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前沿 | 九篇光学文献,九种压电应用

前沿 | 九篇光学文献,九种压电应用 两江科技评论
2020-04-14
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导读:本文通过九篇文献窥视光学中的精密辅助技术:压电元件。

压电效应的发现者之一皮埃尔·居里说:每项科学发现,无论多么微小,都是永恒的收获。这句话可能是压电技术最好的写照。正是在压电陶瓷亿万次微小的驱动下,精密定位开始有了新的黄金标准。从日常的光路调节到引力波探测器的激光稳频,压电技术以其精密、快速、紧凑和灵活的优势也已经渗透在光学应用的各个方面。本文通过九篇文献窥视光学中的精密辅助技术:压电元件

Starbugs
 
 
 

Starbugs是澳大利亚天文台发明的压电机器人。这些『观星小虫』由两个同轴压电陶瓷管构成,光纤固定在管中。由于使用压电材料制备,在施加电压时,陶瓷管能够伸缩或弯曲,以此控制光纤探头在望远镜焦平面的移动和旋转,同时收集多个恒星或星系的光谱。


Starbugs通过真空吸附在玻璃板上
施加电压时能在透明玻璃板上行走

Starbugs由两个
压电陶瓷管构成
The Taipan
Galaxy Survey


Starbugs终极目标是用在下一代超大口径望远镜中,比如建造中的巨型麦哲伦望远镜的主反射镜超过25米,在其焦平面将使用500个starbugs捕捉遥远的星光。


Ref1: Starbugs: all-singing, all-dancing fibre positioning robots
https://doi.org/10.1117/12.924502

主动隔振系统
 
 
 

很多主动隔振系统是纯机械结构,使用独立的致动和传感装置。但是,压电陶瓷集致动和传感功能于一体,可以设计更紧凑的主动隔振系统。


压电双晶片可上下弯曲运动

压电双晶片就是这样一种器件。作为一种多层共烧压电陶瓷构造,当底层和顶层的伸长量不同时双晶片将向上或向下弯曲,由于兼具致动和传感功能,方便为灵敏设备设计更简洁的主动隔振系统,比如下图所示。

施加电压使自由端运动(X2)


双晶片(上图深绿色元件)在施加电压后产生弯曲力矩,导致自由端开始运动。由于使用平行运动,连接点处几乎没有角度偏差,所以硬件配置也更为简单和紧凑,并且性价比更高。


Ref2: Vibration control piezoelectric bimorph beams consolidate vibration control functions

http://t.cn/A6ZkYCMQ


引力波探测激光
 
 
 

激光干涉引力波天文台(LIGO)基本原理很简单,甚至使用Thorlabs迈克尔逊教学套件都能模拟。但是实际执行却异常严格,其精密程度相当于测量地月距离精确到头发丝的千万分之一。所以,LIGO需要超级稳定的激光系统,模式稳定、频率稳定、功率稳定。


先进LIGO的稳定激光系统


之所以引用如此复杂的激光系统,只是为了说明压电技术对于光学定位的重要性。首先,非平面环形振荡腔(NPRO)和两级功率放大器都需要主动稳定,而通过NPRO晶体的压电挤压可控制振荡频率。其次,在激光系统的开发阶段,NPRO输出锁定在具有压电反馈输入的PDH锁频参考腔上。最后,PMC Locking环形腔中同样使用压电元件控制往返长度,以此调节共振频率和稳定激光模式。


Ref3: Stabilized high-power laser system for the gravitational wave detector advanced LIGO

https://doi.org/10.1364/OE.20.010617

压电产品速览
尽管不同场合的精密运动控制方式不同,但是压电陶瓷具有各种形状和尺寸,能够设计复杂程度不一的运动控制系统,灵活地适应各种光学定位需求,从基本的光学调整架和位移台到复杂的激光加工和激光扫描显微镜。

Thorlabs不同类型的压电陶瓷产品

压电位移台和调整架

压电应用





光路图速览

光路主动稳定系统
Polaris压电调整架根据位置传感器反馈信号调整光路

ref4: https://www.thorlabschina.cn/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=5035


使用低噪声FP干涉仪探测超声波
使用压电器件控制FP腔长和准直系统
Ref5: https://doi.org/10.1364/OE.26.022405

飞秒激光高速扫描

使用压电双晶片(bimorph)精密控制反射镜,从而调制飞秒激光的群延迟色散

Ref6: https://doi.org/10.1364/BOE.2.000080


高分辨宽带光纤位移传感器
Ref7: https://doi.org/10.1364/AO.55.005960

共焦多光子显微镜光路配置
使用压电反射镜(PCM)维持光束指向稳定性
Ref8: https://doi.org/10.1364/AO.50.005361

可调谐单纵模Ho:YAG激光器
Ref9: https://doi.org/10.1364/AO.56.009809

文章来源:Thorlabs索雷博


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