上海微系统所在MEMS微镜热变形原位表征方面取得进展

工作简介

近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所传感器技术全国重点实验室在真空下高功率激光诱导MEMS微镜的镜面热变形原位表征研究取得重要进展。本研究建立了真空兼容的面型测试系统，创新性提出了一种绝对面型测量方法，揭示了不同初始面型MEMS微镜在0.5-5W激光下的变形机制，为卫星自由空间光通信优化提供关键支撑。相关成果以“In-situ Characterization of High-power laser-induced thermal deformation of MEMS micromirrors in vacuum”为题发表于SCI学术期刊《Optics Express》，论文的第一作者为硕士研究生赵红枫，通信作者为王栎皓助理研究员和武震宇研究员。

研究背景

随着卫星互联网时代的到来，自由空间光通信因其大容量、高速率、低功耗等优势成为新一代通信技术焦点。MEMS微镜作为光束精准指向的“方向盘”，其面型精度直接影响通信质量。然而在真空环境中，由于缺乏空气对流散热，微镜在激光照射下产生显著温升，因材料热膨胀系数不匹配导致热变形，造成光束波前误差和准直偏差，严重时可影响通信链路稳定性。MEMS镜面具有高径厚比（>20:1）的结构特点，虽然实现了轻量化和高频响应，却也使其成为热管理的薄弱环节。针对此问题，本文系统研究了高功率激光照射下大口径MEMS镜面的热变形机制并分析其机理。

研究亮点

本研究搭建了一套真空兼容的光学测试平台(图1)，使用1550 nm光纤激光器，功率范围0.5–5 W，配合激光干涉仪和红外热像仪，实现了对镜面面型与温度变化的同步测量。

图1 测试平台：(a) 热变形测试平台示意图；(b) 测试平台实物图。

为解决真空窗口引入的系统误差，创新性提出了一种绝对面型测量方法，首次获得真空中面型的真实数据，误差控制在3 nm以内(图2)，验证了此测量方法的可行性。

图2 (a) 初始面型；(b) 真空腔内面型；(c) 绝对面型；(d) 初始面型与绝对面型对比。

为了系统研究激光功率不同和初始面型不同时温度和面型的变化机制，本文选取了向下凹、向上凸和平坦三种初始面型不同的样品作为实验对象，表征了镜面面型PV值和RMS值的变化机制。其中A类样品由于初始面型与激光诱导热变形的补偿作用，面型向更好的方向发展，面型RMS值减小10 nm。在5 W激光照射下，镜面最高温度约80°C(图3.d)，面型PV值最大变化约66.4 nm，面型RMS值最大变化10 nm。通过与仿真结果相互验证(图3.c)，验证了实验数据和仿真模型的准确性。

图3 (a) 面型随激光照射时间的关系曲线；(b) 不同条件下的zernike系数；(c) 仿真与实验温度随激光照射时间的变化曲线；(d) 5W激光功率下镜面的温度分布。

为研究热变形的机理，验证激光照射是否会对镜面产生破坏性影响。首先对比了激光照射前后的zernike系数，停止激光照射后，zernike系数基本恢复至初始数值(图3.b)。其次，测量了激光照射前后样品的反射率与粗糙度(图4)，粗糙度基本保持恒定，反射率也基本不变(测试误差0.3%)。证明了热变形的可逆性，说明热变形是由于温升导致材料CTE不匹配产生。

图4 (a) 激光照射前后反射率差值；(b) 反射率测试误差；(c)-(d) 激光照射前后粗糙度测量值。

总结与展望

本研究建立了可靠的测试方法与平台，系统揭示了真空中MEMS微镜的镜面在高功率激光照射下的热变形机制，并研究了热变形的机理，为未来空间光通信中快反镜的选型与设计提供了重要参考。未来，研究团队计划采用更高反射率的镜面涂层替代传统金属涂层，以进一步降低激光吸收率，提升MEMS镜面在高功率环境下的稳定性。此外，还将研究多次激光照射对膜层疲劳性能的影响，为长寿命空间载荷提供技术支撑。

原文链接：

https://doi.org/10.1364/OE.565600