碳化硅扫描反射镜支撑结构设计

对尺寸为460 mm×290 mm的SiC扫描反射镜的轻量化和支撑结构的设计进行了研究。基于三角形和矩形的复合轻量化结构,采用镜体背部为开放和封闭相结合的形式,设计了一种新型的扫描反射镜组件。该组件采用侧面支撑方式和轴向柔性结构,有利于消除支撑结构材料热膨胀系数不匹配产生的热应力对镜面面形的影响。有限元方法分析结果表明：反射镜组件在1 g重力载荷和8℃温度变化作用下,反射镜镜面的面形误差RMS值分别为4.5 nm和20.3 nm。该反射镜轻量化形式和支撑结构满足光学成像要求,并可有效提高结构的稳定性,对于大尺寸反射镜组件的设计具有借鉴意义。     

轻质碳化硅反射镜抛光过程镜面变形影响的研究

轻量化的碳化硅反射镜有自己独特的结构特点,加工中的变形与传统实体反射镜不同,对加工后的面形结果有独特的影响。对一直径为318mm的轻量化碳化硅反射镜进行了传统的研磨抛光,由于镜面变形对抛光结果带来了很大的影响,其面形误差的RMS值在0.048λ(λ=0.6328μma)左右就不再收敛。对抛光状态的镜体进行了有限元分析,探讨了减轻镜面变形对抛光结果影响的方法。采用计算机控制小磨头对该反射镜进行了确定性抛光,有效地降低了镜面形变的影响,使面形满足了精度的要求。     

基于非线性优化方法的离轴非球面轮廓测量面形恢复技术

轮廓测量是非球面光学镜面的重要测量手段,然而在测量过程中由于测量坐标系与理论坐标系间存在偏离,测量结果中存在误差。本文分析了离轴非球面的测量坐标系与理论坐标系间的平移和偏转误差在面形结果中引入的测量误差形式,根据最小二乘原理建立优化函数,依照函数特性通过数值差分法快速求解梯度并利用非线性优化方法优化偏差,从而将该误差从测量结果中剔除。仿真分析表明这种方法能在镜面面形残差和测量系统的随机误差的影响下有效恢复镜面面形信息。利用该方法实际指导直径为570mm的离轴椭球面的加工,经过四个周期的测量-研磨过程使该镜面面形误差的PV值从34.80μm收敛至13.83μm,RMS从3.28μm收敛至1.89μm。为了进一步比较,对一块220mm×96mm矩形离轴椭球面测量,验证了该方法测量异形离轴镜面的适用性和通用性。     

相变致冷镜的有限元结构优化

 镜体的结构决定了相变致冷镜抑制腔镜在高能激光辐照下的热变形的效果。比较不同结构形式的相变致冷镜镜面热变形的有限元软件计算结果，并通过一阶非线性优化方法，得到较优的放射状结构：硅基基体外径80mm，厚度12.5mm，光斑直径40mm,吸收功率密度为79.58kW/m²，当其最优沟槽深度为99mm，宽度为0.4mm时，光照10s时镜面热变形达到最小值0.37μm。     

椭圆形平面镜的高精度面形重构技术

为了实现大口径椭圆形光学平面镜的高精度面形测量,提升大口径望远镜系统的像质,本文对椭圆形平面反射镜面形的绝对检测算法进行了研究。首先,对椭圆形镜面进行了多项式正交化拟合研究。接着,对绝对检测算法进行了理论研究,利用正交化绝对检测算法可以有效分离参考镜与待测镜的面形误差,从而实现待测椭圆形平面镜面的高精度面形重构。为了证明上述方法的实际检测精度,本文对250 mm×300 mm的椭圆形镜面进行了绝对检测模拟与检测实验。对参考镜面形精度不高的情况进行了仿真计算,实验中利用光阑在Zygo300 mm口径标准平面镜头中选取250 mm×300 mm椭圆形检测区域,采用150 mm口径Zygo干涉仪对上述椭圆形区域完成绝对检测,并基于上述正交化绝对检测算法对椭圆形平面镜实现了面形重构。实验结果表明,利用本文所述方法可以实现参考镜与椭圆形待测镜面的面形误差分离,绝对检测结果的残差图RMS(Root-mean square)值为0.29 nm,证明了本文所述方法的可行性。利用上述方法可以实现椭圆形平面反射镜的高精度面形重构。     

300mm平面标准镜装卡结构的关键参数

为了实现大口径平面标准镜的高精结构装卡,对其在重力作用下的面形变化进行了研究。首先,对结构胶的有限元建模进行了理论分析,建立了大口径平面标准镜胶结装卡结构有限元模型。然后,分析了不同胶点数量及分布、不同胶接面积以及不同镜框支撑方式等关键结构参数对参考面面形的影响。最后,设计了大口径平面标准镜胶结及支撑的结构。结果表明,采用胶点直径为5 mm,12×3胶点分布形式胶结时,参考面面形的PV值为24.06 nm,RMS值为6.78 nm,满足了大口径平面标准镜面形精度的要求。     

300mm平面标准镜装卡结构的关键参数

为了实现大口径平面标准镜的高精结构装卡,对其在重力作用下的面形变化进行了研究。首先,对结构胶的有限元建模进行了理论分析,建立了大口径平面标准镜胶结装卡结构有限元模型。然后,分析了不同胶点数量及分布、不同胶接面积以及不同镜框支撑方式等关键结构参数对参考面面形的影响。最后,设计了大口径平面标准镜胶结及支撑的结构。结果表明,采用胶点直径为5 mm,12×3胶点分布形式胶结时,参考面面形的PV值为24.06 nm,RMS值为6.78 nm,满足了大口径平面标准镜面形精度的要求。     

快反系统中平面反射镜的轻量化设计

根据快速控制反射镜系统(快反系统)对平面反射镜的设计要求,对快反镜的轻量化结构进行了优化设计。选择比刚度大、热变形系数小的碳化硅为镜坯材料,采用背部开槽式结构减重,背部3点式支撑,对不同筋宽和镜面厚度等多种轻量化方案进行了有限元分析。结果表明:筋宽越大,镜体刚度越好,但筋宽增大到一定程度时,反射镜刚度的改善程度减缓;镜面越厚,镜体内应力、自重变形越大。结合反射镜设计要求和有限元分析结果,加工制备了筋宽为4 mm,镜面厚度为4 mm的碳化硅反射镜,镜体轻量化率达55%。实测反射镜的面形精度,其RMS值不超过λ/30,与分析结果相符,满足系统的使用要求。     

大型矩形准直镜柔性支撑系统的多目标优化设计和稳定性分析

针对极大望远镜矩形准直镜设计了一种新型柔性支撑系统,即由6根空心圆柱杆为支撑主体的侧面支撑结构。利用多目标优化算法对柔性支撑系统的结构参数和位置参数进行优化设计,并对优化后的柔性支撑系统进行稳定性研究。优化后的准直镜柔性支撑系统在自重条件下镜面最大PV值为168.23 nm,RMS值为30.306 nm,质量为229.21 kg,满足设计要求。当环境温度变化范围在20 ℃～23.7 ℃内,不会对准直镜性能产生影响;此外,地面随机振动不会影响准直镜工作性能和破坏支撑结构。研究结果表明:准直镜柔性支撑机构的多目标优化设计全面考虑了准直镜柔性机构形状参数、机构安全可靠性和光学面形形变等多学科之间耦合问题,设计者可按需选择全局范围内最满意的最优解,这将大幅度降低开发成本和周期。     

多节点激光通信天线紧凑型摆镜组件设计

为了减小多节点激光通信天线的工作包络尺寸并提高二维摆镜的运动控制精度,提出了一种紧凑型摆镜组件。采用高体分铝基碳化硅(SiC/Al)支撑板与H-K9L反射镜直接黏接的方案,提高了摆镜面形的热稳定性,摆镜回转中心至镜面的距离被缩短至20mm。黏接面采用三点薄圆环的设计,在保证摆镜组件动态刚度的前提下有效降低了黏接应力对摆镜面形的影响。有限元分析结果表明,摆镜组件的基频为1319.96Hz,在(20±5)℃工作温度范围内,面形峰谷(PV)值优于λ/4(λ=632.8nm),面形均方根(RMS)值优于λ/22。使用ZYGO激光干涉仪对摆镜的面形进行检测,结果表明,在(20±5)℃温度范围内,摆镜面形的PV值优于λ/4,RMS值优于λ/29,满足激光通信天线RMS为λ/15的指标要求。     

分布式电极连续面型微变形反射镜力电耦合特性分析

 针对基于MEMS技术制造的连续面型薄膜微变形反射镜，从薄膜理论出发对其力电耦合变形特性进行理论分析，导出了镜面变形表达式。利用该式及响应频率表达式，定量分析了镜面相关尺寸参数对变形量的关系，为变形镜的结构设计提供了可靠的理论依据。结果表明，当镜面厚度为1 μm且与驱动电极间距20 μm时，对控制电压不超过120 V，响应频率大于50 kHz的应用场合，变形镜镜面半径应在2.1～13.8 mm之间进行选择。仿真结果显示，驱动电压较小时，镜面变形与驱动电压平方近似成线性关系。     

微楔形镜加工技术研究

微楔形镜的加工不能像平行平面元件那样,采用大块抛光,切片分割的办法。针对零件尺寸小、精度要求高的特点,研究了加工过程中的粘结上盘、面形精度控制和楔形角检测等技术,设计了吸附式粘结上盘和楔形角测量等专用装置,应用于尺寸为3×3×1mm(6°)的Nd∶YVO4(掺钕钒酸钇)晶体批量生产中,提高了零件的面形精度和加工可靠性。测试结果表明:面形精度优于λ/10(λ=632.8nm),表面光洁度达0/0级,楔形角合格率达98%以上。     

扫描式超高速摄影中转镜镜面变形量的几何补偿

利用三维有限元计算技术,分析了从三面体到八面体铝合金转镜镜面变形规律.发现以四面体为界,三面体转镜镜面变形为向内凹进,五面体及以上转镜镜面则向外凸出.在对镜面变形定量分析基础上,提出了镜面变形的几何补偿方法,即采用柱面代替平直镜面,使镜面变形后的位置趋近于平直.结果表明,对镜面尺寸17.32 mm,轴向长度32.5 mm的三面体铝合金转镜,在5×104 rpm下,镜面最高点偏离平直镜面的最大值为0.468 μm,是平直镜面的1/9,与相同结构尺寸的铍转镜镜面变形量处于相同量级.说明铝合金转镜采用几何补偿方法,可以在扫描式摄影系统中代替铍转镜.     

磁液变形镜的镜面动力学建模和实验验证

磁性液体是磁性纳米微粒分散在基液中形成的具有磁性又具有流动性的稳定胶体.磁性液体的流动性会随着周围磁场的变化而改变,基于磁性液体的变形镜的反射镜面通过液面下方驱动器阵列所产生的局部扰动磁场而变形.磁性液体变形镜与传统的变形镜相比,具有镜面连续平滑、变形行程大、制造成本低、易扩展等优点.本文以基于方形驱动器阵列的磁液变形镜为例,考虑磁性液体受重力场、电场、磁场多物理场耦合的作用,在笛卡尔坐标系中建立了磁液变形镜的动力学模型;然后基于推导出的理论模型,设计了磁液变形镜的结构和参数,并用MATLAB,COMSOL Multiphysics和Tracepro软件联合仿真了磁液变形镜镜面响应性能;最后搭建基于磁液变形镜原型样机的自适应光学系统,测试了磁液变形镜的镜面响应线性度和动力学特性,实验结果验证了所建模型的准确性和磁液变形镜面形控制性能.     

氧化锆陶瓷板激光切割熔化物颗粒形态研究

本文设计了一套加工装置,对氧化锆陶瓷板激光切割的熔化物颗粒进行收集,并采用Imagine-Pro Pluse(IPP)图像处理软件对熔化物颗粒的形态(数量、形状、平均直径、标准差及其分布情况)进行研究。通过气熔比控制方法,对板厚分别为0.8 mm、1 mm、1.5 mm、3 mm的氧化锆陶瓷板进行激光切割实验。实验结果表明:不同板厚参数下,球形熔化物颗粒所占百分比范围从99.21%降到89.81%,圆饼形从0.79%升至7.44%,哑铃形从0升至2.75%。随着板厚的增加,圆饼形和哑铃形颗粒所占百分比增大,球形颗粒所占百分比降低,球形颗粒平均直径和标准差随之增大,切面粗糙度由2.287μm增加到5.946μm。建立了熔化物去除几何模型,阐述了熔化物颗粒与切割质量的关系,球形颗粒所占的百分比越大,平均直径和标准差越小,切割质量越好,最终获得质量较高切割样件。     

同步辐射中双压电片反射镜的研究现状

反射镜是同步辐射光束线中应用广泛的光学元件之一,双压电片反射镜由于具有结构简单、面形能动以及自适应可调等优点,逐渐引起同步辐射界的重视.本文综述了同步辐射中双压电片反射镜的研究现状.主要讨论了双压电片反射镜的工作原理和研究概况,包括在几个大型同步辐射装置中的结构特点、制备技术及面形校正结果等;简要介绍了双压电片反射镜面形校正时所采用的反射波前探测技术和反馈控制算法;最后总结了其发展中存在的关键问题,并展望了其未来的发展方向.     

Fast-scanning two-photon fluorescence imaging based on a microelectromechanical systems two- dimensional scanning mirror

Towards overcoming the size limitations of conventional two-photon fluorescence microscopy, we introduce two-photon imaging based on microelectromechanical systems (MEMS) scanners. Single crystalline silicon scanning mirrors that are 0.75 mm x 0.75 mm in size and driven in two dimensions by microfabricated vertical comb electrostatic actuators can provide optical deflection angles through a range of approximately16 degrees . Using such scanners we demonstrated two-photon microscopy and microendoscopy with fast-axis acquisition rates up to 3.52 kHz.     

Numerical Simulation and Analysis on Deflection of Silicon Mirrors Irradiated by High Power Laser

ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｎＤｅｆｌｅｃｔｉｏｎｏｆＳｉｌｉｃｏｎＭｉｒｒｏｒｓＩｒｒａｄｉａｔｅｄｂｙＨｉｇｈＰｏｗｅｒＬａｓｅｒＸＩＡＪｉｎａｎ；ＣＨＥＮＧＺｕｈａｉ；ＱＩＵＪｕｎｌｉｎ（ＮａｔｉｏｎａｌＬａｂ...     

Wolter-I型聚焦镜热变形数值研究

为了给聚焦镜热控及支撑结构优化设计提供依据,对爱因斯坦探针项目中的后随X射线望远镜的镜片组进行了三维全尺寸建模与有限元分析.研究了轴向、径向两种温度梯度,以及有、无支撑结构对镜片组形变的影响,并对面形误差与温差范围的关系进行了探究.结果表明:对于无支撑结构,轴向温度梯度下面形误差与半径关系接近线性关系,径向温度梯度下则接近分段二次关系;支撑结构发生热变形时,会使镜片组产生与之对应的面形误差,令同相圆度误差转变为异相圆度误差,并使镜片组整体面型误差峰谷值增加32.25%~123.01%,均方根值增加4.13%~5.14%;对于有支撑结构,热致面形误差与温差成正比,温差每增加1℃,轴向温度梯度下,面形误差峰谷值与均方根值分别增加7.76μm、1.12μm,而对于径向温度梯度则分别增加9.67μm、1.60μm.聚焦镜片热致面形误差在一定情况下与镜片尺寸、温差成线性关系,并受到支撑结构变形的显著影响.     

Ronchi线条法检验大非球面镜的理论计算

由光线追迹和三级像差理论计算大抛物面的Ｒｏｎｃｈｉ弯线条。分析这两种理论计算方法的结果和偏差，其偏差值随镜子的口径增大而增加，用所计算的结果制作的Ｒｏｎｃｈｉ弯线条检验可移动式平行光管的φ７００ｍｍ口径的抛物面主镜。给出检验结果。