为了实现大位移行程、无耦合运动的精密定位，设计了一种结构紧凑、工作台面大的x-y-θz三自由度并联压电微动平台。该文首先采用双柔性薄板的柔顺桥式放大机构对微动平台的驱动单元进行了设计，并基于双平行四连杆柔顺机构设计了微动平台的台体，进而获得平台的整体结构。再采用有限元方法对平台的应力、位移放大倍数和模态进行了分析。最后对所设计的微动平台进行实验系统的搭建，并对平台的位移和频率响应特性进行测试。实验结果表明，平台在x方向上的最大输出位移为306.1 μm，耦合率为0.26%；平台在y方向上的最大输出位移为402.3 μm，耦合率为0.14%；在θz方向(即绕z轴)的最大转角为2.72 mrad。平台在x、y、θz方向的位移分辨率分别为10 nm、10 nm、0.1 μrad，固有频率分别为104.1 Hz、130.0 Hz、115.6 Hz。

该文提出了一种结构简单紧凑的压电粘滑旋转电机。通过一个力偶式机构设计了定子, 并在此基础上设计出双定子压电粘滑旋转电机, 提升了电机结构的紧凑性。通过在典型锯齿波上改造而成的一种异步驱动方式, 使电机能够实现“增粘减滑”。建立了电机机电-摩擦耦合动力学模型, 制作出电机的样机并进行相应的实验。实验结果表明, 电机输出位移曲线显示出良好的步进特性, 当驱动电压幅值为150 V、频率为900 Hz时, 电机输出的最大单步转角、转速分别为125 μrad和6.3 (°)/s, 最大可承负载为30 g。

快速伺服刀架能够提供精确、快速的微纳米级运动。为了获得双向和二维运动, 该文研制了一种双向压电驱动的二维快速伺服刀架。该刀架采用对称结构设计, 结合柔顺放大机构和位移解耦机构, 末端执行机构实现较大的输出位移, 同时减小耦合位移。基于伪刚体模型, 建立快速伺服刀架的静力学和动力学模型, 得到机构的输出位移、输出耦合比、最大应力和固有频率。通过有限元仿真验证了模型的正确性。最后, 采用电火花线切割加工快速伺服刀架原型样机, 并搭建了实验测试系统。实验结果表明, 快速伺服刀架在x、y方向的位移放大率分别为3.56和3.57; 输出耦合误差分别为1.26%和1.00%, 装配压电陶瓷驱动器后系统在x、y方向的一阶固有频率均是270 Hz, 系统动态性能良好。

提出了一种可直接生成可调艾里光束的可变形透镜,相比于其他生成艾里光束的方法,该可变形透镜可嵌入光路中直接生成艾里光束。制备了可变形透镜的原理样机,并搭建了基于波前传感器的艾里光束生成系统。实验上基于制备的可变形透镜生成了高质量的立方相位可调的艾里光束,生成的立方相位的残余误差小于相应目标幅值的3.4%,生成的艾里光束的光强分布和传播特性与理论结果相吻合,故该可变形透镜在直接生成可调艾里光束方面有潜在的应用价值。

为提高变形镜的热稳定性, 提出一种用正电压边缘驱动的双压电片变形镜, 通过环形电极产生整体离焦偏置, 分立电极校正波前像差, 只用正向电压即可实现镜面双向变形, 且此变形镜结构对称受热应力影响小.制备变形镜样机并进行测试, 测试结果表明: 初始镜面展平后残余误差小于λ/30(λ=1 064 nm); 精确重构了典型低阶Zernike多项式像差, 像散、离焦、三叶草和彗差像差的重构幅值分别达到11.1 μm、9.7 μm、5.7 μm和4.2 μm, 归一化残余误差分别为1.0%、1.0%、3.3%、6.0%; 此外, 实验生成了新型无衍射艾里光束, 并显示出优异的重构性能.

为避免在利用压电微夹钳夹持微对象过程中可能造成微对象的损伤或脱落, 提出用电阻应变片来检测压电微夹钳的钳指位移与夹持力。采用柔性杠杆放大机构设计了微夹钳, 该微夹钳结构微小且紧凑、钳指可平动、指尖夹持灵敏度高。基于悬臂梁弯曲变形理论及有限元方法, 分析了用于检测钳指位移与夹持力的微夹钳弹性敏感单元的应变特性。分析结果表明: 敏感单元的最大应变部位靠近其底端, 钳指位移与夹持力同敏感单元的应变成正比; 实验标定了钳指位移与夹持力同弹性敏感单元应变的关系, 标定结果表明两种关系均为线性关系; 最后实验测试了钳指位移与夹持力的大小。结果表明: 在150 V的最大电压下, 不夹持微对象时钳指的最大位移为78.35 μm, 夹持Φ0.3 mm、长8 mm的微轴时钳指的夹持力为9.24 μN。