Ultrahigh focal sensitivity in a relaxor ferroelectric crystal-based piezoelectric adaptive lens

材料科学 压电 铁电性 执行机构 陶瓷 聚二甲基硅氧烷 电介质 焦距 稳健性(进化) 镜头(地质) 响应时间 光电子学 复合材料 光学 计算机科学 物理 计算机图形学(图像) 基因 人工智能 生物化学 化学
作者
Liao Qiao,Xiangyu Gao,Haonan Jin,Benjian Xin,Jinfeng Liu,Huaibin Zheng,Shuxiang Dong,Zhuo Xu,Fei Li
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:121 (8) 被引量:3
标识
DOI:10.1063/5.0102527
摘要

Traditional piezoelectric adaptive lenses (ALENS) are fabricated by piezoceramics with transparent liquids as the filling media. However, it is challenging to achieve high focal sensitivity and long-time robustness because of the low piezoelectricity of ceramics as well as the evaporation and leakage of the liquids. To overcome the above-mentioned issues, we design a piezoelectric lens based on a radial extension-arching mode by using polydimethylsiloxane films and Pb(In1/2Nb1/2)O3–Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–PbTiO3 (PIMNT) relaxor ferroelectric single crystals to replace the transparent liquids and Pb(Zr, Ti)O3 (PZT) ceramics, respectively. Due to the ultrahigh piezoelectric properties (d33 ∼ 1500 pC N−1 and d31 ∼ 730 pC N−1) of the PIMNT crystals and the optimized radial extension-arching structure, an ultrahigh focal sensitivity (8.5 cm V−1 and a fast response time (∼102 μs) is achieved, outperforming conventional ALENS based on piezoceramic actuators (∼103 μs and ∼10−1 cm V−1) and dielectric elastomer actuators (∼105 μs and ∼10−2 cm V−1). The largest output displacement of our designed ALENS is up to 53.6 μm at 4.2 kHz under 80 Vpp, and its focus is in the range of 57.44 cm to ∞. Furthermore, its performance remains unchanged after 4 × 107 vibration cycles, indicating its long-time robustness. This work sheds light on the design of advanced adaptive optical systems, where an ultrahigh focal sensitivity and a fast response are required.

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