在壓電器件中同時產(chǎn)生多種高應變的運動模式是高科技領域?qū)崿F(xiàn)多功能性的迫切需要。然而，設計多自由度系統(tǒng)的傳統(tǒng)方法是將多個多層壓電堆棧粘合在一起，這通常會導致繁瑣和復雜的結構。
據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，西安交通大學和深圳大學的研究人員組成的團隊在Nature Communications期刊上發(fā)表了題為“Designing transparent piezoelectric metasurfaces for adaptive optics”的論文，論文第一作者為西安交通大學2023屆博士畢業(yè)生喬遼，通訊作者為西安交通大學高翔宇副教授、徐卓教授和李飛教授，參與本項工作的還包括深圳大學董蜀湘教授等。
這項研究提出了一種透明的壓電超構表面（metasurface），通過對壓電基元幾何形狀、序構方式、力學邊界結構的多重構筑，突破了現(xiàn)有壓電材料多自由度結構復雜、應變難以進一步提高的瓶頸，同時實現(xiàn)了六自由度的直線運動、旋轉運動及多軸耦合運動，為多功能型壓電驅(qū)動方式提供了新思路?；谏鲜鰤弘姵瑯嫳砻嬖O計，團隊利用高性能透明壓電單晶研制了具有自動對焦（AF）、光學圖像防抖（OIS）一體化的微型自適應變焦透鏡，為多功能一體化智能光學系統(tǒng)提供了設計方案。
壓電超構表面（PM）是一種由周期性壓電單元構成的二維壓電材料，通過施加電場可產(chǎn)生多種運動模式。為了闡明壓電超構表面的設計，圖1a顯示了壓電超構表面的基本元素，主要包括基本壓電單元和變形，其中壓電材料被選作單元，并通過設計的中心向外擴展方法排列在X-Y平面上以構造壓電超構表面。通過施加交流（AC）電壓，壓電超構表面的特定區(qū)域可產(chǎn)生橫向拉伸變形或軸向彎曲變形（圖1a）?；趬弘妴卧g的協(xié)同應變效應，壓電超構表面可以沿著特定方向產(chǎn)生大幅增強的變形，從而實現(xiàn)所需的運動模式。
圖1 設計壓電超構表面以產(chǎn)生所需的運動模式
壓電超構表面所需運動模式的輸出性能涉及三個因素：壓電材料的固有屬性、邊界結構和幾何尺寸。壓電超構表面的直線運動和旋轉運動分別對應于壓電應變（ε1、ε2和ε3）和旋轉角度（α、β和γ）。研究人員從以上三個方面對壓電超構表面的輸出性能進行優(yōu)化，如圖2所示。其插圖顯示了壓電超構表面的直線運動和旋轉運動的模擬變形。接著，研究團隊對模擬結果進行了相應的實驗驗證。
圖2 通過有限元（FEM）模擬獲得的所需運動模式的輸出性能與壓電超構表面的邊界結構和幾何尺寸的函數(shù)關系
為了展示所提出的壓電超構表面在實際應用中的優(yōu)勢，研究團隊設計了一種基于壓電超構表面的具有對焦和光學防抖功能的自適應透鏡（ALENS）。由于具有高應變的直線運動、旋轉運動和耦合運動，壓電超構表面有望成為要求結構緊湊和功能集成的自適應光學系統(tǒng)的候選者。傳統(tǒng)的自適應透鏡通常需要多個執(zhí)行器來實現(xiàn)AF和OIS功能。這里，僅使用一個壓電超構表面即可實現(xiàn)AF和OIS功能。圖3描繪了基于壓電超構表面的自適應透鏡示意圖及其結構，其中壓電超構表面由十個具有超高壓電特性的透明PIMNT單晶單元構成。
圖3 基于壓電超構表面的自適應透鏡示意圖及其結構
圖4 基于壓電超構表面的自適應透鏡以及相應的振動響應實驗
圖4顯示了基于壓電超構表面的自適應透鏡的模擬變形、光的傳播、振動振幅和相應的致動特性（焦距、致動位移和旋轉角度）。輸出性能作為頻率和電場的函數(shù)進行測量。所有所需的運動模式都可在1 Hz至400 ?Hz的寬頻范圍內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定、可控和可重復的輸出位移?，并且位移隨著電場從120 V/mm至1600? V/mm的增加而線性增加?。此外，在耐久性測試中，基于壓電超構表面的自適應透鏡的輸出位移在14400次振動循環(huán)中幾乎保持不變，表明其具有長期魯棒性、高可靠性和良好的穩(wěn)定性。
為了進行功能驗證測試，團隊對光學系統(tǒng)的基于壓電超構表面的自適應透鏡的光線追跡、點列圖（spot diagram）和光斑運動變化進行了研究（圖5）。這里，研究人員演示了五個具有代表性的功能，包括焦距調(diào)整（沿Z線性運動）、俯仰（繞x軸旋轉運動）、翻滾（繞z軸旋轉運動）、焦距調(diào)整與俯仰的耦合模式、焦距調(diào)整與翻滾的耦合模式。結果表明，基于壓電超構表面的自適應透鏡可以應用于光學系統(tǒng)的AF和OIS功能以及多功能自適應透鏡的微型化。
圖5 基于壓電超構表面的自適應透鏡的功能驗證測試
綜上所述，受超構材料（metamaterial）設計的啟發(fā)，本研究提出了一種可同時實現(xiàn)各種高應變運動模式的壓電超構表面。在這項工作中，研究團隊制造了一種由十個PIMNT單晶單元構成的壓電超構表面，它可以在較寬的頻率范圍內(nèi)（從1 Hz到400 Hz）同時實現(xiàn)高壓電應變（ε3 = 0.76%）和所需的運動模式（沿X、Y和Z軸的線性運動，繞X、Y和Z軸的旋轉運動以及耦合模式）。基于這種壓電超構表面，研究人員設計了一款同時具備AF和OIS功能的自適應透鏡。由于壓電超構表面具有各種高應變的運動模式，基于壓電超構表面的自適應透鏡可以實現(xiàn)較寬的焦距范圍（35.82? cm至∞），并能在相對較大位移（即沿Y軸5.05? μm）和傾斜角（即繞Y軸44.02'）的情況下實現(xiàn)有效的圖像穩(wěn)定。這些特性表明，本研究所提出的壓電超構表面有望促進工業(yè)中先進壓電器件的設計。
本研究獲得了國家自然科學基金項目（No. 52352505、52172129、52002312）、陜西省科協(xié)青年人才托舉計劃項目（No. 20230419）和陜西省自然科學基金項目（No. 2021GXLH-Z-025）的資助和支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-45088-3
《光學和射頻應用的超構材料-2022版》
《光學和射頻領域的超構材料和超構表面-2022版》
《機器人傳感器技術及市場-2022版》
