提高高速压电倾斜镜应用带宽的方法

　　0 引 言

　　高速压电倾斜镜是在光学系统中使光束实现快速微小角度偏转的一种可控平面反射镜。它在自适应光学系统中可以校正整体倾斜误差;在高能激光中使光束稳定;在激光大气通讯、动态目标精密跟踪、大型天文望远镜副镜控制等领域均有着广泛而重要的应用。在上述光学系统中，为了获得更好的补偿、跟踪和控制效果，要求提高系统的控制带宽，而倾斜镜的机械谐振频率是影响系统控制带宽的一个重要因素，所以如何提高倾斜镜的机械谐振频率就成为一个重要的研究课题。

　　从以往的设计经验可知，倾斜镜的口径和角行程增大都会使其谐振频率降低，造成对系统带宽的限制，而倾斜镜口径和角行程的不断增大是倾斜镜发展的必然趋势。那么，对于大口径、大角行程倾斜镜来说，要想得到较高的机械谐振频率，应从以下几个方面考虑：1) 减轻运动部件的质量或转动惯量。如采用轻质化镜面和轻质连接材料，使其转动中心与质量中心尽可能靠近或重合[1-2]。2) 增大驱动部分的结构刚度。如采用加大驱动器直径、选择大位移材料以减小驱动器长度，或者加装弹性装置增加其轴向刚度等[3-5]。3)采用无反作用力结构设计法。通过反作用质量块来消除振动过程中产生的反作用力或力矩对谐振的耦合影响[2]。4) 采用控制电路网络进行校正以抑制谐振[3]。5) 从机械振动角度出发，通过降低模态耦合的方法改善倾斜镜振动性能[6]。本文涉及的原有结构倾斜镜采用φ250 mm 口径的轻质化镜面，驱动器采用大位移材料的压电驱动器，在俯仰和方位两个方向均能产生±6′的角行程。在此结构基础上我们在镜片与驱动器连接处添加了薄板径向支撑，用以限制径向偏移，同时增大轴向刚度。根据理论和实验分析表明，这种结构有效改进了倾斜镜的整体刚度分布，从而提高了原结构倾斜镜的谐振频率。该结构具有响应速度快、谐振频率高、面形精度好、稳定性好等特点。

　　1 基于薄板径向支撑的高速压电倾斜镜结构原理

　　图1 为原有结构高速压电倾斜镜结构示意图[1]，由基板、驱动器、镜片等组成。5 个支点固定在基板上，中间为固定支点，起稳定作用，周围 4 个支点是压电陶瓷驱动器。四个压电陶瓷驱动器以两个一组作为驱动机构。以绕 Y 轴转动为例，其中驱动器 1 伸长，驱动器 2 缩短，通过柔性铰链将两个驱动器的直线运动转化为旋转运动，以推拉方式驱动反射镜绕 Y 轴转动;绕 X 轴转动的转动方式与此类似。

　　此结构基础上我们在压电陶瓷驱动器与镜片之间加入薄板径向支撑，如图 2 所示。薄板中间部分与压电陶瓷驱动器上端相连接，薄板外端通过支撑圈固定在倾斜镜基板上。压电陶瓷驱动器通过薄板和镜座传递力到镜片，使镜片分别绕 X、Y 轴两个方向转动。薄板的加入既限制了倾斜镜径向偏移，又能吸收倾斜镜在轴向方向上产生的过多能量，从而提高其轴向刚度。其特殊机械结构能够大幅提高原有倾斜镜倾斜方向一阶谐振频率，满足大口径高带宽应用场合的需要，且在工作过程中能保持良好的面形精度和动态性能。