为提高在微变形镜应用中静电微致动器的冲程,设计并讨论了一种基于双端固定梁为上电极、曲面 电极为下电极的异面微致动器。利用Rayleigh-Ritz方法,求解了致动器的静态特性。计算过程 中,考虑了梁长度增大引起的抗拉应力和器件制造过程中残余应力的影响。通过研究不同的曲 面电极轮廓形状对于致动器冲程的影响,得到了500 μm长的梁在300 V的驱动电压下其冲程 最大能达到14.1 μm。

介绍了基于计算机控制的频闪显微干涉测量技术，实现了对MEMS微变形镜的表面形貌、离面变形、静态电压-位移曲线和谐振频率的测量。采用频闪成像、计算机微视觉技术以及基于最小二乘曲面拟合法的亚像素定位技术实现了对平面内微位移的测量；利用频闪成像以及5步相移干涉技术实现了对干涉相位的提取，建立了适合于MEMS微变形镜特性测试的相位解缠算法，恢复了代表被测物体表面形貌的真实相位，实现了微变形镜静动态特性的测试。测试结果表明: 频闪显微相移干涉测量技术具有测量速度快、精度高、易实现自动控制等特点。

绝缘体上硅(SOI)提供了一种 “Si/SiO₂/Si”三层结构,采用深度反应离子刻蚀(DRIE)工艺,利用其中的二氧化硅绝缘层作为刻蚀自停止层,可以有效控制深硅刻蚀的深度,从而得到厚度均匀、无残余应力的体硅薄膜。利用这层体硅薄膜作为微变形镜的镜面,对DRIE工艺和硅/玻阳极键合工艺等进行了深入研究,研制了基于SOI的薄膜式微变形镜的加工工艺,获得了微变形镜样件并进行了初步测试。该微变形镜采用静电力驱动,具有69个驱动单元,通光孔径为10 mm。经测试,其表面质量在7.6 mm×7.6 mm测试区域内波峰波谷(PV)值约为1.2 μm,均方根(RMS)值约为193 nm;局部表面质量达到PV值约为8.3 nm,RMS值约为1.2 nm;在施加120 V电压时,镜面中心最大变形量达到4.25 μm以上。

以MEMS微变形镜驱动方式的选取为出发点, 从光学特性和力学特性两方面对MEMS微变形镜进行分析, 从中得出相关结构参数对微变形镜性能的影响关系, 并在此基础上结合补偿激光二极管抽运固体激光器(DPL)热畸变的使用要求设计了一种新型MEMS连续面型微变形镜, 并采用设计的MEMS变形镜搭建了一个闭环自适应光学实验系统, 补偿了激光光束的热畸变。实验结果显示该MEMS连续面型微变形镜可对腔内畸变进行有效补偿, 同时提高了激光器的输出功率及光束质量。

针对基于微型机电系统技术的分立式微变形镜，从镜面面形特点出发分析了方形和蜂窝形阵列变形镜适配能力，并利用ZEMAX软件建立畸变波前和变形镜模型，仿真分析两种分立式微变形镜的校正能力。研究表明在近似子单元数情况下，蜂窝形阵列微变形镜对畸变波前的校正能力更好。

大功率激光器中由增益介质热畸变产生热透镜效应,导致激光器的性能下降.采用基于MEMS技术加工的微变形反射镜作为激光器谐振腔的一部分,能实时补偿热透镜效应,提高激光器的输出功率.推导了热畸变与微变形镜镜面形变量、反射镜驱动单元上电压的关系并进行了实验.实验结果表明,在初始功率为287 mW、383 mW、482 mW和800 mW的情况下使用微变形镜进行补偿,可以将功率提高到437 mW、710 mW、894 mW和993 mW,在理论和实验上证明了使用微变形镜可以改善激光器腔内热畸变.

采用Fox-Li迭代方法,对畸变相差以Zernike多项式展开,计算了不同菲涅耳数的谐振腔在畸变发生时的低阶输出模式,分析了激光器谐振腔内畸变对激光输出模式的影响.对微变形镜的面形以Zernike多项式进行拟合,计算了中心电极的影响函数,并建立了微变形镜控制模型.实验上将微变形镜作为激光器的一个腔镜,验证了微变形镜对激光输出模式的补偿作用.结果表明,内腔微变形镜对激光输出模式具有校正作用,激光基本上可以达到基模输出.

在波前校正中,环形阵列的分立式微变形镜充分利用了各个单元.环形阵列的分立式微变形镜有等单元面积和等单元宽度两种设计准则,以37单元环形阵列微变形镜为例,从校正波前适配误差和校正后剩余波前的Strehl比两方面对两种设计准则进行比较.结果表明,采用等单元面积设计的环形微变形镜校正畸变波前的性能更好.特别是波前畸变严重时,这种效果更加明显.

在很多高功率的激光器中,由于热效应的缘故会导致激光器的光束质量大幅下降。为了改善激光光束的动态畸变,自适应光学是一种有效的方法。作为自适应光学系统的核心部件,设计了一种可用于大功率激光二极管抽运固体激光器(DPL)热畸变补偿的新型可变形反射镜,并且通过工艺流片实际制造出有效反射面积为30 mm×30 mm,拥有49个静电驱动单元的可变形反射镜。对该微机电系统(MEMS)微变形镜的变形特性进行了详细的理论分析和模拟研究,并和实际测量结果进行了比较,得到了满意的结果。为了实现闭环控制,对微变形反射镜的光学影响函数矩阵进行了全面测量, 并用得到的电压矩阵对畸变激光光束的波前进行了校正。实验结果表明,微变形反射镜可以有效地改善激光光束质量。

随着基于硅微加工技术的微机电(MEMS)技术的发展,搭建低成本的自适应光学系统以校正激光束畸变成为可能。首先根据模态耦合理论分析了热畸变对光束质量的影响,并用数值方法得到理想基模和畸变基模耦合振幅与泽尼克(Zernike)畸变之间的关系。然后采用一种新型的微机电变形反射镜搭建了一个闭环自适应光学实验系统,用来对热畸变激光光束进行补偿,并对自适应闭环控制方法进行了研究。闭环实验结果显示：闭环自适应光学实验系统能很好地改善激光束质量,斯特列尔比(Strehl Ratio)平均可以达到80%。