光学 精密工程
2022, 30(18): 2205
1 中国科学技术大学 精密机械与精密仪器系, 合肥 230026
2 中国科学院 国家天文台 南京天文光学技术研究所, 南京 210042
3 中国科学院 天文光学技术重点实验室, 南京 210042
根据多镜面地基望远镜在近红外实现共相衍射极限成像的需求，提出了一种基于压电堆栈致动器的高分辨率倾斜镜设计方案。该方案以哑铃型柔性铰链和菱形位移缩小结构(RADS)作为倾斜镜的运动传递元件，压电堆栈致动器(PSA)作为动力元件，并使用电涡流传感器作为角度测量部件。介绍了高分辨倾斜镜的工作原理，并对哑铃型柔性铰链和菱形位移缩小结构进行设计。柔性铰链和位移缩小结构的关键结构参数均采用理论计算、实验和仿真进行优化。建立倾斜镜模型，利用理论计算和有限元仿真软件分别计算倾斜镜的倾斜角度和分辨率。实验结果表明：设计的倾斜镜角度分辨率达到0.017″，最大倾斜角度为14.6″，谐振频率为136.97 Hz，与有限元仿真结果相吻合，满足地基望远镜系统衍射极限成像的要求。
倾斜镜 高分辨率 压电堆栈致动器 地基望远镜 柔性铰链 tip/tilt mirror high angular resolution piezoelectric stack actuator ground-based telescope flexible hinge 强激光与粒子束
2018, 30(7): 074102
中国科学技术大学 精密机械与精密仪器系, 安徽 合肥 230026
为了实现以水凝胶为材料的细胞支架快速加工, 将计算全息法引入传统的飞秒激光双光子加工中, 并对全息图的生成方法和全息图对加工结构的影响进行了研究。首先, 根据贝塞尔光波动方程和其透射函数生成贝塞尔光束全息图, 分析两种参数对环形结构大小和质量的影响。然后利用生成的全息图加工得到壁厚800 nm、直径为8~15 μm不等的水凝胶（PEGDA）圆管结构。最后, 实现了基于圆管道的水凝胶细胞支架高效快速加工, 支架中圆管道壁厚800 nm、直径为8 μm。本文首次将飞秒激光全息加工技术应用于水凝胶三维支架加工, 解决了飞秒激光单点加工效率的问题。该技术在生物医学中具有广阔的应用前景。
飞秒激光 双光子加工 贝塞尔光束 水凝胶 细胞支架 femtosecond laser two-photon processing Bessel beam hydrogel cell scaffold
1 宁波大学 机械工程与力学学院, 浙江 宁波 315211
2 中国科学技术大学 精密机械与精密仪器系, 合肥 230027
为了提高用于天文自适应光学系统的单压电变形镜的校正能力, 提出了一种直径为75 mm且包含214个单元的带边缘驱动的单压电变形镜, 单压电变形镜的边缘由数个压电堆栈执行器支撑.首先, 通过有限元方法对变形镜进行仿真建模, 分析比较三点、六点能动支撑对变形镜性能的影响.之后制备了三点、六点边缘驱动的变形镜样机.最后, 利用波前传感器测试了边缘执行器对低阶像差的校正能力.实验结果表明：在0~100 V电压下, 三点能动支撑与六点能动支撑变形镜均可重构大于12 μm的倾斜像差, 对应的归一化残余误差小于0.06, 六点致动对像散和三叶草像差也具有较好的校正能力, 证明边缘执行器可提高单压电变形镜的校正能力.
自适应光学 单压电变形镜 像差校正 压电堆栈执行器 波前探测 Adaptive optics Unimorph deformable mirror Aberration correction Piezoelectric stack actuator Wavefront sensing
Author Affiliations
Abstract
1 Faculty of Mechanical Engineering and Mechanics, Ningbo University, Ningbo 315211, China
2 Zhejiang Provincial Key Lab of Part Rolling Technology, Ningbo 315211, China
3 Department of Precision Machinery and Precision Instrumentation, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China
Adaptive optics (AO) systems greatly improve the resolution of retinal imaging instruments by actively correcting ocular aberrations. In this Letter, closed-loop correction as well as ocular aberration compensation of a 62-element silicon unimorph deformable mirror (DM) driven by only positive voltage is performed. The experimental results show that the root-mean square (RMS) wavefront of the initial mirror surface is reduced to 0.011 μm in a closed-loop AO system. The DM reproduces Zernike shapes from the third to 35th mode accurately. The simulated compensation of 200 ocular wavefronts shows that the average RMS value after correction is reduced to 0.017 μm.
220.1080 Active or adoptive optics 170.4470 Ophthalmology 220.1000 Aberration compensation Chinese Optics Letters
2015, 13(4): 042201
中国科学技术大学 精密机械与精密仪器系, 安徽 合肥 230027
搭建了能够在二维方向上实现纳米级定位的二维自动定位系统。首先, 加工了栅格间距为5 μm的64×64编码的透射式二维零位光栅; 然后, 分析设计了光栅系统光电转换电路和数据控制电路, 实现了系统数据采集、显示和运动控制等功能。在此基础上搭建了基于二维零位光栅的纳米定位系统, 并利用积分法实现了二维方向的自动定位。实验结果表明, 系统定位速度对透射光强分布具有很高的依赖性, 系统一次定位的成功率与初始位置密切相关。若起始位置在以零位为中心, 半径为2.5 μm圆形区域内, 系统可实现纳米量级定位对准; 当起始位置在以零位为中心, 5～200 μm为半径的圆环范围内, 自动定位可能存在盲点, 但通过改变初始位置重新进行搜索, 仍然能够准确地实现纳米定位。
二维零位光栅 自动对准 定位算法 电路噪声 精度分析 two-dimensional zero-reference grating automatic alignment positioning algorithm circuit noise precision analysis
1 宁波大学 机械工程与力学学院，浙江 宁波 315211
2 中国科学技术大学精密机械与精密仪器系，安徽 合肥 230027
针对天文望远镜对变形镜的需求，设计了200单元级硅基单压电变形镜并对其进行了性能测试。首先，通过有限元方法对单压电变形镜进行结构建模，分析比较了电极排列形式和边界支撑方式对变形镜性能的影响。然后,制备了3款200单元变形镜样机(环形简支，环形固支，六边形简支)。最后，利用干涉仪测量了变形镜的影响函数，并通过激光多普勒测振仪测量其频响特性。仿真与实验结果表明：致动器在50 V电压下变形量可达1 μm，固支条件下谐振频率在1 kHz左右，对前100项Zernike像差具有良好的校正能力。该变形镜在低成本天文自适应光学系统中具有应用潜力。
压电变形镜 硅基变形镜 自适应光学 天文望远镜 piezoelectric deformable mirror Si-based deformable mirror adaptive optics telescope
中国科学技术大学 精密机械与精密仪器系，合肥，230027
亚波长微纳米结构表面具有优良的抗反射特性，本文以硅基太阳能电池响应光谱的300~1 200 nm为应用基础，利用时域有限差分法计算了表面面形、结构参量的占空比、高度和周期以及光波入射角等对二维微纳米结构表面反射特性的影响，并结合等效介质理论进行了进一步理论分析，结果表明：等截面光栅结构的反射率较大，结构参量影响也较小; 锥形渐变截面光栅结构的抗反射性能较好，且反射率随着占空比、结构高度的增大而显著下降; 同时，光波在光栅法线的±40°范围内入射时，反射率均较小.通过对亚波长微纳米光栅结构的反射特性的模拟和分析，为抗反射表面的设计和制作提供了基础.
微纳米结构表面 亚波长光栅 抗反射 时域有限差分法 模拟 Micro/nano structure surface Sub-wavelength grating Anti-reflection Finite-Difference Time-Domain(FDTD) Simulation
中国科学技术大学 精密机械与精密仪器系，安徽 合肥 230027
为了校正激光光束波前像差，建立了一种基于压电微变形镜的自适应光学系统。提出了用模拟退火-爬山混合算法来控制系统中37单元单压电片变形镜，补偿激光光束波前像差，实现对光斑的快速校正。提出的混合算法先使用模拟退火算法为爬山法提供一个较好的校正起点，再用爬山法对像差进行精确校正，仅需要少量的模拟退火迭代过程即可提供一个好的校正起点。由于精确校正阶段的爬山法速度快，因此获得相同校正效果需要的迭代次数比普通模拟退火算法减少了50%以上; 同时由于爬山法校正起点较好，大大降低了进入局部最优值的可能。最后，实验验证了模拟退火-爬山法对激光光束波前具有更佳的校正效率。
自适应光学 模拟退火-爬山混合算法 压电变形镜 波前像差 波前校正 adaptive optics hybrid Simulated Annealing-hill Climbing(SAHC) alg piezoelectric deformable mirror wavefront aberration wavefront correction
中国科学技术大学 精密机械与精密仪器系，合肥 安徽 230027
针对热机械式微纳米结构的加工，提出了一种以掺Al多晶硅为材料，集成于微悬臂梁上的加热器。采用Al诱导退火晶化(AIC)方法，在750 K对Al/a-Si∶H复合薄膜低温晶化18 h，制备出掺Al多晶硅。通过低温退火，使复合薄膜的拉曼特征峰由478 cm-1移至520 cm-1，完成由非晶硅向多晶硅的转变；由四探针仪测得室温下样品的电阻率由退火前的1010 Ω·cm降至16.8×10-3Ω·cm，实现了多晶硅的Al掺杂；在扫描电镜下观测到退火后Al与a-Si∶H层的界限消失并形成一层均匀的薄膜；这些结果表明得到了晶化程度很高的Al掺杂多晶硅。继而研究了掺Al多晶硅与氮化硅悬臂梁的集成工艺，采用微加工方法将掺Al多晶硅制成微加热器。使用ANSYS软件仿真加热器的工作过程，在10 V,0.3 μs脉冲驱动下，加热器升温至782.8 K，降温时间约1 μs。仿真分析显示，采用AIC法制得的掺Al多晶硅具有良好的热电特性，符合用于对高分子材料进行热机械微纳加工的微加热器的性能要求。
热机械加工 微加热器 Al诱导退火晶化(AIC) 多晶硅 thermomechanical fabrication micro-heater Al-induced Crystallization (AIC) poly-Si
