电压放大器在压电变形镜中的应用

压电变形镜是一种利用压电陶瓷材料的逆压电效应实现镜面形变的光学元件，广泛应用于自适应光学系统、精密测量和光束控制等领域。电压放大器作为压电变形镜的关键驱动设备，能够将低电压信号放大到高电压水平，驱动压电陶瓷产生所需的形变。本文将探讨电压放大器在压电变形镜中的应用及其技术进展。

一、电压放大器在压电变形镜中的作用

图：电压放大器在单电极横向压电变形镜中的应用

（一）提供高电压驱动信号

压电变形镜的驱动需要高电压信号来实现镜面的精确形变。电压放大器能够将信号发生器输出的低电压信号放大到压电陶瓷所需的高电压水平。例如，ATA-2161高压放大器输出电压高达1600Vpp，输出电流达40mA，带宽（-3dB）达到DC-150kHz，完全满足压电变形镜对高电压、高带宽的需求。

（二）精确控制镜面形变

电压放大器的输出信号精度直接影响压电变形镜的形变精度。通过精确控制输出电压的幅值和频率，可以实现对镜面形变的精确控制。例如，在自适应光学系统中，电压放大器需要在大电容负载情况下，输出电压要高，带宽要宽，噪声、纹波和漂移要小。这为自适应光学系统的发展提供了技术保障。

（三）支持高频响应

压电变形镜在高频工作时需要快速响应，以实现动态波前校正。电压放大器的高频响应能力能够满足这一需求。电压放大器可以实现120V输出，驱动0.33μF容性负载时-3dB带宽达到5000Hz，输出响应时间≤100μs，这使得压电变形镜能够快速响应大气湍流造成的波前误差，提高成像质量。

二、应用实例

（一）自适应光学系统

在大型地基望远镜的自适应光学系统中，压电变形镜用于校正大气湍流造成的波前误差。电压放大器为压电变形镜提供高精度、大功率的驱动信号，确保镜面能够快速、准确地响应波前变化。例如，针对千单元级压电变形镜的高压高速驱动问题，设计了高性能压电陶瓷电压放大器，其采用基于高速低压运算放大器和分立功率器件构成两级放大结构，实现压电陶瓷的高精度大功率驱动。

（二）单电极横向压电变形镜

在单电极横向压电变形镜的实验中，电压放大器用于放大信号发生器的输出信号，驱动变形镜运动。

（三）压电薄膜变形镜

在压电薄膜变形镜的加工及闭环实验中，电压放大器用于驱动压电薄膜变形镜，实现镜面的精确形变。实验中，对64个驱动单元施加100V电压，获得各驱动单元的响应函数，响应函数的一致性较好。这表明电压放大器能够有效地驱动压电薄膜变形镜，实现高精度的波前校正。

图：ATA-2161高压放大器指标参数

三、技术进展

（一）无传感器反馈控制方法

针对压电变形镜的精密控制挑战，研究团队基于压电自感知原理建立了局部闭环控制方法。这种方法通过参考电容器与压电驱动器串联，实现对电路中流动电荷的直接访问，从而实现对压电驱动器应变的直接感知。这种无传感器反馈控制方法不仅简化了光学系统，还提高了动态波前校正性能。

（二）集成结构与制备工艺

研究团队提出了一种单晶压电变形镜的集成结构与无传感器反馈控制方案。该设计集成了焊盘阵列作为电气接口，通过丝网印刷技术将铜箔驱动电极与压电陶瓷片连接，实现了电极制备、电气布线和电气连接的同步完成。这种集成结构显著简化了生产过程，提高了生产效率。

图：ATA-2000系列高压放大器指标参数

电压放大器在压电变形镜中的应用至关重要，它不仅能够提供高电压驱动信号，还能精确控制镜面形变，支持高频响应。在自适应光学系统、单电极横向压电变形镜和压电薄膜变形镜等应用中，电压放大器为压电变形镜的高效运行提供了有力支持。随着技术的不断进步，电压放大器的性能将进一步提升，为压电变形镜在更多领域的应用提供更广阔的空间。

审核编辑 黄宇