用于热致动可变形镜的装置及相关制造方法制造方法及图纸

用于热致动可变形镜(170)的装置包括整体块(100)，该整体块包括：具有形成或配置成支撑镜(170)的前面(122F)的镜板(120)、底座(140)、以及可热膨胀致动器(130)的一维阵列。可热膨胀致动器(130)将镜板(120)的后面与底座(140)机械地连接，使得前面(122F)的形状、倾斜和/或位置取决于可热膨胀致动器(130)的温度。镜板(120)、底座(140)和可热膨胀致动器(130)由横跨在整体块(100)的相对朝向的顶表面(202T)和底表面(202B)之间的狭缝(110)限定。整体块(100)可以由金属制成并且可以通过使用在金属块的顶表面(202T)和底表面(202B)之间穿过金属块的线对金属块中的狭缝(110)进行线腐蚀来以相对较低的成本制造。以相对较低的成本制造。以相对较低的成本制造。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于热致动可变形镜的装置及相关制造方法
[0001]优先权
[0002]本申请要求于2020年11月23日提交的美国专利申请序号17/101,783的优先权，该申请的公开内容通过引用方式全部并入本文。


[0003]本专利技术一般涉及自适应光学器件，尤其涉及热致动自适应镜。

技术介绍

[0004]自适应光学系统用于操纵光场的波前。自适应光学系统包括一个或多个自适应光学元件，可以调整这些自适应光学元件以改变光场的波前。例如，可变形镜可以变形以赋予反射光期望的波前变化。类似地，可变形透镜可以变形以赋予透射光期望的波前变化。尽管在某些场景中开环操作就足够了，但自适应光学系统通常包含有源反馈环路，其中根据所得波前的测量值反复地调整一个或多个自适应光学元件。
[0005]自适应光学系统最初是为了校正大气湍流引起的波前畸变而开发的，世界上许多最大的望远镜都配备了自适应光学器件来消除这种波前畸变。自最初开发以来，自适应光学系统已经找到了其他用途。自适应光学系统用于校正由光学系统缺陷和/或环境因素引起的时变波前畸变。自适应光学系统还用于实现波前特性，即使在理想情况下，传统光学元件也无法实现这些波前特性。目前，自适应光学系统应用于各种
，包括显微镜、视网膜成像、飞秒激光脉冲整形、光通信和天文成像。
[0006]可变形镜可以是连续的或分段的。在分段可变形镜中，镜面由单独的分段组成。每个这样的镜面分段是不可变形的，但是随着每个镜面分段的单独致动，整个镜面是可变形的。在连续可变形镜中，镜面是连续的并且具有一定程度的柔性。致动器阵列位于连续镜面的背面和支撑基板之间，以实现连续镜面的变形。带有行程达几微米的致动器的连续可变形镜在市场上有售。
[0007]微机电系统(MEMS)技术已用于制造连续可变形镜。这种基于MEMS的连续可变形镜通常是许多单独部件的组合件，包括一系列由静电或磁力控制的单独致动器结构。在另一类连续可变形镜中，压电晶片附着在镜面的背面，电极阵列控制压电晶片的局部厚度。基于MEMS和基于压电晶片的连续可变形镜都是专为激光束波前校正而设计，现已在市场上有售。这些市售装置具有大量致动器，通常为数十个甚至更多致动器，以二维阵列布置，以提供通用和高分辨率波前控制。
[0008]非线性晶体通常用于倍频、三倍频和其他频率转换，以获得所需频率的激光。在紫外(UV)激光系统的情况下尤其如此。由于在近红外范围内可以使用高功率、可靠的激光源，因此将近红外激光进行频率转换达到UV范围通常比直接产生UV激光更有效。
[0009]专利技术概述
[0010]我们已经意识到，可变形镜可用于解决激光系统中常见的波前校正问题，例如由非线性晶体引起的波前畸变。然而，目前市售的可变形镜的典型价格介于四千美元到两万
美元或更多。为了在商用激光系统中大规模实施可变形镜成为有吸引力的解决方案，可变形镜的制造成本必须低于目前市售的可变形镜。本文公开的是用于热致动可变形镜的装置。这些装置的制造成本仅为当前基于MEMS和基于压电的装置的成本的一小部分，因此适合在商用激光系统中大规模实施。
[0011]目前公开的装置源于这样的我们的认识：即，具有一维致动器阵列的整体式致动器块可以通过线腐蚀来制造。线腐蚀是一种成本相对较低的制造方法，致动器块的整体性质最大限度地减少了生产全功能可变形镜所需的组装步骤。需要全二维波前操纵的场景可以使用两个正交定向的可变形镜，每个都基于本整体式致动器块。整体式致动器块由热膨胀材料制成，使得整体式致动器块中的各个致动器的长度可以通过固定到致动器的加热元件来控制。虽然热致动无法达到与静电、磁或压电致动器相同的变化率，但热致动的速度足以满足许多实际应用，例如补偿非线性晶体的光致退化或热漂移。此外，与最常见的压电材料不同，本整体式致动器块和加热元件可以是无铅的。
[0012]一方面，用于热致动可变形镜的装置包括整体块。该整体块包括(a)具有形成镜或配置为支撑镜的前面(front face)的镜板，(b)底座，和(c)可热膨胀致动器的一维阵列，其将镜板的后面(rear face)与底座机械地连接，使得前面的形状、倾斜度和位置中的至少一个取决于可热膨胀致动器的温度。镜板、底座和可热膨胀致动器由跨越整体块的相对朝向的顶表面和底表面之间的狭缝限定。
[0013]在另一方面，用于制造热致动可变形镜装置的方法，包括对整体金属块中的狭缝进行线腐蚀以形成(a)具有形成或配置成支撑镜的前面的镜板的步骤，(b)底座，和(c)可热膨胀致动器的一维阵列的步骤，可热膨胀致动器将底座与镜板的后面连接，使得前面的形状、倾斜度和位置中的至少一个取决于可热膨胀致动器的温度。线腐蚀步骤是通过线在整体金属块的相对朝向的顶表面和底表面之间穿过整体金属块来执行的。
附图说明
[0014]包含在说明书中并构成说明书的部分的附图示意性地说明了本专利技术的优选实施方案，并且与上面给出的一般描述和下面给出的优选实施方案的详细描述一起用于解释本专利技术的原理。
[0015]图1示出了根据实施方案的用于热致动可变形镜的装置。
[0016]图2A
‑
C示出了根据实施方案的用于热致动可变形镜的三致动器整体块。
[0017]图3A和图3B示出了根据实施方案的具有抛光镜面的整体式三致动器块。
[0018]图4示出了根据实施方案的用于热致动形成为整体式致动器块的前面上的涂层的可变形镜的装置。
[0019]图5示出了根据实施方案的用于热致动结合到整体式致动器块的前面的可变形镜的装置。
[0020]图6A和图6B示出了根据实施方案的具有分别将致动器连接到镜板和底座的细长的前连接器和后连接器的整体块。
[0021]图7A和图7B显示了图6A和图6B的整体块的实施例的热有限元分析结果。
[0022]图8A和图8B示出了根据实施方案的能够使镜发生S形变形的四致动器整体块。
[0023]图9示出了根据实施方案的具有杠杆增强的外部致动的四致动器整体块。
[0024]图10示出了根据实施方案的具有直接作用于镜板的局部取向的中央致动的四致动器整体块。
[0025]图11A和图11B示出了根据实施方案的具有杠杆增强的外部和中央致动的四致动器整体块。
[0026]图12A和图12B显示了图11A和11B的整体块的实施例的热有限元分析结果。11A和11B。
[0027]图13示出了根据实施方案的用于制造热致动可变形镜装置的基于线腐蚀的方法。
[0028]专利技术详述
[0029]现在参考附图，其中相同的部件由相同的数字表示，图1以俯视平面图示出了用于热致动可变形镜170的一个装置180。装置180包括整体块100，整体块100包括镜板120、底座140和致动器130的一维(1D)阵列。镜板120、底座140和致动器130由跨越整体块100的相对朝向的顶表面和底表面之间的狭缝110限定。整体块100的顶表面和底表面平行于笛卡尔坐标系190的xz平面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.用于热致动可变形镜的装置，包括：整体块，所述整体块包括：镜板，所述镜板具有形成或构造成支撑镜的前面，底座，以及可热膨胀致动器的一维阵列，所述可热膨胀致动器的一维阵列将所述镜板的后面与所述底座机械地连接，使得所述前面的形状、倾斜度和位置中的至少一个取决于所述可热膨胀致动器的温度；其中，所述镜板、底座和所述可热膨胀致动器由横跨在所述整体块的相对朝向的顶表面和底表面之间的狭缝限定。2.根据权利要求1所述的装置，还包括一个或多个加热元件，每个加热元件固定到相应的可热膨胀致动器。3.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其中，由所述狭缝限定的所述整体块的所有表面都正交于所述顶表面和底表面。4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述整体块由金属制成。5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述金属的热导率小于30W/(m
·
K)。6.根据权利要求4所述的装置，其中，所述金属的热导率大于100W/(m
·
K)。7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述可热膨胀致动器的一维阵列沿所述整体块的宽度分布，所述整体块具有从所述底表面到所述顶表面的高度，并且所述宽度为所述高度的至少三倍。8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述镜板的前面被抛光以形成所述镜。9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，还包括在所述前面上的一个或多个涂层，所述涂层形成所述镜。10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，还包括所述镜，其中所述镜包括安装在所述镜板的前面上的基板。11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，每个可热膨胀致动器具有最靠近所述镜板的前端和最靠近所述底座的后端，并且所述装置还包括如由所述狭缝限定的以下部件：多个前连接器，所述多个前连接器将所述镜板的后面与所述可热膨胀致动器的前端机械地连接，以及多个后连接器，所述多个后连接器将所述底座与所述可热膨胀致动器的后端机械地连接。12.根据权利要求11所述的装置，其中每个所述前连接器的特征在于所述镜板和与所述前连接器直接机械连接的每个前端之间的热流的热阻抗，每个所述后连接器的特征在于对所述底座和与所述后连接器直接机械连接的每个后端之间的热流的热阻抗，并且所述前连接器的热阻抗和所述后连接器的热阻抗超过每个可热膨胀致动器对在其前端和后端之间的热流的热阻抗。
13.根据权利要求11或权利要求12所述的装置，其中所述整体块具有在所述镜板的前面和所述底座的后面之间的长度以及在所述顶表面和底表面之间的高度，所述可热膨胀致动器的一维阵列沿所述整体块的宽度分布，所述长度、所述高度和所述宽度相互正交，并且所述前连接器和所述后连接器在平行于由所述宽度和所述长度限定的平面的方向上比在沿所述高度的方向上具有较低的挠曲刚度。14.根据权利要求11至13中任一项所述的装置，其中，所述镜板经由所述前连接器中的单个相应的前连接器与每个可热膨胀致动器机械地连接。15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述整体块具有在所述镜板的前面和所述底座的后面之间的长度，并且每个前连接器从对应的可热膨胀致动器的朝前表面沿所述整体块的长度延伸到所述镜板的后面...

【专利技术属性】
技术研发人员：R，
申请(专利权)人：相干激光系统有限公司，
类型：发明
国别省市：