压电驱动柱及其制备方法和应用

本发明涉及自适应光学，尤其涉及一种压电驱动柱及其制备方法和应用。

背景技术：

1、20世纪50年代，美国天文学家巴布科克首次提出自适应光学技术概念，构想用可变形光学元件校正大气畸变。随着自适应光学技术的不断发展，尤其是在各种器件实现方式上的创新，自适应光学的应用领域也得到了显著扩展。变形镜作为自适应光学系统的执行器，直接对波前相位进行调整，以此来补偿波前误差，是自适应光学系统的核心器件，它影响着整个自适应光学系统的性能。变形镜的主要构成包括：薄膜镜面、驱动结构和基底。当入射光照射到变形镜时，变形镜镜面通过底部驱动结构的上下推动，产生与畸变波前共轭的镜面形变，从而实现波前的主动控制。变形镜最主要的分类依据包括按照镜面结构分类，或者按照驱动方式分类。

2、连续镜面变形镜按驱动方式可划分为：磁致伸缩式、电致伸缩式、电磁式、静电式和压电式。

3、对于磁致伸缩式变形镜，软磁体在外磁场作用下被磁化，出现尺寸和形状的变化，进而产生较大的行程，这个现象称为磁致伸缩效应。虽然产生的行程大，但是存在结构复杂不便于驱动柱线性化控制以及温度影响较大等问题。

4、电致伸缩是陶瓷或聚合物材料的一种应力、应变与电场二次项相关的非线性现象，亦称电致伸缩效应，这种效应产生的致动量与施加的电压成二次方关系，因此，可以在较小的电压范围内获得较大的行程。但是存在控制电压小、迟滞低、形变量与电压呈非线性关系、精度低以及受温度影响较大等问题。

5、电磁式是在磁场中放置通电导体，以产生安培力。根据安培力原理，力的大小与磁场强度、电流值、磁场方向以及电流方向有关，具有行程大、响应快、能量转换率高和线性输出精度高的特点。但存在制造复杂以及大间距间隔等问题。

6、静电致动是因两块平行放置的带电极板间的电荷吸引而产生。存在驱动力小、行程小、制备工艺复杂的问题。

7、因此，上述连续变形镜的驱动方式主要存在驱动力小、温度影响大、制造复杂等不适合大行程变形镜的问题。

技术实现思路

1、（一）要解决的技术问题

2、为解决现有技术中变形镜所出现的上述技术问题至少之一，本发明的实施例提供了一种压电驱动柱及其制备方法和应用，通过将压电柱主体由单一的压电柱改进为第一压电柱与第二压电柱通过预紧力外壳叠加封装的结构，得到响应速度快、形变量与电压的线性度好的压电驱动柱，以实现变形镜大行程，从而提高变形镜的波前控制精度。

3、（二）技术方案

4、针对上述技术问题，本发明的实施例提出一种压电驱动柱，包括：压电柱主体，包括第一压电柱、第二压电柱以及预紧力外壳，其中，第一压电柱与第二压电柱位于预紧力外壳的内部；以及第一压电柱与第二压电柱通过预紧力外壳封装连接；以及端接结构，端接结构的一端与压电柱主体连接；以及端接结构的另一端的形状包括球状结构。

5、在一些示例性的实施例中，第一压电柱与第二压电柱具有相同的压电柱结构，压电柱结构包括压电片和电极层，其中，压电片和电极层沿第一方向叠层设置；以及第一方向为垂直于第一压电柱与第二压电柱连接面的方向。

6、在一些示例性的实施例中，压电柱结构还包括电极线，其中，电极线从预紧力外壳的内部引出。

7、在一些示例性的实施例中，压电片和电极层沿第一方向叠层设置包括以下设置方式中的一种：采用多个压电片和多个电极层，按照放置一层压电片，接着放置一层电极层的方式交错堆叠；采用单个压电片和多个电极层，将压电片折叠成多层，在折叠后的每一层中插入电极层；采用单个压电片和单个电极层，将压电片和电极层分别折叠成多层，将折叠后的压电片和电极层交叉堆叠。

8、在一些示例性的实施例中，压电驱动柱还包括粘胶层，其中，粘胶层用于连接端接结构与压电柱主体。

9、在一些示例性的实施例中，压电片和电极层之间通过烧结工艺连接。

10、在一些示例性的实施例中，压电片的形状包括正方形、长方形、圆环形或圆形中的一种；和/或电极层的排布方式包括插指排布方式、通板型排布方式、嵌入缝型排布方式或插指浮动排布方式中的一种；和/或电极线包括可伸缩的蛇形等曲折连接线或并联等长连接线中的一种；和/或预紧力外壳的结构包括串行预紧力结构或并行预紧力结构中的一种。

11、根据本发明的第二个方面提供了一种上述压电驱动柱的制备方法，包括：将压电片与电极层按照第一方向堆叠设置，并采用烧结工艺烧结连接，以得到第一压电柱和第二压电柱；将第一压电柱与第二压电柱通过预紧力外壳沿第一方向叠加封装；将通过预紧力外壳沿第一方向叠加封装后的第一压电柱与第二压电柱通过电极线引出，得到压电柱主体；以及在压电柱主体的一端设置端接结构，得到压电驱动柱，其中，端接结构的另一端的形状包括球状结构。

12、根据本发明的第三个方面提供了一种上述压电驱动柱的应用，应用于变形镜中，其中，压电驱动柱中的压电片的厚度与层数与变形镜的最大行程有关。

13、（三）有益效果

14、从上述技术方案可以看出，本发明实施例提供的一种压电驱动柱及其制备方法和应用，至少具有如下有益效果：

15、（1）通过将压电柱主体从单一的压电柱结构改进为由第一压电柱与第二压电柱通过预紧力外壳叠加封装的结构，得到响应速度快、形变量与电压的线性度好的压电驱动柱，以实现变形镜大行程，从而提高变形镜的波前控制精度。

16、（2）通过采用压电片堆叠方式，使得压电片的整个截面积均参与驱动，具有出力大，性能好，减小局部电场变形以及不易出现点应力的优势。

17、（3）通过压电片堆叠与电极层烧结的工艺设计，使得压电柱具有可承受的压力大以及刚度大的特点。

18、（4）根据本发明实施例提供的一种压电驱动柱可应用于激光传输、空间光通信和光学成像等领域，能够显著提高系统的性能和可靠性，具有广泛的应用前景。

技术特征：

1.一种压电驱动柱，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的压电驱动柱，其特征在于，所述第一压电柱包括压电片和电极层；以及

3.根据权利要求2所述的压电驱动柱，其特征在于，所述压电柱结构还包括电极线，其中，所述电极线从所述预紧力外壳的内部引出。

4.根据权利要求2所述的压电驱动柱，其特征在于，所述压电片和所述电极层沿第一方向叠层设置包括以下设置方式中的一种：

5.根据权利要求1所述的压电驱动柱，其特征在于，所述压电驱动柱还包括粘胶层，其中，所述粘胶层用于连接所述端接结构与所述压电柱主体。

6.根据权利要求2所述的压电驱动柱，其特征在于，所述压电片和所述电极层之间通过烧结工艺连接。

7.根据权利要求3所述的压电驱动柱，其特征在于，

8.一种如权利要求1-7中任一项所述的压电驱动柱的制备方法，其特征在于，包括：

9.一种如权利要求1-7中任一项所述的压电驱动柱的应用，其特征在于，应用于变形镜中。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述压电驱动柱中的压电片的尺寸以及层数与所述变形镜的最大行程有关。

技术总结
本发明提供了一种压电驱动柱，可应用于自适应光学技术领域。该压电驱动柱包括：压电柱主体以及端接结构，其中，压电柱主体包括第一压电柱、第二压电柱以及预紧力外壳，第一压电柱与第二压电柱位于预紧力外壳的内部；第一压电柱与第二压电柱通过预紧力外壳封装连接；端接结构的一端与压电柱主体连接；以及端接结构的另一端的形状包括球状结构。通过将压电柱主体设置为由第一压电柱与第二压电柱通过预紧力外壳叠加封装的结构，得到响应速度快、形变量与电压的线性度好的压电驱动柱，以实现变形镜大行程，从而提高变形镜的波前控制精度。本发明还提供了一种压电驱动柱的制备方法及其应用。

技术研发人员：杨晋玲,刘文娅,李金潮
受保护的技术使用者：中国科学院半导体研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/12/10