壓電變形鏡是一種利用壓電陶瓷材料的逆壓電效應實現鏡面形變的光學元件，廣泛應用于自適應光學系統、精密測量和光束控制等領域。電壓放大器作為壓電變形鏡的關鍵驅動設備，能夠將低電壓信號放大到高電壓水平，驅動壓電陶瓷產生所需的形變。本文將探討電壓放大器在壓電變形鏡中的應用及其技術進展。

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用

（一）提供高電壓驅動信號

壓電變形鏡的驅動需要高電壓信號來實現鏡面的精確形變。電壓放大器能夠將信號發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1600Vpp，輸出電流達40mA，帶寬（-3dB）達到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，可以實現對鏡面形變的精確控制。例如，在自適應光學系統中，電壓放大器需要在大電容負載情況下，輸出電壓要高，帶寬要寬，噪聲、紋波和漂移要小。這為自適應光學系統的發展提供了技術保障。

（三）支持高頻響應

壓電變形鏡在高頻工作時需要快速響應，以實現動態波前校正。電壓放大器的高頻響應能力能夠滿足這一需求。電壓放大器可以實現120V輸出，驅動0.33μF容性負載時-3dB帶寬達到5000Hz，輸出響應時間≤100μs，這使得壓電變形鏡能夠快速響應大氣湍流造成的波前誤差，提高成像質量。

二、應用實例

（一）自適應光學系統

在大型地基望遠鏡的自適應光學系統中，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、大功率的驅動信號，確保鏡面能夠快速、準確地響應波前變化。例如，針對千單元級壓電變形鏡的高壓高速驅動問題，設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成兩級放大結構，實現壓電陶瓷的高精度大功率驅動。

（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生器的輸出信號，驅動變形鏡運動。

（三）壓電薄膜變形鏡

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

圖：ATA-2161高壓放大器指標參數

三、技術進展

（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，研究團隊基于壓電自感知原理建立了局部閉環控制方法。這種方法通過參考電容器與壓電驅動器串聯，實現對電路中流動電荷的直接訪問，從而實現對壓電驅動器應變的直接感知。這種無傳感器反饋控制方法不僅簡化了光學系統，還提高了動態波前校正性能。

（二）集成結構與制備工藝

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

圖：ATA-2000系列高壓放大器指標參數

電壓放大器在壓電變形鏡中的應用至關重要，它不僅能夠提供高電壓驅動信號，還能精確控制鏡面形變，支持高頻響應。在自適應光學系統、單電極橫向壓電變形鏡和壓電薄膜變形鏡等應用中，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域的應用提供更廣闊的空間。

審核編輯 黃宇