雙壓電片鏡在同步輻射光源光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用

金利民，羅紅心，王 劼，王納秀，徐中民

(中國(guó)科學(xué)院 上海應(yīng)用物理研究所 張江園區(qū)，上海 201204)

雙壓電片鏡在同步輻射光源光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用

金利民，羅紅心，王 劼，王納秀，徐中民*

(中國(guó)科學(xué)院 上海應(yīng)用物理研究所 張江園區(qū)，上海 201204)

介紹了雙壓電片鏡自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，同時(shí)為其在同步輻射光學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用與進(jìn)一步發(fā)展提供前瞻性的思考與探索。根據(jù)目前已公開(kāi)發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)資料，總結(jié)介紹了雙壓電片鏡自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，闡述了該技術(shù)的工作機(jī)理與關(guān)鍵參數(shù)，并對(duì)其在國(guó)際上具有代表性的同步輻射機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用情況作出描述，并指出涉及的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題與未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)：不僅要有效地解決“連接點(diǎn)效應(yīng)”對(duì)雙壓電片鏡技術(shù)的負(fù)面影響，還要實(shí)現(xiàn)亞微米乃至納米級(jí)的聚焦光斑，這兩項(xiàng)內(nèi)容都是雙壓電片鏡技術(shù)需要進(jìn)一步解決的重要問(wèn)題。未來(lái)，雙壓電片鏡自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)可望在我國(guó)先進(jìn)的第三代同步輻射裝置—“上海光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility,SSRF)”二期工程建設(shè)中得到應(yīng)用。

自適應(yīng)光學(xué)；雙壓電；面形精度；同步輻射

1 引 言

目前，具有高亮度、高準(zhǔn)直性等諸多優(yōu)勢(shì)性能的第三代同步輻射光源，已被廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、生物、醫(yī)藥、考古以及環(huán)保等諸多學(xué)科領(lǐng)域，為從事相關(guān)科研工作的人員提供了先進(jìn)的科研利器，同時(shí)帶來(lái)了極大的方便，已經(jīng)顯示出廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。同步輻射光源光束線高質(zhì)量、長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行在應(yīng)用中尤為重要，是光束線上科研人員重點(diǎn)關(guān)注的焦點(diǎn)。作為影響同步輻射光源高質(zhì)量穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素，光學(xué)系統(tǒng)在其中起著十分重要的作用。而作為光學(xué)系統(tǒng)中的主要元件，各種光學(xué)元件(偏轉(zhuǎn)鏡、聚焦鏡、準(zhǔn)直鏡等)的表面面形和形貌質(zhì)量將會(huì)直接影響光束品質(zhì)，進(jìn)而影響整條光束線的光學(xué)性能，因此，該類(lèi)光學(xué)元件的良好工作狀態(tài)對(duì)于光束線的高效、穩(wěn)定運(yùn)行起到十分重要的作用[3-4]。

在長(zhǎng)時(shí)間的使用過(guò)程中，由于重力作用、機(jī)械裝置的夾持作用或由高能同步輻射光束帶入的熱效應(yīng)，不可避免地導(dǎo)致光學(xué)元件的鏡面發(fā)生微小變形，鏡面的面形質(zhì)量變差，從而影響光束線的送光質(zhì)量以及高效運(yùn)行[5-8]。為此，常需對(duì)光束線進(jìn)行停光操作，以便進(jìn)行光學(xué)元件的離線調(diào)試或更換。這種常規(guī)做法耗時(shí)較長(zhǎng)，操作也不方便，影響整條光束線正常運(yùn)行，這種做法也成為束線工作人員迫切希望解決的情況。此外，在某些具有特定實(shí)驗(yàn)需求的同步輻射光束線站上，需要所形成的聚焦光斑的焦距與尺寸具有連續(xù)可變化的一系列功能。鑒于此，迫切需要一種可在線進(jìn)行鏡面面形質(zhì)量調(diào)試的方法。正是在此需求下，自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，此技術(shù)可以對(duì)各種光學(xué)鏡面進(jìn)行實(shí)時(shí)的在線調(diào)試，使光學(xué)元件保持高質(zhì)量的面形，且不影響光束線正常使用[9]。

雙壓電片變形鏡(Bimorph Mirror，BM)作為一種典型自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，在同步輻射光源的應(yīng)用得到了顯著的發(fā)展。BM含有若干(8～32個(gè))嵌入式壓電片，其通過(guò)將適當(dāng)?shù)碾妷菏┘拥綁弘娖?，可在法向上使鏡面彎曲而形成所要求的面形。此外，BM還具有較多的自由度，可精細(xì)補(bǔ)償或糾正由上述的各類(lèi)負(fù)面效應(yīng)導(dǎo)致的面形誤差，從而保證面形精度[9-12]。因此，在世界范圍內(nèi)BM的各同步輻射光源得到了較為廣泛的發(fā)展與應(yīng)用。其中，代表性的機(jī)構(gòu)如：ESRF(European Synchrotron Radiation Facility，法國(guó))、SPring-8(日本)、DLS(Diamond Light Source，英國(guó))等[12-21]。

本文詳細(xì)介紹了BM，闡明該光學(xué)系統(tǒng)的工作機(jī)理與關(guān)鍵參數(shù)，并針對(duì)其在國(guó)際上具有代表性的同步輻射光源機(jī)構(gòu)的應(yīng)用情況作出概述，指出關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題與未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，為該類(lèi)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)在我國(guó)同步輻射裝置，特別是在第三代同步輻射裝置SSRF(Shanghai Synchrotron Radiation Facility，上海光源)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)上的應(yīng)用提供前瞻與有益的探索。

2 BM的工作機(jī)理與關(guān)鍵參數(shù)

2.1 工作機(jī)理

1880年，法國(guó)科學(xué)家居里兄弟發(fā)現(xiàn)石英晶體在受到壓力時(shí)，表面上會(huì)產(chǎn)生電荷，且電荷量與壓力成正比，他們稱(chēng)這種現(xiàn)象為“壓電效應(yīng)”，即在一定外力條件下實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)化。某些壓電材料在受到外力作用而變形時(shí)，因其內(nèi)部產(chǎn)生極化而在其兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的等量電荷的現(xiàn)象稱(chēng)為“正壓電效應(yīng)”。當(dāng)在壓電材料的極化方向上施加電場(chǎng)致其發(fā)生相應(yīng)變形的現(xiàn)象則被稱(chēng)為“逆壓電效應(yīng)”[22]。

圖1 BM結(jié)構(gòu)示意圖[12]Fig.1 Schematic diagram of BM[12]

典型的BM結(jié)構(gòu)是將兩片壓電材料(如鋯鈦酸鉛壓電陶瓷材料，Lead Zirconate Titanate Piezoelectric Ceramic，PZT)的薄片按相反的極化方向粘接而成，如圖1所示，由J.Susini建立的BM典型單元的截面結(jié)構(gòu)，其由兩層壓電陶瓷板(PZT1和PZT2)及上、下兩晶片組成，每?jī)蓪又g(即“Si-PZT”、“PZT-PZT”及“PZT-Si”)鍍金屬膜作為電極以提供電壓。根據(jù)壓電材料的“逆壓電效應(yīng)”，在其極化方向上施加一定的電壓后，引起材料沿垂直于極化方向伸展或收縮，則其中的一個(gè)PZT膨脹，另一個(gè)PZT則收縮，從而帶動(dòng)上、下兩個(gè)晶片發(fā)生彎曲。如果兩片壓電材料的伸縮量不一致就會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的彎曲變形。這樣，通過(guò)動(dòng)態(tài)控制電壓大小、電極數(shù)目和施以特定的邊界條件即可實(shí)現(xiàn)對(duì)BM鏡面面形的實(shí)時(shí)控制，從而可使BM的鏡面在重力作用、機(jī)械式裝置的夾持作用或高能光束的熱效應(yīng)等影響鏡面面形精度的各種工況條件下，仍然能夠保持較高的面形精度以滿(mǎn)足高標(biāo)準(zhǔn)、高效率的實(shí)驗(yàn)需求[2,12]。

2.2 關(guān)鍵參數(shù)[2,12]

對(duì)于“Si-PZT-PZT-Si”型BM，其變形規(guī)律取決于材料的性能與結(jié)構(gòu)幾何特征。在“PZT-PZT”的界面上施加電壓V0之后，BM鏡面發(fā)生相應(yīng)的彎曲變形，此時(shí)鏡面上任一點(diǎn)(x，y)在法向上的位移量Uz以及此刻相對(duì)應(yīng)的鏡面子午彎曲半徑Rm或弧矢彎曲半徑Rs分別為：

其中，

式中，α是常數(shù)，取決于BM的形狀與材料屬性。d31-1和d31-2、E1和E2、t1和t2分別是兩陶瓷板的壓電常數(shù)，彈性模量以及厚度。Esi、tsi分別是上下晶片的彈性模量與厚度。t為單元總厚度。δ是中性軸y到“PZT-PZT”界面的距離。當(dāng)給定BM后，其機(jī)械與壓電作用則由系數(shù)n1與n2來(lái)表示，n1與n2可由有限元分析軟件計(jì)算得到。

式(2)表明BM鏡面的彎曲半徑主要取決于3個(gè)參數(shù)，即t、V0及d31-1。若電極長(zhǎng)度Le或?qū)挾萕e小于鏡子的實(shí)際長(zhǎng)度L或?qū)挾萕，此時(shí)式(2)必須考慮修正因素，即：

3 BM在代表性同步輻射光源中的應(yīng)用

3.1 代表性機(jī)構(gòu)

鑒于第三代同步輻射光源的各高精密光學(xué)鏡面系統(tǒng)的工作現(xiàn)況，即各類(lèi)光學(xué)元件的鏡面在各種工況的影響下勢(shì)必會(huì)發(fā)生微小的變形，從而使得鏡面的面形精度變差，進(jìn)而影響各條相關(guān)同步輻射光束線的正常、穩(wěn)定以及高效運(yùn)行。在世界范圍的同步輻射領(lǐng)域內(nèi)，此情況激發(fā)了對(duì)可進(jìn)行實(shí)時(shí)在線調(diào)節(jié)與補(bǔ)償?shù)淖赃m應(yīng)光學(xué)機(jī)構(gòu)的需求，從而增強(qiáng)了BM的研發(fā)與應(yīng)用。近30年來(lái)，在國(guó)際上已有一些同步輻射機(jī)構(gòu)使用BM來(lái)在線調(diào)節(jié)各光學(xué)元件的面形精度，用于提高光束線運(yùn)行的效率與質(zhì)量，都起到了比較顯著的積極效果。在這些同步輻射機(jī)構(gòu)中，具有代表性的主要有：歐洲的ESRF、日本的SPring-8以及英國(guó)的DLS等。

3.2 ESRF

早在20世紀(jì)的90年代，ESRF的科研人員就已認(rèn)識(shí)到BM的性能優(yōu)勢(shì)，開(kāi)始積極發(fā)展相關(guān)的BM技術(shù)。如圖2所示，安裝于ESRF的ID26光束線上的BM，長(zhǎng)度為750 mm，其主要功能是用于水平面上波蕩器光源的切向聚焦[16]。此外，對(duì)于具有6個(gè)電極的BM，在鏡面的彎曲半徑達(dá)到100 m的情況下，面形誤差的RMS值可達(dá)到2 μrad以下。此外，可以通過(guò)設(shè)計(jì)不同厚度的BM來(lái)實(shí)現(xiàn)較小的彎曲半徑，如可通過(guò)1 cm厚度的BM達(dá)到30 m的彎曲半徑[12-14]。此后，因其顯著的性能優(yōu)勢(shì)，BM在同步輻射領(lǐng)域中得到了大力推廣，在世界各國(guó)的同步輻射機(jī)構(gòu)中如雨后春筍般地發(fā)展起來(lái)。

圖2 安裝于ESRF用于水平面上波蕩器光源切向聚焦的BM[16]Fig.2 BM which was used to tangentially focus the undulator source in the horizontal plane at ESRF[16]

3.3 SPring-8

21世紀(jì)初，SPring-8對(duì)BM的性能進(jìn)行了一系列的研究，并在其同步輻射光束線站上開(kāi)始使用BM。如圖3所示，被安裝于特制的機(jī)械夾持機(jī)構(gòu)內(nèi)，光學(xué)反射面(材料為裸熔融的二氧化硅)的長(zhǎng)度為295 mm，寬度為45 mm的BM[15]。經(jīng)過(guò)科研人員的不懈努力，設(shè)計(jì)的BM可以完全覆蓋“270 m凹面至1 475 m凸面”之間的球面彎曲半徑。此外，鏡面的面形誤差與高度誤差這兩項(xiàng)主要指標(biāo)都得到了較為顯著的降低，兩者的RMS值可分別達(dá)到1 μrad和12 nm。線站工作人員還可以進(jìn)一步地自定義控制光學(xué)反射面的形狀[15-16]。如今，經(jīng)過(guò)了十多年的技術(shù)發(fā)展與完善，BM的性能進(jìn)一步提升，可設(shè)計(jì)的BM的長(zhǎng)度也越來(lái)越大。在目前的技術(shù)條件下，BM的長(zhǎng)度可達(dá)到1 m以上。通過(guò)BM可得到具有一系列的切向彎曲半徑與橢圓形面形的光學(xué)鏡面，完全可以用來(lái)滿(mǎn)足特定的可變焦距和可變光斑尺寸的實(shí)驗(yàn)需求，顯著提高了光束線的光學(xué)性能。

圖3 在SPring-8中安裝于機(jī)械夾持機(jī)構(gòu)內(nèi)的BM[15]Fig.3 BM which was installed in its mechanical holder at SPring-8[15]

3.4 DLS

在DLS的多條X射線光束線上(如I02和I03光束線)，皆使用了由法國(guó)制造商Thales-Seso所設(shè)計(jì)制造的BM來(lái)聚焦和準(zhǔn)直光束。BM的鏡面拋光質(zhì)量可達(dá)到面形誤差RMS值約為0.5 μrad至1 μrad，粗糙度的RMS值約為3?以下，且鏡面的表面常被涂上重金屬層，以提高所需帶寬的X光反射率[17-21]。圖4為用于DLS生物大分子晶體學(xué)光束線站上的BM，其長(zhǎng)度為1 050 mm，具有14個(gè)壓電片與水平聚焦功能[17]。

值得指出的是：任何事物在具有積極一方面的同時(shí)，也都具有消極的一面。對(duì)于BM這項(xiàng)相對(duì)“年輕”的技術(shù)而言，也不例外。在BM的長(zhǎng)期服役期內(nèi)，DLS的研究人員們發(fā)現(xiàn)了涉及其性能穩(wěn)定性與光束線品質(zhì)的幾點(diǎn)問(wèn)題，如下文將會(huì)提到的電壓變化后鏡面曲率的動(dòng)態(tài)漂移問(wèn)題以及光斑的異常問(wèn)題[17,20]。通過(guò)深入查找問(wèn)題并細(xì)心實(shí)驗(yàn)與分析，研究人員們找到了問(wèn)題所在，并根據(jù)成因分析，制定了科學(xué)有效的解決方案，取得了完美的效果。

圖4 1 050 mm長(zhǎng)，水平聚焦BM[17]Fig.4 A 1 050 mm long,horizontally focusing BM[17]

3.5 BM的應(yīng)用與發(fā)展概述

通過(guò)以上的敘述可以發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過(guò)近30年的應(yīng)用與發(fā)展，BM技術(shù)已日趨成熟，且發(fā)展迅速，顯示出優(yōu)異的性能優(yōu)勢(shì)與可操作性。該項(xiàng)自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)已在世界范圍內(nèi)的同步輻射光源機(jī)構(gòu)中得到應(yīng)用并不斷發(fā)展與進(jìn)步，顯示出了廣闊的應(yīng)用前景。

目前，在我國(guó)典型的第三代同步輻射裝置—上海光源一期工程各相關(guān)光束線的光學(xué)系統(tǒng)中，尚未使用此項(xiàng)自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)。隨著上海光源二期工程建設(shè)任務(wù)的穩(wěn)步與有序推進(jìn)，鑒于BM的性能優(yōu)勢(shì)與技術(shù)性要求，需要研究人員根據(jù)有關(guān)光束線站的物理設(shè)計(jì)指標(biāo)與科學(xué)需求，在各項(xiàng)工程條件充分可行的情況下，深入研究并發(fā)展BM技術(shù)，以進(jìn)一步提高各條光束線的光學(xué)性能、運(yùn)行穩(wěn)定性以及工作效率。

4 關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

當(dāng)前，雖然BM已經(jīng)在世界范圍內(nèi)的各同步輻射裝置中得到較為廣泛的應(yīng)用，但在長(zhǎng)期工作的實(shí)際工況中，仍然會(huì)發(fā)現(xiàn)其存在著一些影響其性能的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，需要在未來(lái)的使用中加以注意并不斷改進(jìn)。這些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題主要包括：

(1)系統(tǒng)自由度較多，操作較復(fù)雜[23]。

從機(jī)械結(jié)構(gòu)上來(lái)看，BM具有較多的自由度，故在操作上較為復(fù)雜與耗時(shí)，尤其是對(duì)于缺乏相關(guān)操作經(jīng)驗(yàn)的科研人員。為盡量避免或解決此問(wèn)題，可通過(guò)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)更為高效和用戶(hù)友好的操作軟件，以達(dá)到所施加電壓的變化與鏡面變形和檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)同步，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度與精度水平。

(2)電壓變化后鏡面曲率的動(dòng)態(tài)漂移問(wèn)題[17]。

當(dāng)施加一個(gè)新的電壓后，研究人員發(fā)現(xiàn)BM的切向曲率在一段較長(zhǎng)的時(shí)間(幾小時(shí)或幾天)內(nèi)會(huì)隨著時(shí)間的延續(xù)發(fā)生一定的“漂移”現(xiàn)象。圖5顯示了在施加100 V的電壓之后，BM的彎曲半徑在3天內(nèi)的變化過(guò)程。從圖5中發(fā)現(xiàn)：鏡面的彎曲半徑值在經(jīng)過(guò)初始20 min的急劇上升之后，開(kāi)始下降，約在1天內(nèi)逐漸降低到一個(gè)穩(wěn)定的值。對(duì)于此現(xiàn)象，可能的原因主要包括：電壓不穩(wěn)定；約束光學(xué)器件的夾具和安裝件；以及壓電陶瓷或膠類(lèi)介質(zhì)的“松弛”效應(yīng)。在實(shí)際工程操作過(guò)程中，且在時(shí)間充足的情況下，為了得到精確且穩(wěn)定的結(jié)果，建議在電壓改變之后再等待半小時(shí)左右，即待系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后再進(jìn)行下一步的操作。

圖5 600 mm BM在施加100 V電壓后彎曲半徑的變化過(guò)程[17]Fig.5 A 600 mm BM as a function of time after applying a voltage change of 100 V[17]

(3)光斑異常問(wèn)題[17,20]。

圖6 BM鏡面的波紋狀起伏[20]Fig.6 Corrugation of the optical surface on a BM[20]

DLS內(nèi)一些使用BM的光束線不能獲得具有理想尺寸的X射線聚焦光斑，且在反射光線上發(fā)現(xiàn)了明顯異常的光斑區(qū)域，即反射光束會(huì)發(fā)生異常增寬與扭曲的現(xiàn)象。為了探討與解決此問(wèn)題，以充分發(fā)揮BM的應(yīng)用潛力，DLS開(kāi)展了一系列較為深入的研究。通過(guò)研究，在BM的鏡面上發(fā)現(xiàn)若干個(gè)寬度達(dá)數(shù)個(gè)毫米，波峰與波谷間約為20 μrad的波浪狀的“疵點(diǎn)”，如圖6所示“疵點(diǎn)”發(fā)生的部位幾乎皆處于相鄰壓電陶瓷片之間的光學(xué)鏡面區(qū)域上，故科研人員將此現(xiàn)象稱(chēng)為“連接點(diǎn)效應(yīng)”，且在多塊具有不同數(shù)目的壓電片、不同長(zhǎng)度和厚度的BM上皆發(fā)現(xiàn)了該現(xiàn)象。正是這種相鄰界面連接點(diǎn)處的鏡面“疵點(diǎn)”導(dǎo)致經(jīng)由鏡面反射的光束上產(chǎn)生異?，F(xiàn)象。究其原因，研究人員認(rèn)為是由于粘接壓電陶瓷片與光學(xué)基座的膠質(zhì)材料在BM的制作、搬運(yùn)、安裝上線以及使用的過(guò)程中，自然老化、超高真空、同步輻射等因素導(dǎo)致其性能發(fā)生了一定的破壞，從而使BM鏡面出現(xiàn)微小的扭曲形變。

圖7 BM再次拋光前后的鏡面面形誤差曲線[17]Fig.7 Slope error of the BM before and after re-polishing[17]

圖8 BM再次拋光前(左)后(右)的X射線聚焦結(jié)果(DLS的I03光束線)[17]Fig.8 Images of the focused X-ray beam at DLS I03 beamline,before(left) and after(right) re-polishing of BM[17]

為避免這種負(fù)面效應(yīng)，恢復(fù)鏡面表面質(zhì)量。DLS將BM返回制造商法國(guó)Thales-SESO公司進(jìn)行再次拋光。如圖7和圖8所示，對(duì)再次拋光之后的鏡面進(jìn)行測(cè)試后發(fā)現(xiàn)：鏡面的面形精度的RMS值由拋光之前的約3.5 μrad優(yōu)化為約0.4 μrad，提高了近一個(gè)量級(jí)，且聚焦光斑也非常接近于由“光束追跡”方法預(yù)測(cè)的理論尺寸，即再次拋光工藝可以顯著提高鏡面質(zhì)量與光束線性能。鑒于再次拋光工藝并未影響壓電陶瓷片之間的連接部位，且在之后光束線運(yùn)行的一年多時(shí)間內(nèi)，通過(guò)X光掃描拋光后的鏡面并未發(fā)現(xiàn)任何變化，因此可推斷“連接點(diǎn)效應(yīng)”將不再出現(xiàn)，上述負(fù)面效應(yīng)已被消除。

5 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

作為一種自適應(yīng)光學(xué)元件，BM能夠在線調(diào)整鏡面面形，提高了同步輻射光束線的運(yùn)行質(zhì)量與效率，應(yīng)用前景非常廣闊。未來(lái)，為了充分發(fā)揮BM的性能優(yōu)勢(shì)，需要根據(jù)同步輻射光束線的實(shí)際工程情況，不斷優(yōu)化其結(jié)構(gòu)與性能，以更好地發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。對(duì)于未來(lái)BM的發(fā)展趨勢(shì)，應(yīng)主要關(guān)注于以下方面：

圖9 新一代BM(a)Thales-SESO示意圖; (b)DLS實(shí)物圖[20]Fig.9 Next-generation BM.(a)Thales-SESO schematic diagram and (b)DLS real view[20]

(1)目前所廣泛采用BM的壓電陶瓷片都是安裝在光學(xué)鏡面的下方，這種結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致上文所述的“連接點(diǎn)效應(yīng)”，不僅不利于高質(zhì)量鏡面的形成與光束線的高效運(yùn)行，而且由此導(dǎo)致的“再次拋光”修復(fù)工藝耗時(shí)耗力，修復(fù)成本也較高，并不能從根本上解決問(wèn)題。為了避免這一現(xiàn)象且達(dá)到“治本”的效果，如圖9所示，可考慮將壓電陶瓷片安裝在鏡面的側(cè)面，使得相鄰的壓電陶瓷片間無(wú)直接接觸，消除因接觸所導(dǎo)致的鏡面局部微小扭曲，保證鏡面的面形精度，以確保同步輻射光束線在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的高效與高品質(zhì)運(yùn)行[20]。當(dāng)前，此技術(shù)仍處于前期研究階段，需要大量合理的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以驗(yàn)證粘膠、壓電陶瓷片與鏡子三者結(jié)合的穩(wěn)定性與性能，防止因蠕變等力學(xué)問(wèn)題動(dòng)態(tài)影響鏡面的面形精度。

(2)目前，對(duì)于同步輻射光源裝置和X射線自由電子激光裝置光束線，所廣泛關(guān)注的大多為微米級(jí)與亞微米級(jí)聚焦。隨著技術(shù)的進(jìn)步，納米級(jí)和亞納米級(jí)聚焦將日益成為主流。鑒于此，研究人員將BM自適應(yīng)技術(shù)和新穎的“彈性發(fā)射加工”(Elastic Emission Machining，EEM)拋光技術(shù)相結(jié)合，可設(shè)計(jì)一種新型BM。這種BM可在亞納米級(jí)層次內(nèi)提供可變焦距以及局部面形控制，且這種光學(xué)系統(tǒng)還具有產(chǎn)生無(wú)扭曲光束的潛力[24]。

6 結(jié)束語(yǔ)

(1)作為一種自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，BM 是根據(jù)壓電材料的“逆壓電效應(yīng)”設(shè)計(jì)制造而成。通過(guò)動(dòng)態(tài)控制電壓大小、電極數(shù)目和施以特定的邊界條件即可實(shí)現(xiàn)對(duì)BM鏡面面形的實(shí)時(shí)控制，從而可使BM的鏡面在重力作用、機(jī)械式裝置的夾持作用或高能光束的熱效應(yīng)等影響鏡面面形精度的各種工況條件下，仍然能夠保持較高的面形精度以滿(mǎn)足高標(biāo)準(zhǔn)、高效率的實(shí)驗(yàn)需求。

(2)BM的變形規(guī)律取決于組成材料的性能與結(jié)構(gòu)幾何特征。BM鏡面的彎曲半徑主要取決于3個(gè)參數(shù)，即t、V0及d31-1。

(3)經(jīng)過(guò)近20余年的發(fā)展，BM技術(shù)已日趨成熟、發(fā)展迅速，已在世界范圍內(nèi)的同步輻射光源機(jī)構(gòu)中得到應(yīng)用，顯示出廣闊的應(yīng)用前景。在我國(guó)典型的第三代同步輻射裝置—上海光源的二期工程中，在各項(xiàng)工程條件充分可行的情況下，建議考慮采用與發(fā)展此項(xiàng)技術(shù)。

(4)BM的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題主要包括：系統(tǒng)自由度較多，操作較復(fù)雜；電壓變化后鏡面曲率的動(dòng)態(tài)漂移問(wèn)題以及光斑異常問(wèn)題。

(5)對(duì)于未來(lái)BM的發(fā)展趨勢(shì)，一是考慮將壓電陶瓷片安裝在鏡面的側(cè)面，使得相鄰的壓電陶瓷片間無(wú)直接接觸，消除因接觸所導(dǎo)致的鏡面局部微小扭曲，保證鏡面的面形精度；二是將BM自適應(yīng)技術(shù)和新穎的“彈性發(fā)射加工”拋光技術(shù)相結(jié)合，可設(shè)計(jì)一種可在亞納米級(jí)層次內(nèi)提供可變焦距以及局部面形控制的新型BM。

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金利民(1984—)，男，江蘇鹽城人，博士，助理研究員，2009年、2012年分別于東華大學(xué)獲得碩士、博士學(xué)位，主要從事同步輻射光學(xué)與技術(shù)方面的研究。E-mail:lmjin@sinap.ac.cn

徐中民(1977—)，男，河南魯山人，博士，研究員，2005年于中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲得博士學(xué)位，主要從事同步輻射光束線技術(shù)方面的研究。E-mail:xuzhongmin@sinap.ac.cn

Applicationofbimorphmirrorintheopticalsystemofsynchrotronradiationlightsource

JIN Li-min,LUO Hong-xin,WANG Jie,WANG Na-xiu,XU Zhong-min*

(ShanghaiInstituteofAppliedPhysics,ChineseAcademyofSciences,ZhangjiangCampus,Shanghai201204,China)

*Correspondingauthor,E-mail:xuzhongmin@sinap.ac.cn

In this paper,the adaptive optics technology of bimorph mirror(BM) is introduced,and its application and further development in the field of synchrotron radiation are prospected.Based on the existing published literatures,this paper summarizes the adaptive optics technology of the BM,introduces the working mechanism and key parameters of the technology,and describes its application in internationally representative synchrotron radiation units,and points out the key technical issues involved and future trends.It is found that not only to solve the negative effect of so-called “junction effect” on the technology of BM,but also to produce sub-micrometer and even nanometer sized focal spots,both are the critical issues for the future development of the proposed BM technique.This adaptive optics technique is expected to be used in the phase II construction of the advanced third generation synchrotron radiation light source in China,i.e.,Shanghai Synchrotron Radiation Facility(SSRF).

adaptive optics;bimorph;slope error;synchrotron radiation

2017-06-11；

2017-08-13

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.11175243)

Supported by National Natural Science Foundation of China(No.11175243)

2095-1531(2017)06-0699-09

O434

A

10.3788/CO.20171006.0699