静电拉伸薄膜反射镜成形机理研究

　　1　引言

　　为了满足使用要求,空间光学遥感系统如空间望远镜的口径必须足够大,才能获得足够高的分辨率。大口径带来的相应问题是光学系统重量的大大增加,而现有发射运载装置的承载空间和负载能力有限,因此,研制新型的大型轻质光学反射镜成为空间光学发展的主要方向之一。

　　美国图森的亚利桑那大学光学中心设计了一种新型反射镜———静电拉伸薄膜曲面(SMEC)反射镜[1]。在静电力作用下,将半径为6英寸的平面圆薄膜可以拉伸成曲率半径为32 m的曲面,在半径为4英寸中心区域内,表面误差可达到λ/10 rms。

　　SRS针对这种新型反射镜研制了机械、物理和光学特性均满足光学元件要求的CP1型聚酰亚胺薄膜,根据NASA马歇尔空间发射中心及美国空军研究实验室的检测[2],由CP1型聚酰亚胺薄膜制造的薄膜反射镜表面质量达到1.5纳米rms,曲面和平面的厚度跳动误差均达到了亚波长级。

　　早期的小型静电拉伸薄膜反射镜应用在自适应光学系统的波前整形上,由于静电力作用相对较弱,所以用于产生薄膜面形变化的静电压比较高,通常达到几千伏特,甚至上万伏特。可以通过电压的调节实现对薄膜面形微小变化的控制,从而保证反射镜的光学面形精度。随着薄膜材料科学的发展,用于研制大型薄膜反射镜所用的基底薄膜材料在力学性能与光学性能都达到空间光学应用的水平,静电拉伸机理在大型薄膜反射镜的面形控制方法与精度实现等方面的优势也就越加明显。静电拉伸薄膜反射镜的研究工作将成为未来大型轻质光学反射镜科研任务的重要内容[3,4]。

　　2　静电拉伸薄膜反射镜物理模型

　　静电拉伸薄膜反射镜基本原理为:在镀有金属层的薄膜和电极之间加上一定电压,利用库仑力作用使薄膜产生面形变化。如图1所示,一个简化静电拉伸薄膜反射镜基本结构包括:薄膜支撑架、镀铝薄膜、电极、电极保护绝缘层和电极座。

　　在薄膜表面镀有的金属物质通常是铝,它是良好的导电介质,同时作为光的反射介质而言,它在全波长上有较高的反射率。在结构体上,国外采用了如图1所示的多电极控制模式,先在各电极上施加某一高电压作为成形的基本电压,通过光学仪器检测成形曲面,并与设计面形比较,计算出各个电极所需的用于调节面形的偏置电压,然后在对应电极上施加计算得到的偏置电压,利用这些偏压来调整曲面面形,使其达到反射镜设计的面形精度[5~7]。下面对一定参数下基本电压的计算与选取方法进行探讨。

　　3　静电拉伸薄膜反射镜的简化模型

　　静电拉伸薄膜反射镜中影响面形的主要参数包括反射镜口径、基本电压、电极与薄膜的间距(后称极间距)、薄膜弹性模量、薄膜厚度等。其中反射镜的口径、薄膜的弹性模量以及薄膜厚度这三个参数通常不作为可控量,所以在一定的材料特性与通光口径要求下,确定基本的成形电压和极间距对薄膜曲率半径的影响是静电拉伸薄膜反射镜的核心问题。