基于介电弹性体的激光指向控制系统，适用于紫外到近红外波段的激光器

《Optics & Laser Technology》：Dielectric elastomer-based laser pointing control system for UV to NIR laser

基于介电弹性体的高精度激光平行偏移方法及其在长距离传输中的应用。

　　激光定位是三维（3D）打印中的关键技术之一，能够显著提升打印结构的精度。在传统的XY平面中，通常使用高精度的摆动扫描仪（Galvanometer scanner）配合对反射镜旋转运动的细致调节来实现激光定位。近年来，随着高速可变聚焦光学元件和增强型自适应光学技术的发展，扫描速度已经可以达到kHz级别。然而，大多数现有方法仍基于角度扫描，这可能导致入射光束与输出光束之间存在角度差异，从而影响位置精度，尤其是在远距离传输的情况下。为此，研究者提出了一种利用新型智能材料——介电弹性体（Dielectric Elastomer, DE）实现的高透光率平行板结构，能够在不改变光束方向的前提下，实现光斑在数微米到数十微米范围内的平行位移。通过多层结构的设计，该技术有望在远距离激光定位中发挥重要作用。

### 激光定位技术的重要性与挑战

激光定位在3D打印中的作用不可忽视，它直接决定了打印结构的几何精度。传统方法中，摆动扫描仪通过调节反射镜的旋转角度，实现对光束方向的控制。然而，这种角度扫描方式在远距离传输时容易引入角度偏差，进而影响定位精度。此外，摆动扫描仪在高精度控制方面也受到机械结构的限制，例如传统螺杆和齿轮的误差，会限制最小可实现的扫描角度步长。这些因素在需要高精度和远距离激光传输的应用场景中显得尤为突出。

相比之下，基于角度的控制方式虽然能够实现广泛的扫描范围，但其精度在长距离情况下会显著下降。而传统的机械执行器通常通过调整刚性机械单元来实现运动，但这种刚性结构在某些高精度需求场景中存在局限。因此，研究者们开始探索新的技术路径，以克服这些挑战。

### 介电弹性体（DE）材料的特性与优势

介电弹性体是一种具有高能量密度和优异变形能力的新型智能材料，其特性使其在光束控制领域展现出巨大的潜力。DE材料在施加高电压后能够发生形变，这种形变是通过材料内部电场产生的电荷积累所驱动的。具体而言，当电场施加在DE材料的两个表面时，正负电荷分别聚集在材料的上表面和下表面，从而在材料的垂直方向上产生电场应力。这种应力主要来源于Maxwell应力，它是材料变形的主要驱动力。

DE材料的一个显著优势在于其能够在不改变光束入射角的情况下，实现光束的平行位移。这种特性使得它在需要高精度定位的应用中具有独特的价值。例如，在远距离传输过程中，传统的角度扫描方法会导致光束方向的变化，从而影响定位精度。而DE材料的平行位移特性则避免了这一问题，因此在高精度激光定位领域具有广阔的应用前景。

此外，DE材料在不同波长范围内均表现出良好的透光性能。在本研究中，所使用的DE平行板在紫外（UV）至近红外（NIR）波段均具有高透明度，这使得它能够适用于多种激光光源。例如，405 nm、635 nm和850 nm的激光在穿过DE材料后，其光斑位置可以发生平行位移，而不会产生方向上的偏移。这一特性在某些对光束方向要求极高的应用场景中尤为重要，如高精度3D打印、激光切割、激光钻孔等。

### DE平行板的原理与实现方式

DE材料的变形特性基于其在电场作用下的厚度和面积变化。当DE材料被夹在两个电极之间时，其厚度和面积的变化可以通过调整施加的电压来实现。通过这种方式，DE材料能够对激光光束产生平行位移，而不会改变光束的方向。光束的平行位移量与材料的厚度变化、电极的面积和激光的入射角度有关。

在本研究中，DE平行板被设计为两种类型：一种是具有圆形电极的结构，另一种是具有环形电极的结构。圆形电极的结构使得光束在穿过DE材料时，其光斑位置可以发生一定程度的偏移。而环形电极的结构则能够通过材料的不同区域的形变，实现更大的光斑位移。在实验中，研究人员发现，通过增加DE材料的层数，可以进一步提高光斑的位移范围。例如，使用两层DE材料的平行板，其光斑位移量可达单层结构的两倍。

值得注意的是，尽管DE材料的变形能力较强，但在实际应用中仍存在一些限制。例如，DE材料的变形过程通常伴随着电荷的积累，因此需要精确控制电压的施加以避免电击穿。此外，DE材料的响应时间较长，尤其是在高电压驱动下，其形变过程可能需要数秒时间才能完成。为了提高响应速度和稳定性，研究者提出了一些优化方案，如采用动态电压控制方法，通过逐步增加和减少电压来缩短响应时间。

### 实验设计与结果分析

为了验证DE平行板在激光定位中的有效性，研究人员设计了一套实验系统。该系统包括多个激光光源（405 nm、635 nm和850 nm）、高电压电源、以及用于测量光斑位移的CMOS相机。实验中，DE平行板被安装在一个3 mm厚的亚克力板上，并通过一个高精度的电压控制系统进行驱动。

在实验过程中，研究人员发现，DE平行板在不同电压下的位移量存在显著差异。例如，在1.2 kV至3.3 kV的电压范围内，光斑位移量可以从数微米增加到数十微米。同时，实验结果表明，DE材料的位移量与激光的波长有关，不同波长的激光在穿过DE材料时会产生不同的位移效果。此外，实验还发现，DE材料的位移与电极的面积和形状密切相关，较大的电极面积能够带来更显著的位移效果，但同时也可能增加响应时间。

为了提高测量精度，研究人员对实验数据进行了多项处理。例如，通过滤波和平滑技术，消除了激光漂移对实验结果的影响。此外，为了减少人为误差，实验过程中对DE材料的安装和电极的涂覆进行了多次优化。最终，实验结果表明，DE平行板能够实现稳定的激光光斑位移，并且其位移量与施加的电压之间存在良好的线性关系。

### 应用前景与技术改进方向

DE材料在激光定位中的应用前景广阔，尤其是在需要高精度和远距离传输的场景中。与传统的角度扫描方法相比，DE平行板能够实现光束的平行位移，而不改变其方向，这使得它在远距离激光传输中具有更高的定位精度。此外，DE材料的变形能力可以通过调整电极的面积和形状来进一步优化，从而实现更大的位移范围。

然而，目前的DE材料仍存在一些局限性。例如，其显著的粘弹性特性可能导致在施加电压后，形变过程需要较长的时间，这在某些需要快速响应的应用中可能成为瓶颈。此外，DE材料的均匀性问题也可能影响其性能，尤其是在高电压驱动下，材料的局部变形可能产生不一致的位移效果。

为了解决这些问题，研究人员提出了一些改进方案。例如，采用动态电压控制方法，通过逐步增加和减少电压来缩短响应时间。此外，使用硅橡胶（PDMS）等低机械损耗的材料，能够提高DE材料的响应速度，并且通过旋涂和热固化等工艺，可以实现更精确的薄膜厚度控制。这些改进措施有助于进一步提升DE材料在激光定位中的性能，使其更适用于高精度和高速度的应用场景。

### 结论与展望

本研究提出了一种基于介电弹性体（DE）材料的高精度激光定位方法，通过DE平行板实现光束的平行位移，而不改变其方向。这种技术在远距离激光传输中具有显著优势，能够克服传统角度扫描方法在精度和响应速度方面的不足。实验结果表明，DE材料在紫外至近红外波段均表现出良好的透光性，其位移量与施加的电压和电极面积密切相关。通过增加DE材料的层数，可以进一步扩大位移范围，从而满足不同应用场景的需求。

尽管目前的DE材料在激光定位中展现出良好的性能，但仍需进一步优化其机械特性和电极设计。例如，采用更先进的电极图案化技术，如垫印（pad printing）方法，可以提高电极的均匀性和精确度，从而减少局部变形带来的误差。此外，通过引入具有高介电常数的填充材料或高度极化的分子结构，可以降低驱动电压，提高系统的整体效率。

未来，随着DE材料技术的不断进步，其在激光定位领域的应用将更加广泛。不仅限于3D打印，DE材料还可以用于其他需要高精度激光控制的场景，如精密光学测量、激光加工和光通信等。通过结合DE材料的变形特性和传统激光扫描技术，有望开发出一种全新的激光定位系统，实现从粗调到精调的无缝过渡，从而进一步提升激光应用的精度和效率。