專利名稱：一種激光驅(qū)動的可變形反射鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自適應光學系統(tǒng)的變形鏡。
背景技術(shù)：
變形鏡(DMs)是自適應光學系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，美國Itek公司最先開始研制變形鏡并與1973年研制成功第一塊21單元整體壓電變形鏡。80年代法國Laserdot公司研制成功52單元分立式壓電變形鏡并提供給歐洲南方天文臺使用。我國這方面起步較晚，中科院光電研究所與1986年研制成功19單元分立式壓電變形鏡并馬上應用于被譽為“神光”的核聚變光學系統(tǒng)，這是世界上首次將變形鏡應用于校正激光核聚變光學系統(tǒng)的波前誤差?？勺冃畏瓷溏R作為空間光調(diào)制器，還成功地在光束凈化、光束整形、激光腔內(nèi)像差校正以及通訊和遙感等多方面都得到了應用。
圖1所示是一個典型的自適應光學結(jié)構(gòu)圖。此系統(tǒng)是使用波前傳感器2探測入射光波1前畸變，然后通過控制器向波前校正設(shè)備發(fā)出控制信號，控制可變形反射鏡鏡面的動作，使鏡面(變形鏡)3發(fā)生形變。當鏡面形變與畸變相位滿足相位共軛關(guān)系時，畸變就會被抵消掉，從而波前得到恢復，成像(CCD)4分辨率得到提高[1]。鏡面形變的能力影響著整個自適應光學系統(tǒng)的性能。
然而傳統(tǒng)的壓電式、電磁式、液壓式等驅(qū)動方式的變形鏡，驅(qū)動電壓高，體積大，驅(qū)動電極也較少，因此鏡面形變的性能也較差。最新出現(xiàn)的利用靜電驅(qū)動的可變形反射鏡盡管有驅(qū)動電壓低，變形量大的優(yōu)點，但是每一個單元都需要一個閉環(huán)的回路進行控制，不利于器件的微型化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種形變量大的激光驅(qū)動的可變形反射鏡。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種激光驅(qū)動的可變形反射鏡，其特征在于它由感光底層5、支撐柱6、鏡面組成；感光底層5由光敏材料砷化鎵半導體晶片構(gòu)成，光敏材料砷化鎵半導體晶片的下表面為ZnO層；鏡面由聚脂薄膜7、鋁膜8構(gòu)成，聚脂薄膜7的上表面鍍有一層鋁膜8；感光底層5的上表面沉淀有柵格狀的支撐柱6，支撐柱6的上端面與鏡面的聚脂薄膜下表面相膠粘；鏡面的鋁膜8、感光底層5的ZnO層分別由導線與電壓源9相連。
所述的感光底層5的直徑為5.08cm，厚度為0.5mm。
所述的聚脂薄膜7的厚度為2μm。
所述的鋁膜8的厚度為0.4μm。
所述的柵格狀的支撐柱6的高度為5μm。
所述的柵格狀的支撐柱6為聚酰亞胺材料。
所述的鏡面含有16個形變單元。
本發(fā)明包括三個部分以聚脂薄膜為主體做成的2.4μm厚的鏡面，支撐鏡面的5μm高柵格狀的支撐柱，以及由光敏材料砷化鎵(GaAs)構(gòu)成的感光底層，同時在鏡面與感光底層之間施加偏置的高頻交流電壓。當感光底層背面被激光照亮時，GaAs中載流子的變化導致鏡面與感光底層之間電阻的重新分布，從而鏡面與感光底層之間電壓發(fā)生變化，因此在靜電力的作用下，被光照亮的區(qū)域?qū)溺R面部分將會發(fā)生相應的形變，其最大形變量可以達到0.85um。
理論分析及實驗表明在光強沒有達到飽和前，變形鏡的形變量與光強及電壓的幅值存在線性關(guān)系，與交流電壓的頻率滿足二次函數(shù)關(guān)系，因此增加光強或偏置電壓幅值都可以增加變形鏡的形變量，選擇恰當交流電壓的頻率，可以進一步提高變形鏡的形變量。
傳統(tǒng)的壓電式、電磁式、液壓式等驅(qū)動方式的變形鏡，驅(qū)動電壓高，體積大，驅(qū)動電極也較少，因此鏡面形變的性能也較差。最新出現(xiàn)的利用靜電驅(qū)動的可變形反射鏡盡管有驅(qū)動電壓低，變形量大的優(yōu)點，但是每一個單元都需要一個閉環(huán)的回路進行控制，不利于器件的微型化。從解決這些問題出發(fā)，本發(fā)明提出了一種利用激光，可進行遠距離驅(qū)動的可變形反射鏡，這樣減少操作人員靠近在一些危險的環(huán)境(如高溫、輻射)。
本發(fā)明利用激光驅(qū)動的16形變單元可變形反射鏡，其最大形變量可達0.85μm，有效反射面積可達20cm2。


圖1是現(xiàn)有自適應光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2是本發(fā)明激光驅(qū)動的可變形反射鏡的結(jié)構(gòu)示意3是本發(fā)明激光驅(qū)動的可變形反射鏡的加工工藝流程4是工作模型5是簡化的電路6是變形鏡形變示意7是GaAs的吸收率與入射光波長的關(guān)系8是單元反射鏡面的干涉條紋9是可變形反射鏡鏡面的維形貌10是形變量的影響因數(shù)中1-入射光波，2-波前傳感器，3-鏡面，4-成像，5-感光底層，6-柵格狀的支撐柱，7-聚脂薄膜，8-鋁膜，9-電壓源，10-ZnO層。
具體實施例方式
如圖2所示，一種激光驅(qū)動的可變形反射鏡，它由感光底層5、支撐柱6、鏡面組成；感光底層5由光敏材料砷化鎵(GaAs)半導體晶片構(gòu)成，光敏材料砷化鎵半導體晶片的下表面為ZnO層；鏡面由聚脂薄膜7、鋁膜8構(gòu)成，聚脂薄膜7的上表面鍍有一層鋁膜8；感光底層5的上表面沉淀有柵格狀的支撐柱6，支撐柱6的上端面與鏡面的聚脂薄膜下表面相膠粘；鏡面的鋁膜8、感光底層5的ZnO層分別由導線與電壓源9相連(施加偏置的高頻交流電壓)。
所述的感光底層5的直徑為5.08cm，厚度為0.5mm。敏材料砷化鎵半導體晶片對于紅外光幾乎全部通過，而且導電的ZnO層被沉淀在晶片的下表面。
所述的聚脂薄膜7的厚度為2μm。所述的鋁膜8的厚度為0.4μm。聚脂薄膜7的上表面鍍上鋁膜8，這樣可以極大的提高鏡面對可見光的反射能力。
所述的柵格狀的支撐柱6的高度為5μm。所述的柵格狀的支撐柱6為聚酰亞胺材料。所述的鏡面含有16個形變單元。
本發(fā)明的工作原理如下在鏡面與感光底層之間施加偏置的高頻交流電壓，當感光底層背面被激光照亮時，GaAs中載流子的變化導致鏡面與感光底層之間電阻的重新分布，從而鏡面與感光底層之間電壓發(fā)生變化，因此在靜電力的作用下，被光照亮的區(qū)域?qū)溺R面部分將會發(fā)生相應的形變。為了增加變形鏡較正波前的能力，柵格狀的支撐柱將鏡面分為4×4個部分，即鏡面含有16個形變單元。可變形反射鏡各部分的尺寸如表1所示。
表1

本發(fā)明反射鏡的制作首先將直徑為2英寸的GaAs晶片打磨到0.5mm的厚度，并且在晶片的下表面利用LPCVD方法沉淀(使ZnO沉淀于下表面)，對于近紅外光幾乎全部通過的ZnO層，厚度在0.5μm左右為宜，此步驟如圖3中(a)所示。然后進行一次掩模及光刻，在GaAs晶片的上表面沉淀5μm厚的柵格狀光致抗蝕劑(聚酰亞胺)，從而形成支撐鏡面的支撐柱，如圖3中(b)所示。將帶有支撐柱的晶片倒置，并置于已經(jīng)被鍍鋁的聚脂薄膜的上方，利用重力及熱鍵合[3]的方法，將支撐柱與晶片膠粘在一起，如圖3中(c)所示。最后，再將裝置倒置，并且將電壓源連接于鋁膜及ZnO層之間，如圖3中(d)所示。
聚脂薄膜7的上表面鍍鋁膜8首先利用雙面膠將2μm厚的聚脂薄膜固定在直徑6英寸銅環(huán)上，此過程需利用吹風機將銅環(huán)加熱至40℃，以便很好的將兩者固定在一起，然后將固定后的聚脂薄膜放入電子束脫水器中，以便很好的除去瓦斯，最后進行一次蒸汽鍍膜，在聚脂薄膜的上表面鍍上一層約400nm厚的鋁膜。
器件理論工作模型由于鏡面各個形變單元之間互不干擾，因此只需要分析單個形變單元的形變原理。如圖4所示是單個形變單元的工作模型。
由于在鏡面與感光底層之間施加交流電壓，因此在鏡面及感光底層的上表面之間構(gòu)成一個電容器，其電阻值為Z1。在GaAs感光底層上下表面之間構(gòu)成光敏電阻，其阻值為Z2。而且Z1、Z2及電壓源是串聯(lián)連接，如圖5所示，為確定電容器阻值Z1的大小，需確定電容器電容C1的大小，為此建立如圖6所示的坐標系。
由附錄1的推導可知C≅πϵ0R2d+πϵ0R2h2d2---(1)]]>其中，R為形變單元的半徑，ε0是真空介電常數(shù)；d為形變前鏡面到感光底層上表面的高度；h為鏡面中心點的形變量，可表示為[4]h=ϵ0R2V128Td2---(2)]]>其中T為鏡面張力，V1為鏡面與感光底層上表面之間的電壓，若施加于變形鏡的總的電壓為V，則由圖4、圖5可知V1=VZ1Z1+Z2---(3)]]>其中，Z1=1jωC,]]>C為電容器的電容值，ω為電壓源的頻率。其中，Z2=ρLA=LqμnnA,]]>L為光敏電阻(GaAs晶片)的厚度，A為單元光敏電阻的面積，q為電子的電量，μn為光敏電阻內(nèi)載流子遷移率，n為單位體積內(nèi)載流子的數(shù)目。當光敏電阻被光照亮時載流子的濃度會增加，此時Z2=Lqμn(n+Δn)A]]>將Z1，Z2的表達式代入(3)式，可得光照時V1′的表達式V1′=V1+[1+LjωC/qμn(n+Δn)A---(4)]]>將(1)式及(2)式代入(4)式，并且忽略ε0的二次項可得|V1′|2=q2μn2(n+Δn)2A2V2q2μn2(n+Δn)2A2+L2ω2(πϵ0R2/d)2---(5)]]>
設(shè)h′為沒有光照的時候鏡面中心的形變量。由附錄2的推導可知Δh=h-h′=ϵ03R6q2μn2A2V2L2ω2π2(2nΔn+Δn2)32T[d2q2μn2(n+Δn)2A2+L2ω2π2ϵ02R4][d2q2μn2n2A2+L2ω2π2ϵ02R4]---(6)]]>根據(jù)(6)式可知在光照達到飽和前，形變量Δh與反映光照強度的Δn成二次函數(shù)的關(guān)系；形變量Δh隨交流電壓幅值的增加而增加；卻隨交流電壓的頻率ω的增加而減小，這可以解釋為當ω增大時，根據(jù)Z1的表達式，鏡面與感光底層之間的電阻Z1將會減小，因此分得的電壓變小，這樣由(2)式可得到形變量Δh會變小的同樣的結(jié)論。
器件的實驗特性1、GaAs的光學特性為了選擇合適的光源作為驅(qū)動光源，利用PEL 9UV/VIS-NIR分光光度計，測得了GaAs在紅外波段的吸收譜線。如圖7所示，縱軸表示吸收率α，橫軸表示波長。由于較短波長的光波容易在GaAs的表面就被吸收；而較長波長的光波容易產(chǎn)生一些移動的載流子，因此選擇具有中等吸收率的光波作為驅(qū)動光源。由圖7可知，最佳的驅(qū)動光波波長為0.89μm，但是目前沒有0.89μm的激光器，因此選用0.98μm的激光器作為驅(qū)動光源。由于白熾燈具有較寬的波長范圍，若利用會聚透鏡及功率在50瓦以上的普通白熾燈，也可以使鏡面產(chǎn)生相應形變。
2、變形鏡形變量的影響因數(shù)借助標準邁克爾遜干涉儀，利用5mW的HeNe激光器作為照明光源，將可變形鏡的鏡面作為反射鏡，另一參考鏡面由閉環(huán)的PZT控制，可以獲得任意反射單元鏡面的干涉條紋圖。如圖8所示。
在圖8中，A圖為晶體背面無光照時，CCD獲得的單元鏡面反射干涉條紋圖，B圖表示利用50mW激光(980nm)照亮晶體背面時，獲得的單元鏡面反射干涉條紋圖。C圖表示A、B兩干涉條紋圖的區(qū)別。利用整個鏡面的干涉條紋圖，借助于ZYGO軟件可以獲得整個鏡面的三維形貌圖，如圖9所示，在圖9中，A圖表示未工作時鏡面的形貌圖；B圖表示利用50mW激光(980nm)，同時利用透鏡，使得GaAs晶體背面部分面積(對應一個鏡面形變單元)被照明時的鏡面形貌。C圖表示在B圖的基礎(chǔ)上減小交流電壓的頻率，所獲得的鏡面形貌。
實驗表明，提高交流電壓的頻率(遠高于鏡面材料的共振頻率)，并且在交流電壓源中加入一定的直流電壓偏置，不僅可以起到阻止鏡面的振動，而且可以提高鏡面的形變性能。如圖10所示，A圖表示光的強度與形變量之間的關(guān)系，由A圖可知，在光強達到飽和前，形變量與光強呈一次函數(shù)關(guān)系，這與本發(fā)明的理論預測是一致的。B圖表示在保持交流電壓與直流電壓幅值的比值不變的前提下，電壓總的幅值與形變量之間的關(guān)系，由B圖可知，形變量隨電壓幅值的增加而呈線性增加的關(guān)系，得到了與理論推導一致的結(jié)論。
C圖表示保持直流電壓的幅值不變，改變交流電壓的幅值時，頻率與形變量之間的關(guān)系。D圖表示保持交流電壓的幅值不變，改變直流電壓的幅值時，頻率與形變量之間的關(guān)系。由C圖、D圖可知，形變量與頻率之間存在二次函數(shù)的關(guān)系，符合工作理論模型的推導；同時也可知，改變交流與直流電壓幅值的比值(AC/DC)也將影響變形鏡的形變性本發(fā)明的可變形反射鏡，其最大形變量可達0.85μm，有效反射面積可達20cm2。
附錄1以GaAs中心為原點，沿水平方向建立X軸，豎直方向建立Y軸，如圖6所示。聚脂薄膜沿Y軸發(fā)生形變時，薄膜在坐標系中的函數(shù)表達式為y＝ax2+b。當中心點形變量達到h時，明顯b＝d-h，薄膜邊緣點的坐標表示為(R，d)，將此點的坐標代入函數(shù)表達式為d＝aR2+d-h，由此可知，a=hR2,]]>y=hR2x2+d-h.]]>由于聚脂薄膜與半導體層上表面之間為絕緣的，故可看作是一個電容器，但是由于形變后的聚脂薄膜與半導體層上表面不是真正的平行(c＝ε0A/d)，故其間的電容不能簡單地按圓形電容器進行計算，應該選取膜上距離膜中心r遠處的一個厚度為dr的圓環(huán)進行面積分，所以電容C應表示應為C=∫0Rϵ02πrhr2R2+d-hdr]]>=2πϵ0R2∫0Rrhr2+(d-h)R2dr]]>=2πϵ0R2∫0R12hr2+(d-h)R2d(r2)]]>=πϵ0R2h∫0Rd(hr2)hr2+(d-h)R2]]>=πϵ0R2h∫0Rd[hr2+(d-h)R2]hr2+(d-h)R2]]>=πϵ0R2hln[hr2+(d-h)R2]|0R]]>=πϵ0R2hln[hR2+(d-h)R2(d-h)R2]]]>即C=πϵ0R2hln(dd-h)---(7)]]>由泰勒公式知x+x22+x33+x44+······+xnn=ln(11-x)]]>將(7)式中的 用泰勒公式展開，并且保留前兩項，可得C≅πϵ0R2h(hd+h22d2)]]>即C≅πϵ0R2sd+πϵ0R2h2d2]]>附錄2因為C=πϵ0R2sd+πϵ0R2h2d2]]>=πϵ0R2d+πϵ0R2(ϵ0R2V1′/8Td2)2d2]]>令c＝b+aV1′2(8)將(8)式代入(4)式可得V1′=V1+[Ljw(b+aV1′2)/qμn(n+Δn)A]]]>=Vmm+Ljw(b+aV1′2),---(9)]]>
其中m＝qμn(n+Δn)A(10)將(9)方程兩邊平方可得|V1′|2=V2m2m2+L2ω2(b+aV1′2)2]]>⇒m2|V1′|2+L2ω2(b+aV1′2)2|V1′|2=V2m2]]>⇒m2|V1′|2+L2ω2(a2|V1′|4+b2+2ab|V1′|2)]]>×|V1′|2=V2m2]]>⇒m2|V1′|2+L2ω2a2|V1′|6+L2ω2b2|V1′|2]]>+2L2ω2ab|V1′|4=V2m2]]>⇒L2ω2a2|V1′|6+2L2ω2ab|V1′|4]]>+(m2+L2ω2b2)|V1′|2=V2m2]]>由于a，b的表達式中含有ε0這樣極小的物理量，忽略a，b的二次項，上式可以寫為(m2+L2ω2b2)|V1′|2≅V2m2]]>⇒|V1′|2≅V2m2(m2+L2ω2b2)]]>≅q2μn2(n+Δn)2A2V2q2μn2(n+Δn)2A2+L2ω2(πϵ0R2/d)2---(11)]]>將(11)代入(2)式可得h=ϵ0R2q2μn2(n+Δn)2A2V28Td2[q2μn2(n+Δn)2A2+L2ω2(πϵ0R2/d)2]]]>=ϵ0Rq2μn2(n+Δn)2A2V28Td2q2μn2(n+Δn)2+8TL2ω2π2ϵ02R4]]>無光照時Δn＝0，此時h′=ϵ0R2q2μn2n2A2V28Td2q2μn2n2A2+8TL2ω2π2ϵ02R4]]>Δh=h-h′=ϵ0R2q2μn2(n+Δn)2A2V28Td2q2μn2(n+Δn)2+8TL2ω2π2ϵ02R4-ϵ0R2q2μn2n2A2V28Td2q2μn2A2+8TL2ω2π2ϵ02R4]]>=8ϵ03R6q2μn2A2V2TL2ω2π2(2nΔn+Δn2)[8Td2q2μn2(n+Δn)2A2+8TL2ω2π2ϵ02R4](8Td2q2μn2n2A2+8TL2ω2π2ϵ02R4)]]>⇒Δh=ϵ03R6q2μn2A2V2L2ω2π2(2nΔn+Δn2)[d2q2μn2(n+Δn)2A2+L2ω2π2ϵ02R4](d2q2μn2A2+8TL2ω2π2ϵ02R4)]]>參考文獻[1]Bahareh Haji-saeed，Rathna Kolluru，et al.Photoconductive opticallydriven deformable membrane for spatial light modulator applications utilizing GaAssubstrates[J].Applied optics，2006，45(12)2516～2526。
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權(quán)利要求
1.一種激光驅(qū)動的可變形反射鏡，其特征在于它由感光底層(5)、支撐柱(6)、鏡面組成；感光底層(5)由光敏材料砷化鎵半導體晶片構(gòu)成，光敏材料砷化鎵半導體晶片的下表面為ZnO層；鏡面由聚脂薄膜(7)、鋁膜(8)構(gòu)成，聚脂薄膜(7)的上表面鍍有一層鋁膜(8)；感光底層(5)的上表面沉淀有柵格狀的支撐柱(6)，支撐柱(6)的上端面與鏡面的聚脂薄膜下表面相膠粘；鏡面的鋁膜(8)、感光底層(5)的ZnO層分別由導線與電壓源(9)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光驅(qū)動的可變形反射鏡，其特征在于所述的感光底層(5)的直徑為5.08cm，厚度為0.5mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光驅(qū)動的可變形反射鏡，其特征在于所述的聚脂薄膜(7)的厚度為2μm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光驅(qū)動的可變形反射鏡，其特征在于所述的鋁膜(8)的厚度為0.4μm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光驅(qū)動的可變形反射鏡，其特征在于所述的柵格狀的支撐柱(6)的高度為5μm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光驅(qū)動的可變形反射鏡，其特征在于所述的柵格狀的支撐柱(6)為聚酰亞胺材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光驅(qū)動的可變形反射鏡，其特征在于所述的鏡面含有16個形變單元。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種自適應光學系統(tǒng)的變形鏡。一種激光驅(qū)動的可變形反射鏡，其特征在于它由感光底層(5)、支撐柱(6)、鏡面組成；感光底層(5)由光敏材料砷化鎵半導體晶片構(gòu)成，光敏材料砷化鎵半導體晶片的下表面為ZnO層；鏡面由聚酯薄膜(7)、鋁膜(8)構(gòu)成，聚酯薄膜(7)的上表面鍍有一層鋁膜(8)；感光底層(5)的上表面沉淀有柵格狀的支撐柱(6)，支撐柱(6)的上端面與鏡面的聚酯薄膜下表面相膠粘；鏡面的鋁膜(8)、感光底層(5)的ZnO層分別由導線與電壓源(9)相連。本發(fā)明具有形變量大的特點(其最大形變量可以達到0.85μm)。
文檔編號G02B26/00GK101063748SQ20071005195
公開日2007年10月31日 申請日期2007年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月24日
發(fā)明者向東, 王青玲, 鄭安壽, 湯型正, 韓艷玲, 羅中杰 申請人:中國地質(zhì)大學(武漢)