应用，特别是在校正高频的大气扰动等方面发展缓慢。高促动器单元密度的薄膜变形镜任然是研究的热点。

4、双压电变形镜

如图3所示，它由两片压电陶瓷片粘结在一起，在两片压电陶瓷片中间排列有控制电极，陶瓷片的上下端面设置有公共电极，在一面陶瓷面上粘结有一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，当给控制电极施加电压时，其中的一片压电陶瓷横向扩张，另一片压电陶瓷横向收缩，整体作用的效果就是使镜面在施加电压的电极位置发生局部弯曲变形。

5、基于液晶技术的空间光调制器

从原理上讲，基于液晶技术的空间光调制器与上边几种变形镜有很大区别。它是通过控制折射率来调制波前相位的。而前边的都是通过改变光线传播距离改变相位。

液晶材料具有电控双折射效应，光入射到液晶层，被分为e光和O光，对应的折射率分别为寻常光折射率和非寻常光折射率。当给液晶层施加电压时，电场作用下液晶分子发生偏转，且不同电压对应不同的液晶倾角。e光折射率会随施加电压的大小而发生改变。

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，液晶空间光调制器就能对入射光产生纯相位调制。

主要性能指标

变形反射镜的主要性能除了光学元件必须的通光孔径和表面面型精度外。还有如下主要性能：

(1)变形反射镜尺寸——变形镜有效镜面尺寸关系到自适应光学系统的校正面积

(2)控制单元数——驱动器数量

(3)变形灵敏度——单位电压使变形镜产生的变形量

(4)响应时间——当施加外加电压时，变形镜从开始变形到变形结束的时间

(5)谐振频率——即为了保证必要的控制工作带宽自身所需的达到谐振点前最低频率

(6)面型影响函数和交连值。在变形镜的任一个驱动器上变形量的分布称为变形镜的面型影响函数，在相邻驱动器中心的影响函数值称为交连值。交连值大表示影响区域宽，过大的交连值造成各个控制回路之间的机械耦合，影响系统的工作。过小则造成波面拟合不足而形成各个驱动器的局部起伏，因而不能构成连续的波面，达不到补偿波面误差的效果。根据Pearson的经验数据，理想的交连值在5%～12%之间。

(7)稳定性。这是最关键的性能，变形镜不仅要求变形镜驱动器有足够的强度，因为变形镜的变形量是正负交替的，驱动器以每秒几百次甚至上千次的工作速度承受着循环应力。如驱动器很快损坏到失去变形能力或变形已不正常就没有了足够的工作能力，也可以说已破坏了稳定性。更重要的也是最苛刻最难达到的则是驱动器的静态和动态稳定性，它直接影响反射镜面型精度，同样造成不能正常工作,通常认为面型精度太差了就已达到工作寿命的终点。而对于分立式变形镜，多个驱动器支持的薄镜面，一方面是要在不同的环境中放置后仍保持面型精度——静态稳定性，同时经过工作以后停止工作时面型又要恢复到原始精度——动态稳定性，这就要求几十个驱动器的热膨胀系数一致,在反复变形过程中产生的不可恢复变形极小。

应用领域

(1)自适应光学天文望远镜。这是已得到应用和应用前景最广的系统，变形镜用来校正大气扰动、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。这是战略激光武器必须采用的系统。可以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，已开始将天文望远镜安置在卫星上。如美国的哈勃望远镜，而为了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。为了补偿激光物质质量不匀、腔体发热变形、谐振腔加工误差等的影响，采用自适应光学技术，以得到良好的激光模式。

(5)空间自适应激光通讯系统。空间通讯一般可用无线电波，但为了保密，或者通讯距离遥远，需要节省能量，采用定向激光通讯是适宜的，为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。激光核聚变系统一般是采用多路激光同时轰击靶标，而每路的光路很长，光学零件很多，为了使多路激光能会聚在靶标上，采用自适应光学技术是十分必要的。

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