变形镜部分驱动器断电失效对校正性能的影响
1 引言
自适应光学系统通常由波前传感器、波前控制器和波前校正器三个部分组成[1],其中波前校正器又称变形镜,通过实时改变自身面形以实现对畸变波前的校正。众多变形镜中,基于压电陶瓷驱动器的连续表面变形镜具有响应速度快、形变灵敏度高和谐振频率高等优点[2],在天文观测和强激光技术等领域得到了广泛的应用[3-5]。然而,压电陶瓷驱动器通常在交变电场下服役,并在多场(电场、力场和温度场等)耦合的情况下持续工作,因此不可避免地会出现场致疲劳和电疲劳[6]。压电陶瓷是一种脆性材料,所以在生产制造和加工过程中会存在微观缺陷,且性能老化和长期反复使用所累积的疲劳效应也容易产生疲劳损伤,甚至造成驱动器的失效[7],进而导致变形镜的校正能力降低,最终系统的工作性能退化。因此,研究压电陶瓷驱动器的失效对优化变形镜校正能力的影响具有重要意义。陈丽霞等[8]采用了有限元分析方法研究变形镜的疲劳损伤特性,以及不同的驱动方式对变形镜疲劳寿命的影响。罗帅等[9]结合了Miner疲劳累积损伤理论分析变形镜的结构参数对其疲劳寿命的影响。Wang等[10]研究了压电陶瓷的疲劳特性对变形镜校正能力的影响。综上所述,目前鲜有研究部分驱动器失效对变形镜校正能力的影响。
本文首先阐述变形镜的失效分析模型,然后使用该模型模拟分析变形镜在部分驱动器失效前后的校正能力,最后重点讨论畸变波前的形态分布、入射光束的类型和变形镜驱动器的排布方式等对变形镜校正能力的影响。
2 变形镜部分驱动器失效分析模型
变形镜驱动器在施加控制电压后引起的面形变化由影响函数来决定[11],典型的影响函数可用高斯函数来表示,表达式为
式中:(xi,yi)为第i个驱动器的位置坐标,i=1,2,3,…,n;d为驱动器的间距;b为交连值,即单个影响函数中施加电压后驱动器的变形量δ1与相邻位置驱动器的变形量δ2的比值,一般要求b的取值范围为5%~20%。
变形镜校正畸变波前的过程就是将畸变波前的面形ϕ(x, y)所用的影响函数Ii(x, y)展开的过程。假设施加在第i个驱动器上的驱动电压为Vi,则变形镜的镜面面形M(x, y)可表示为
变形镜校正畸变波前所需要的面形为ϕ(x, y),变形镜实际得到的面形为M(x, y),因此经变形镜校正后的残余波前可以表示为
采用最小二乘法对畸变波前进行拟合[12],将R(x,y)作为目标函数使其拟合方差取极小值,方差的表达式为
对(4)式取偏导数∂σ2/∂Vi并令其为零,可得到
式中:j为变形镜的第j个驱动器,j=1,2,3,…,n。进一步令
将(6)式和(7)式代入(5)式,可以得到
式中:I为影响函数矩阵;V为控制电压矩阵;S为拟合后的面形矩阵。
利用(8)式可以计算V,进而得到变形镜的拟合面形。分析过程中,假设失效驱动器对变形镜不能起到驱动的作用,对其只能起到位移限制的作用,因此将相应驱动器的电压置零,即若第i个驱动器失效,则令Vi=0,进而利用(2)式可以得到失效后的镜面面形。
3 部分驱动器失效对变形镜校正能力的影响
使用有限元分析模型对变形镜的波前校正过程进行模拟,丁心志等[14]证明了有限元分析模型能够更实际地反映变形镜的波面校正能力,由此可以说明所提模型的有效性。
表 1. 变形镜材料的力学参数
Table 1. Mechanical parameters of deformable mirror material
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3.1 不同畸变波前形态分布的影响
压电陶瓷驱动器因内部缺陷、老化效应和外部机械的作用导致失效。变形镜在工作过程中,每个驱动器的所处位置不同,其循环使用寿命也会有所差异,所以出现部分驱动器失效的现象,从而降低变形镜的校正能力。实际工程应用中,驱动器的失效概率较低[15],往往只会出现变形镜中个别驱动单元失效的现象,因此对变形镜中的单个驱动器进行失效分析。计算分析过程中,变形镜采用三种常见的驱动器排布方式进行失效分析与比较,驱动器的排布方式如
图 3. 驱动器的排布方式。(a)三角形;(b)圆形;(c)正方形
Fig. 3. Arrangement of actuators. (a) Triangle; (b) circle; (c) square
图 4. 不同畸变波前校正后的PV值。(a)畸变波前1;(b)畸变波前2;(c)畸变波前3
Fig. 4. PV values of different distorted wavefronts after correction. (a) Distorted wavefront 1; (b) distorted wavefront 2; (c) distorted wavefront 3
图 5. 不同畸变波前校正后的PV均值曲线。(a)畸变波前1;(b)畸变波前2;(c)畸变波前3
Fig. 5. Mean of PV curves of different distorted wavefronts after correction. (a) Distorted wavefront 1; (b) distorted wavefront 2; (c) distorted wavefront 3
极头采用与驱动器相同的排布方式,通过计算单个极头对变形镜面形的影响,对影响函数进行拟合以得到b值,结果如
当变形镜采用
极头在不同排布方式下的b值
b values of poles in different arrangements
Arrangement | Triangle | Circle | Square |
---|---|---|---|
b | 0.047 | 0.050 | 0.071 |
从
进一步对比
3.2 不同类型光束的影响
为了进一步明确变形镜在单个驱动器失效后对不同类型光束的畸变波前校正效果,选择的光束类型有平顶高斯光束、高斯光束以及环形光束,则得到的衍射极限倍数β因子平均值如
从
图 6. 不同类型光束在不同排布方式下的畸变波前校正效果。(a)三角形;(b)圆形;(c)正方形
Fig. 6. Distorted wavefront correction effect of different types of beams in different arrangements. (a) Triangle; (b) circle; (c) square
进一步对比
为了进一步研究变形镜对三种类型光束的校正能力,在部分驱动器失效的情况下得到畸变波前校正后的残余波前功率谱密度(PSD)平均曲线,如
图 7. 不同圈数校正后的残余波前PSD曲线。(a)第1圈;(b)第2圈;(c)第3圈;(d)第4圈;(e)第5圈
Fig. 7. Residual wavefront PSD curves after correction with different rings. (a) 1st circle; (b) 2nd circle; (c) 3rd circle; (d) 4th circle; (e) 5th circle
从
3.3 多个驱动器同时失效的影响
为了更好地说明部分驱动器失效对变形镜校正能力的影响,讨论变形镜在两个驱动器失效的情况下不同类型光束的校正效果。将中心驱动器作为失效驱动器之一,改变两个失效驱动器的间距,仿真计算变形镜在多种不同失效组合的情况下的β因子均值,如
图 8. β因子均值与驱动器间距的关系。(a)平顶高斯光束;(b)高斯光束;(c)环形光束
Fig. 8. Relationship between mean of β factor and distance of actuators. (a) Flattened Gaussian beam; (b) Gaussian beam; (c) annular beam
从
进一步分析
为了进一步讨论多个驱动器失效对变形镜校正能力的影响,在使用的是高斯光束且PV值为3.12 μm的情况下,以正方形排布方式为例,校正不同数量的失效驱动器后得到的β因子均值如
表 2. 极头在不同排布方式下的b值
Table 2. b values of poles in different arrangements
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从
4 结论
采用有限元分析方法模拟变形镜校正畸变波前的过程,重点分析不同的畸变波前形态分布以及不同类型的入射光束对变形镜校正能力的影响,并讨论多个失效驱动器对变形镜校正能力的影响。实验结果表明,对于不同的畸变波前形态分布,在单个驱动器失效的情况下,变形镜应当根据高斯型随机畸变波前形态分布进行失效分析,并选择正方形排布方式以减少变形镜的拟合误差,进而提高变形镜的校正能力。在选用桶中功率比为86.5%的β因子对光束质量进行评价的前提下,当驱动器的失效位置在第1圈时,变形镜对环形光束的校正能力最好,但是在其他圈数驱动器失效的情况下,变形镜对高斯光束的校正能力最好,对环形光束的校正能力最差。从低频部分来看,在第1圈驱动器失效的情况下,变形镜对三种入射光束的校正效果几乎相同,当驱动器失效位置在其他圈数时,变形镜对高斯光束的校正效果最差;从高频部分来看,在不同位置驱动器失效的情况下,变形镜对平顶高斯光束的校正效果最佳,变形镜校正的光束类型和驱动器的失效数量均会对其最佳排布方式造成影响。失效驱动器的数量越多,变形镜的校正能力明显下降。此外,当变形镜在两个驱动器失效的情况下,将中心驱动器作为失效驱动器,驱动器的失效间距越小,变形镜的校正能力越差,说明失效驱动器的间距对变形镜校正能力的影响更大。
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谢丽, 钟哲强, 张彬. 变形镜部分驱动器断电失效对校正性能的影响[J]. 光学学报, 2021, 41(2): 0223001. Li Xie, Zheqiang Zhong, Bin Zhang. Influence of Partially Failed Actuators of Power Failure on Correction Ability of Deformable Mirrors[J]. Acta Optica Sinica, 2021, 41(2): 0223001.