在压电器件中同时产生多种高应变的运动模式是高科技领域实现多功能性的迫切需要。然而，设计多自由度系统的传统方法是将多个多层压电堆栈粘合在一起，这通常会导致繁琐和复杂的结构。
据麦姆斯咨询报道，近日，西安交通大学和深圳大学的研究人员组成的团队在Nature Communications期刊上发表了题为“Designing transparent piezoelectric metasurfaces for adaptive optics”的论文，论文第一作者为西安交通大学2023届博士毕业生乔辽，通讯作者为西安交通大学高翔宇副教授、徐卓教授和李飞教授，参与本项工作的还包括深圳大学董蜀湘教授等。
这项研究提出了一种透明的压电超构表面（metasurface），通过对压电基元几何形状、序构方式、力学边界结构的多重构筑，突破了现有压电材料多自由度结构复杂、应变难以进一步提高的瓶颈，同时实现了六自由度的直线运动、旋转运动及多轴耦合运动，为多功能型压电驱动方式提供了新思路。基于上述压电超构表面设计，团队利用高性能透明压电单晶研制了具有自动对焦（AF）、光学图像防抖（OIS）一体化的微型自适应变焦透镜，为多功能一体化智能光学系统提供了设计方案。
压电超构表面（PM）是一种由周期性压电单元构成的二维压电材料，通过施加电场可产生多种运动模式。为了阐明压电超构表面的设计，图1a显示了压电超构表面的基本元素，主要包括基本压电单元和变形，其中压电材料被选作单元，并通过设计的中心向外扩展方法排列在X-Y平面上以构造压电超构表面。通过施加交流（AC）电压，压电超构表面的特定区域可产生横向拉伸变形或轴向弯曲变形（图1a）。基于压电单元之间的协同应变效应，压电超构表面可以沿着特定方向产生大幅增强的变形，从而实现所需的运动模式。
图1 设计压电超构表面以产生所需的运动模式
压电超构表面所需运动模式的输出性能涉及三个因素：压电材料的固有属性、边界结构和几何尺寸。压电超构表面的直线运动和旋转运动分别对应于压电应变（ε1、ε2和ε3）和旋转角度（α、β和γ）。研究人员从以上三个方面对压电超构表面的输出性能进行优化，如图2所示。其插图显示了压电超构表面的直线运动和旋转运动的模拟变形。接着，研究团队对模拟结果进行了相应的实验验证。
图2 通过有限元（FEM）模拟获得的所需运动模式的输出性能与压电超构表面的边界结构和几何尺寸的函数关系
为了展示所提出的压电超构表面在实际应用中的优势，研究团队设计了一种基于压电超构表面的具有对焦和光学防抖功能的自适应透镜（ALENS）。由于具有高应变的直线运动、旋转运动和耦合运动，压电超构表面有望成为要求结构紧凑和功能集成的自适应光学系统的候选者。传统的自适应透镜通常需要多个执行器来实现AF和OIS功能。这里，仅使用一个压电超构表面即可实现AF和OIS功能。图3描绘了基于压电超构表面的自适应透镜示意图及其结构，其中压电超构表面由十个具有超高压电特性的透明PIMNT单晶单元构成。
图3 基于压电超构表面的自适应透镜示意图及其结构
图4 基于压电超构表面的自适应透镜以及相应的振动响应实验
图4显示了基于压电超构表面的自适应透镜的模拟变形、光的传播、振动振幅和相应的致动特性（焦距、致动位移和旋转角度）。输出性能作为频率和电场的函数进行测量。所有所需的运动模式都可在1 Hz至400 Hz的宽频范围内产生稳定、可控和可重复的输出位移 ，并且位移随着电场从120 V/mm至1600 V/mm的增加而线性增加 。此外，在耐久性测试中，基于压电超构表面的自适应透镜的输出位移在14400次振动循环中几乎保持不变，表明其具有长期鲁棒性、高可靠性和良好的稳定性。
为了进行功能验证测试，团队对光学系统的基于压电超构表面的自适应透镜的光线追迹、点列图（spot diagram）和光斑运动变化进行了研究（图5）。这里，研究人员演示了五个具有代表性的功能，包括焦距调整（沿Z线性运动）、俯仰（绕x轴旋转运动）、翻滚（绕z轴旋转运动）、焦距调整与俯仰的耦合模式、焦距调整与翻滚的耦合模式。结果表明，基于压电超构表面的自适应透镜可以应用于光学系统的AF和OIS功能以及多功能自适应透镜的微型化。
图5 基于压电超构表面的自适应透镜的功能验证测试
综上所述，受超构材料（metamaterial）设计的启发，本研究提出了一种可同时实现各种高应变运动模式的压电超构表面。在这项工作中，研究团队制造了一种由十个PIMNT单晶单元构成的压电超构表面，它可以在较宽的频率范围内（从1 Hz到400 Hz）同时实现高压电应变（ε3 = 0.76%）和所需的运动模式（沿X、Y和Z轴的线性运动，绕X、Y和Z轴的旋转运动以及耦合模式）。基于这种压电超构表面，研究人员设计了一款同时具备AF和OIS功能的自适应透镜。由于压电超构表面具有各种高应变的运动模式，基于压电超构表面的自适应透镜可以实现较宽的焦距范围（35.82 cm至∞），并能在相对较大位移（即沿Y轴5.05 μm）和倾斜角（即绕Y轴44.02'）的情况下实现有效的图像稳定。这些特性表明，本研究所提出的压电超构表面有望促进工业中先进压电器件的设计。
本研究获得了国家自然科学基金项目（No. 52352505、52172129、52002312）、陕西省科协青年人才托举计划项目（No. 20230419）和陕西省自然科学基金项目（No. 2021GXLH-Z-025）的资助和支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-45088-3
《光学和射频应用的超构材料-2022版》
《光学和射频领域的超构材料和超构表面-2022版》
《机器人传感器技术及市场-2022版》
