壓電變形鏡是一種利用壓電陶瓷材料的逆壓電效應(yīng)實現(xiàn)鏡面形變的光學(xué)元件，廣泛應(yīng)用于自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)、精密測量和光束控制等領(lǐng)域。電壓放大器作為壓電變形鏡的關(guān)鍵驅(qū)動設(shè)備，能夠?qū)⒌碗妷?a target="_blank">信號放大到高電壓水平，驅(qū)動壓電陶瓷產(chǎn)生所需的形變。本文將探討電壓放大器在壓電變形鏡中的應(yīng)用及其技術(shù)進展。

一、電壓放大器在壓電變形鏡中的作用

圖：電壓放大器在單電極橫向壓電變形鏡中的應(yīng)用

（一）提供高電壓驅(qū)動信號

壓電變形鏡的驅(qū)動需要高電壓信號來實現(xiàn)鏡面的精確形變。電壓放大器能夠?qū)⑿盘柊l(fā)生器輸出的低電壓信號放大到壓電陶瓷所需的高電壓水平。例如，ATA-2161高壓放大器輸出電壓高達(dá)1600Vpp，輸出電流達(dá)40mA，帶寬（-3dB）達(dá)到DC-150kHz，完全滿足壓電變形鏡對高電壓、高帶寬的需求。

（二）精確控制鏡面形變

電壓放大器的輸出信號精度直接影響壓電變形鏡的形變精度。通過精確控制輸出電壓的幅值和頻率，可以實現(xiàn)對鏡面形變的精確控制。例如，在自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中，電壓放大器需要在大電容負(fù)載情況下，輸出電壓要高，帶寬要寬，噪聲、紋波和漂移要小。這為自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展提供了技術(shù)保障。

（三）支持高頻響應(yīng)

壓電變形鏡在高頻工作時需要快速響應(yīng)，以實現(xiàn)動態(tài)波前校正。電壓放大器的高頻響應(yīng)能力能夠滿足這一需求。電壓放大器可以實現(xiàn)120V輸出，驅(qū)動0.33μF容性負(fù)載時-3dB帶寬達(dá)到5000Hz，輸出響應(yīng)時間≤100μs，這使得壓電變形鏡能夠快速響應(yīng)大氣湍流造成的波前誤差，提高成像質(zhì)量。

二、應(yīng)用實例

（一）自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)

在大型地基望遠(yuǎn)鏡的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中，壓電變形鏡用于校正大氣湍流造成的波前誤差。電壓放大器為壓電變形鏡提供高精度、大功率的驅(qū)動信號，確保鏡面能夠快速、準(zhǔn)確地響應(yīng)波前變化。例如，針對千單元級壓電變形鏡的高壓高速驅(qū)動問題，設(shè)計了高性能壓電陶瓷電壓放大器，其采用基于高速低壓運算放大器和分立功率器件構(gòu)成兩級放大結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)壓電陶瓷的高精度大功率驅(qū)動。

（二）單電極橫向壓電變形鏡

在單電極橫向壓電變形鏡的實驗中，電壓放大器用于放大信號發(fā)生器的輸出信號，驅(qū)動變形鏡運動。

（三）壓電薄膜變形鏡

在壓電薄膜變形鏡的加工及閉環(huán)實驗中，電壓放大器用于驅(qū)動壓電薄膜變形鏡，實現(xiàn)鏡面的精確形變。實驗中，對64個驅(qū)動單元施加100V電壓，獲得各驅(qū)動單元的響應(yīng)函數(shù)，響應(yīng)函數(shù)的一致性較好。這表明電壓放大器能夠有效地驅(qū)動壓電薄膜變形鏡，實現(xiàn)高精度的波前校正。

圖：ATA-2161高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

三、技術(shù)進展

（一）無傳感器反饋控制方法

針對壓電變形鏡的精密控制挑戰(zhàn)，研究團隊基于壓電自感知原理建立了局部閉環(huán)控制方法。這種方法通過參考電容器與壓電驅(qū)動器串聯(lián)，實現(xiàn)對電路中流動電荷的直接訪問，從而實現(xiàn)對壓電驅(qū)動器應(yīng)變的直接感知。這種無傳感器反饋控制方法不僅簡化了光學(xué)系統(tǒng)，還提高了動態(tài)波前校正性能。

（二）集成結(jié)構(gòu)與制備工藝

研究團隊提出了一種單晶壓電變形鏡的集成結(jié)構(gòu)與無傳感器反饋控制方案。該設(shè)計集成了焊盤陣列作為電氣接口，通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)將銅箔驅(qū)動電極與壓電陶瓷片連接，實現(xiàn)了電極制備、電氣布線和電氣連接的同步完成。這種集成結(jié)構(gòu)顯著簡化了生產(chǎn)過程，提高了生產(chǎn)效率。

圖：ATA-2000系列高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

電壓放大器在壓電變形鏡中的應(yīng)用至關(guān)重要，它不僅能夠提供高電壓驅(qū)動信號，還能精確控制鏡面形變，支持高頻響應(yīng)。在自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)、單電極橫向壓電變形鏡和壓電薄膜變形鏡等應(yīng)用中，電壓放大器為壓電變形鏡的高效運行提供了有力支持。隨著技術(shù)的不斷進步，電壓放大器的性能將進一步提升，為壓電變形鏡在更多領(lǐng)域的應(yīng)用提供更廣闊的空間。

審核編輯 黃宇