壓電變形鏡是一種利用壓電陶瓷材料的逆壓電效應(yīng)實(shí)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(cè)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(dòng)設(shè)備，能夠?qū)⒌碗妷?a target="_blank">信號(hào)放大到高電壓水平，驅(qū)動(dòng)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(jìn)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(dòng)信號(hào)

壓電變形鏡的驅(qū)動(dòng)需要高電壓信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)鏡面的精確形變。電壓放大器能夠?qū)⑿盘?hào)發(fā)生器輸出的低電壓信號(hào)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(duì)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(hào)精度直接影響壓電變形鏡的形變精度。通過(guò)精確控制輸出電壓的幅值和頻率，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)需要快速響應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)120V輸出，驅(qū)動(dòng)0.33μF容性負(fù)載時(shí)-3dB帶寬達(dá)到5000Hz，輸出響應(yīng)時(shí)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(shí)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(dòng)信號(hào)，確保鏡面能夠快速、準(zhǔn)確地響應(yīng)波前變化。例如，針對(duì)千單元級(jí)壓電變形鏡的高壓高速驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了高性能壓電陶瓷電壓放大器，其采用基于高速低壓運(yùn)算放大器和分立功率器件構(gòu)成兩級(jí)放大結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷的高精度大功率驅(qū)動(dòng)。

（二）單電極橫向壓電變形鏡

在單電極橫向壓電變形鏡的實(shí)驗(yàn)中，電壓放大器用于放大信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)變形鏡運(yùn)動(dòng)。

（三）壓電薄膜變形鏡

在壓電薄膜變形鏡的加工及閉環(huán)實(shí)驗(yàn)中，電壓放大器用于驅(qū)動(dòng)壓電薄膜變形鏡，實(shí)現(xiàn)鏡面的精確形變。實(shí)驗(yàn)中，對(duì)64個(gè)驅(qū)動(dòng)單元施加100V電壓，獲得各驅(qū)動(dòng)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(dòng)壓電薄膜變形鏡，實(shí)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(jìn)展

（一）無(wú)傳感器反饋控制方法

針對(duì)壓電變形鏡的精密控制挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)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(guò)參考電容器與壓電驅(qū)動(dòng)器串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電路中流動(dòng)電荷的直接訪問(wèn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器應(yīng)變的直接感知。這種無(wú)傳感器反饋控制方法不僅簡(jiǎn)化了光學(xué)系統(tǒng)，還提高了動(dòng)態(tài)波前校正性能。

（二）集成結(jié)構(gòu)與制備工藝

研究團(tuán)隊(duì)提出了一種單晶壓電變形鏡的集成結(jié)構(gòu)與無(wú)傳感器反饋控制方案。該設(shè)計(jì)集成了焊盤陣列作為電氣接口，通過(guò)絲網(wǎng)印刷技術(shù)將銅箔驅(qū)動(dòng)電極與壓電陶瓷片連接，實(shí)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(jiǎn)化了生產(chǎn)過(guò)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(dòng)信號(hào)，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(yùn)行提供了有力支持。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，電壓放大器的性能將進(jìn)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