同步辐射压弯镜重力补偿方法

介绍了同步辐射压弯镜重力引起的面型斜率误差及评价标准。根据梁的弯曲理论,提出了力矩加多点力补偿重力的方法,以上海光源XAFS光束线(BL14W)中的压弯镜为例,计算出力矩加两点力、力矩加三点和力矩加四点力补偿的最小斜率均方根误差分别为0.092,0.041,0.022 μrad。补偿结果的对比表明,当镜子两端有力矩补偿时,各补偿力相应减小,力矩加两点力、力矩加三点力和力矩加四点力补偿的面型斜率误差分别为没有力矩补偿时的52%,61%,68%。力矩加多点力补偿重力的方法明显优于多点力补偿重力的方法。     

等截面反射镜椭圆压弯机构变像距压弯

针对新设计的等截面反射镜椭圆压弯机构在固定物距(即反射镜在光路中位置不变)的情况下,研究了实现大范围像距调整(即样品位置发生改变)时镜面面形误差等问题。通过理论分析并借助有限元分析软件计算等截面平面镜压弯至不同(反射点处像距不同)椭圆柱面时的理论斜率误差,最后对椭圆压弯机构样机进行了实际压弯测试。实验结果与计算分析均表明:保持物距、掠入射角不变,压弯镜面与理想椭圆柱面之间的斜率误差会随着像距的减小而增大,并且像距越小,镜面斜率误差的增加速度越大。实验测得在反射镜面初始斜率误差为0.397μrad的情况下,全部像距范围(21.5～3.8 m)内压弯镜面的实际斜率误差在0.402～0.560μrad之间,重复精度为0.051μrad,均满足上海光源光束线的设计要求。本文研究证明了使用等截面反射镜压弯机构进行椭圆柱面压弯可以实现聚焦镜工作像距在大范围内的连续调节。     

3维均匀场电极的自动设计

基于标准ACIS模型数据,利用Inventor VBA语言和B样条曲线对脉冲气体激光器中Ernst面型曲线进行逼近,并采用线性扩展法对Ernst面型电极实现了3维实体建模设计,设计结果可以直接导入An-sys进行3维电场有限元计算分析。通过对比不同坐标点数的Ernst曲线的误差情况,明确了导致电极边缘面型误差的原因,对于B样条逼近Ernst曲线上曲率较大的部分进行了局部密集采样,在提高模型文件中曲面面型精度的同时平衡了计算的速度,并对设计结果进行了Ansys有限元计算和初步分析。     

扫描镜动态面形变化和模态分析

为了分析某热像仪帧扫描镜在工作状态下的面形变化和产生2000Hz共振的原因，并提供改进设计依据,根据帧扫描镜运动曲线计算了帧扫描镜的扫描角速度和角加速度，用有限元分析软件I DEAS计算了扫描镜在扫描、加速、减速过程中面型的变化和前10阶固有模态，分析了扫描镜在试验中产生2000Hz共振的原因，并对扫描镜结构进行了改进，重新计算了面型变化和前10阶模态，试验证明消除了共振现象。最后提出了扫描镜设计时应注意动态下的面型变化是否满足要求，以及固有模态要避开驱动力矩中的干扰频率等要点。     

激光跟踪测量系统中的光学误差分析

论述了在激光跟踪测量系统中由跟踪转镜机构和猫眼逆反射器产生的光学误差,并分析了它们对测量结果产生的影响。通过仿真得到了"计算中心点"的坐标。利用光学理论计算了跟踪转镜机构入射光束偏心和镜面偏心产生的误差。从猫眼的球度误差、材料折射率误差和光学中心误差几个方面对猫眼产生的光学误差进行了分析。结果表明,猫眼的误差对测量精度影响较大,因此要求猫眼精度要高。     

空间遥感相机中心支撑主镜的优化设计

为了设计并加工轻重量、高刚度的用于Ｃａｓｓｅｇｒａｉｎ式空间遥感相机中的主镜，首先根据重量和自然频率的高低优选主镜的背部基体形状。利用有限元法对自重作用下主镜的面型变化进行了分析计算，并对主镜的面型变化进行了Ｚｅｒｎｉｋｅ多项式数据处理，实验证明分析计算的结果正确合理，同时说明加工工况与相机使用时的装配状态一致的重要性。最后对主镜的背部轮廓形状进行了优化。     

双压电片反射镜面形精度补偿的仿真分析

针对硬X射线自由电子激光(HXFEL)对偏移镜组提出的初步要求(压弯前、夹持后子午面形误差小于0.5μrad),传统机械压弯难以满足且实时修正,因此采用压电片侧放式双压电片反射镜(PBM)结构。反射镜水平放置,通过奇异值分解(SVD)法计算修正自重所引起的低频面形误差所需的电压值,并辅以有限元分析法验证方案的可行性;针对不同的压弯面形进行求解分析,然后加入热分析法解决由局部辐射引起的面形突变。仿真结果表明,在自重的情况下,反射镜的初始斜率误差为242.43 nrad (均方根,RMS),在压电压弯修正后其斜率误差可以大幅降低至7.743 nrad (RMS);对目标面形进行调节,实际压弯面形与目标面形间的斜率误差仅为0.0024 nrad (RMS)。     

神光II升级装置波前传输计算模型与验证

基于衍射理论和神光II升级激光装置的光路结构及光学元件波前像差,建立了激光装置光束波前像差传输计算模型,用以获取在实验中难以取得,但对激光系统设计和安全运行非常重要的变形镜校正面型、放大器动态波前像差、空间滤波器波前像差和焦斑形态等过程数据。利用该模型对激光装置常规运行时的静态传输、变形镜加压静态传输和大能量发射3种状态下的波前传输进行理论分析,计算结果与实验测量相一致,并在此基础上对变形镜未加压大能量发射波前传输进行计算。计算模型可用于指导相关器件的设计,优化激光运行控制模式,有利于提高激光装置输出波前质量。     

旋转平行光管主镜背部柔性支撑设计与仿真分析

针对光学动态靶标进行光电跟踪光端机的跟踪精度的测试时,旋转的光电平行光管由于离心场的存在导致主镜面型误差过大的问题,提出了一种基于挠性梁减小旋转平行光管离心工况下主镜面型误差的方法。文章首先针对主镜支撑点径向位置最优布局进行求解,其次在Isight优化平台上对主镜背部支撑挠性梁的关键设计参数进行尺寸优化,最终利用Sigfit软件分析了离心工况下主镜面型误差。采用优化后的主镜支撑方案,反射镜在1.64g离心力作用下,主镜面型精度RMS优于0.03λ(λ=632.8nm),组件一阶固有频率为167Hz。采用4D干涉仪对平行光管的波像差进行检测,检测结果表明,平行光管光机系统的波像差RMS值优于0.067λ。经过仿真分析与检测实验证明,采用挠性支撑的旋转平行光管镜的动态刚度与面形精度满足光学动态靶标的应用要求。     

高层大气风场四强度测量法误差分析与计算

利用干涉成像光谱技术和电磁波的多普勒效应，通过测量高层大气(80—300km)中的气辉(极光)辐射线的四个干涉强度值而获知高层大气的速度和温度信息.采用四强度干涉测量法，分别对基于Michelson干涉仪的动镜扫描和基于无动镜四分区镀膜的干涉图获取模式所引起的测量误差进行了深入的理论分析与研究.给出了由于此测量误差所导致的相位误差所引起的高层大气风场速度、温度的误差数值；采用计算机模拟得出了在不同相位误差条件下，两种模式计算得到的风场速度和温度的误差分布图；给出了风速误差、温度误差与相位步进误差的关系曲线     

多电极静电拉伸薄膜反射镜的光学检测

利用研制的φ300 mm口径多电极薄膜反射镜原理样机,开展了光学检测实验工作.利用高斯光学原理对薄膜反射镜的基本光学参数进行了检测,获得了随电压变化的薄膜反射镜曲率丰径和最大变形值曲线,趋势与理论计算结果一致.对薄膜反射镜的面形特性和面形检测方法进行了分析,采用激光干涉仪测试了无电压时中心区域的平面面形,RMS值为1....     

超环面聚焦镜压弯装置的优化设计

介绍了同步辐射光束线中，超环面聚焦镜四点压弯装置的机械压弯原理，建立了四点压弯装置的数学模型.针对压弯柱面镜子午方向微小（最大挠度为10－2mm级）弯曲变形，给出理论圆弧线与实际压弯挠曲线之间误差非线性函数，采用CAE技术对误差函数的求解，优化了压弯点力学参量l，使误差函数取值最小.最后通过北京中能辐射光束线中超环面聚焦镜的工程实践，验证了优化设计的正确性.     

Schwarzschild物镜装卡应力对光学元件面形的影响

为了实现接近衍射极限的分辨率,工作在极紫外波段的Schwarzschild物镜要求其光学元件的面形精度达到约1 nm（RMS值）;而在物镜的装配过程中,装卡产生的应力会影响光学元件的面形精度,定量计算装卡应力对元件面形的影响是获得高分辨率成像的关键。在光学设计、公差分析的基础上,采用有限元模型系统地分析了应力对Schwarzschild物镜光学元件面形精度的影响。结果表明:采用自行设计的物镜结构,应力对主镜面形的影响可以达到0.7 nm,而对副镜的影响可以忽略;应力所产生的光学元件面形变化会使系统的几何传递函数(5000 lp/mm)从0.76下降到0.61。     

利用计算机辅助装调检测矩形大口径离轴非球面的方法研究

通过非球面的零位补偿法,完成了对矩形大口径离轴非球面镜的检测。先用光学设计软件Zemax从理论上分析了在检测中会出现的现象,并结合计算机辅助装调技术,确定在检测过程中相对敏感的自由度,然后控制这些量,使补偿器和非球面的相对关系与理论设计相吻合,在Zygo相位干涉仪上测得最终结果。在λ=632.8nm时,中心圆口径与两个边缘圆口径面形误差RMS分别为0.022λ,0.037λ,0.032λ。检测结果,达到预期目的。     

空间光学遥感器次镜参数化设计

根据某空间遥感器次镜设计指标要求,采用ANASYS多参数优化设计功能对次镜轻量化进行优化设计。利用UG软件建立反射镜体结构的参数化模型,在ANSYS中将有关结构参数变量指定为优化设计变量,以反射镜体在地面重力作用下的镜面变形误差以及反射镜支撑孔位移为零作为约束条件,结合有限元法对镜体轻量化结构的尺寸参数进行优化分析,得到了轻量化率达到80.635%,镜面面形精度RMS为6.953 nm,PV值为31.317 nm,满足设计要求的反射镜。     

气动驱动变厚变曲率反射镜技术

以环形线负载驱动模型为基础,分析了环形线负载驱动变曲率反射镜难以兼顾大中心形变与高精度面形保持的原因;从薄板弹性理论出发,得到了一种气动驱动变厚变曲率反射镜物理模型.理论分析表明,将反射镜的厚度分布从等厚改为变厚,并采用气压均匀驱动替代推力环环形驱动,反射镜不仅能产生大的中心形变,而且在形变过程中的面形精度也远高于环形线负载驱动变曲率反射镜的.基于超硬铝反射镜样片的试验验证了对变厚变曲率反射镜的理论分析;试验中,反射镜初始面形精度接近λ/50(632.8nm),施加0.032 MPa驱动气压产生约22μm中心形变时,反射镜面形精度依然优于λ/20(632.8nm),证明该气动驱动结合变厚设计这一技术具有较大的应用潜力.     

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。     

用于同步辐射的压电变形镜控制策略数值模拟北大核心CSCD

为了提高同步辐射中压电变形镜的控制自由度和面形精度,解决压电致动单元数量过多引起的解算电压受噪声影响异常波动(过拟合)问题,建立了变形镜模型并进行仿真控制。通过有限元仿真获得36组压电响应方程,构建面形与电压的数学模型;为补偿重力造成的镜面畸变,以获得的椭圆面形分析并比较了使用最小二乘法和Tikhonov正则化两种电压解算方案的控制效果。结果表明:采用Tikhonov正则化算法反演后,面形控制误差相比最小二乘法降低了21.7%,相邻极板间电压波动极大值从1.019 kV下降为0.174 kV,反演结果符合工程实际要求;系统对测试噪声具有鲁棒性,相比最小二乘法有更加优越的应用价值。     

长条形镜面面形拟合技术研究

为了解决长条形镜面面形拟合中各项不正交,无法在调整中利用像差指导计算机辅助装调的问题,本文建立了一套合理的拟合模型。该模型以矩阵求解正交化Zernike多项式系数为基础,将离散的数据点作为定义域,对已选取的Zernike项进行定义域内正交化计算,并以获得的各正交项为基底,实现对长条形镜面及其他异形光学镜面的正交化多项式拟合求解。进而确定在干涉检测中加工误差与装调误差的分离,为光学镜面的最终面形收敛提供保障。根据本文实验结果,对一口径600 mm×260 mm,PV与RMS值分别为5. 889λ及1. 002λ的长条形光学镜面进行拟合,利用Metropro去像散后,面形未得到收敛,PV与RMS值分别变为7. 448λ及1. 725λ。而采用本文算法处理后,其PV与RMS值分别收敛为4. 666λ及0. 679λ,验证了本文方法对于长条形镜面拟合的正确性。     

平面光栅支撑结构设计及其面形分析计算

为满足二氧化碳探测仪平面光栅高精度面形要求,对光栅及其支撑结构进行了设计和分析.首先,对光栅结构组件各材料的选取和支撑结构形式进行了研究;然后,以坐标变换法和最小二乘法为理论依据,对镜面刚体位移和畸变的计算求解进行了探讨;接着,采用有限元法对光栅结构组件在不同热力耦合状态下的面形精度和结构强度进行仿真分析.运用有限元软件本身提供的二次开发功能,开发了能内部调用MATLAB编写的面形误差计算程序.经计算,各工况下面形误差PV≤63nm,RMS≤12.6nm.最后,为了验证结构组件的动态特性,进行了模态分析和谐响应分析,三个方向的基频分别达到1 046.3Hz,1 640Hz,1 147.5Hz.这些结果表明,光栅结构组件设计合理可行,能够满足各项设计要求.