超高速摄影中蜂窝结构转镜的设计与力学分析

 提出了蜂窝结构的三面体转镜,对这种新型转镜做了结构设计,并利用3维有限元计算技术,分析了蜂窝结构的三面体铝合金转镜的力学性能。结果表明：对镜面尺寸17.325 mm、轴向长度32.5 mm的三面体铝合金转镜,在5×10 ⁴ r/min转速下,镜面最大变形量为0.547 μm,约为原结构铝合金转镜镜面的16%,与相同结构尺寸的铍转镜镜面变形量处于相同量级;内部最大应力小于原结构铝合金转镜。     

热补偿腔镜热变形的研究

采用ANSYS有限元软件,系统模拟了强激光作用下的热补偿全反射硅镜的温度场分布和热变形.详细地研究了不同区域的热补偿和不同的热补偿功率大小对镜面变形峰谷值的影响.结果表明有效的热补偿对镜面变形峰谷值有很大的影响,在非光照区进行热补偿可以大大降低镜体的温度梯度,从而明显减小镜面变形的峰谷值.热补偿腔镜特别适合于机载或车载军用强激光器.     

非均匀光斑导致相变镜镜面偏转的研究

 针对高功率激光器中非均匀光斑热致变形导致光轴偏转的问题，提出用相变致冷镜作为腔镜来减小镜面变形峰谷值和角向偏转，在2kW连续二氧化碳激光器上进行了热变形和光束漂移实验。实验表明，与普通实心硅镜相比，相变致冷镜镜面温度分布更均匀，可有效地减小镜面偏转角和光斑中心漂移，提高远场光束质量。     

半导体制冷对镜面热变形影响的数值研究

为了减小激光辐照下反射镜镜面的热变形问题,建立了反射镜热变形的有限元分析模型。对不同制冷功率时的镜面热变形进行分析,然后针对吸收功率为50 W、光斑半径为镜体半径1/3时的TEM00模高斯光束对镜体结构进行优化,对优化后的反射镜在不同参数的TEM00模高斯光束和TEM10、TEM11模厄米特-高斯光束辐照下的热变形进行了分析。仿真结果表明,当施加滞后于激光辐照且与吸收功率近似大小的制冷时,有利于减小镜面热变形,且镜体最终会趋于相对稳定的热平衡状态。此外,当镜体背部切去一厚度为1.4 mm、内径为25 mm的环状区域时,热变形峰谷(PV)值仅为0.005μm;同时,优化后的镜体也可在一定程度上减小其他参数激光辐照下的镜面热变形的PV值。对于TEM00模高斯光束和TEM10、TEM11模厄米特-高斯光束,均满足光学系统对热变形的要求。     

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。     

射流式水冷镜换热性能及在高能化学激光器中的应用

加工了射流式水冷铜镜模型,采用红外热像仪测量了冷却过程中镜面温度分布云图,证明了射流式水冷镜冷却的均匀性。采用热电偶较精确地测量了铜镜冷却过程中镜面温度的变化,实验结果与数值模拟吻合较好,验证了射流式水冷镜数值模型的可靠性。结合高能化学激光器中水冷镜实际情况,对直线沟槽型水冷镜和射流式水冷镜的形变特性进行了分析。计算结果表明,高能化学激光器水冷镜必须承压加工才能使用,射流式水冷镜可以很好地应用于高能化学激光器。此外,进一步分析了冷却孔直径和数量这两个参数对大口径射流式水冷镜形变的影响,结果表明:在孔数一定的情况下,采用更大口径的冷却孔,镜面冷却速度快、镜面最大温度低,可以获得更小的镜面形变;采用更多的冷却孔可以获得更好的冷却效果。     

腔镜变形对平凹稳腔激光振荡模式影响的数值研究

 用Fox-Li迭代法研究了激光谐振腔镜面变形对激光振荡模式的影响, 给出了几种镜面变形条件下的激光谐振腔自再现模,即镜面上光场振幅和位相分布的模拟结果。对平凹稳定腔,为获得严格的基模激光振荡,应将这种镜面变形控制在1/20波长范围内;若镜面变形超过1/10波长,则该谐振腔不存在严格的基模自再现模。同时,高功率激光腔镜的边缘冷却方式将造成较大的镜面形状变化,从而影响激光光束质量。     

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。     

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.     

腔镜变形对平凹稳腔激光振荡模式影响的数值研究

用Ｆｏｘ－Ｌｉ迭代法研究了激光谐振腔镜面变形对激光振荡模式的影响，给出了几种镜面变形条件下的激光谐振腔自再现模，即镜面上光场振幅和位相分布的模拟结果。对平凹稳定腔，为获得严格的基模激光振荡，应将这种镜面变形控制在１／２０波长范围内；若镜面变形超过１／１０波长，则该谐振腔不存在严格的基模自再现模。同时，高功率激光腔镜的边缘冷却方式将造成较大的镜面形状变化，从而影响激光光束质量。     

射流式水冷镜结构优化设计

 分析了影响射流式水冷镜形变的各种因素,利用ANSYS有限元分析软件,对各项结构参数对镜体形变的影响进行了数值模拟,探索出射流式水冷镜结构设计的一般规律,得到了镜体结构的优化设计方案。数值结果表明：在镜体直径80 mm、镜面净吸收功率100 W、光斑直径25 mm、使用硅作为镜体材料的情况下,射流式水冷镜镜面最大形变可低至0.07 μm,明显优于其它类型的水冷镜。     

Optimizing X‐ray mirror thermal performance using matched profile cooling

To cover a large photon energy range, the length of an X‐ray mirror is often longer than the beam footprint length for much of the applicable energy range. To limit thermal deformation of such a water‐cooled X‐ray mirror, a technique using side cooling with a cooled length shorter than the beam footprint length is proposed. This cooling length can be optimized by using finite‐element analysis. For the Kirkpatrick–Baez (KB) mirrors at LCLS‐II, the thermal deformation can be reduced by a factor of up to 30, compared with full‐length cooling. Furthermore, a second, alternative technique, based on a similar principle is presented: using a long, single‐length cooling block on each side of the mirror and adding electric heaters between the cooling blocks and the mirror substrate. The electric heaters consist of a number of cells, located along the mirror length. The total effective length of the electric heater can then be adjusted by choosing which cells to energize, using electric power supplies. The residual height error can be minimized to 0.02 nm RMS by using optimal heater parameters (length and power density). Compared with a case without heaters, this residual height error is reduced by a factor of up to 45. The residual height error in the LCLS‐II KB mirrors, due to free‐electron laser beam heat load, can be reduced by a factor of ～11 below the requirement. The proposed techniques are also effective in reducing thermal slope errors and are, therefore, applicable to white beam mirrors in synchrotron radiation beamlines.     

中国聚变工程实验堆水冷包层钢构件流道成形控制研究

针对CFETR水冷包层流道钢构件热等静压制备时易变形压塌问题，利用单轴扩散焊设备开展了焊接工艺参数优化试验。在此基础上，重新设计了流道焊接界面位置和尺寸，用两步热等静压扩散焊法制备出了流道变形可控的平板型第一壁钢构件模块。优化试验表明，低活化钢试样的固相扩散焊温度需高于950℃，焊后经过760℃/60min回火热处理试样力学性能可以得到有效回复。     

Study of micro‐channel geometries for internally cooled Si monochromators

Rocking curves of micro‐channel (MC) water‐cooled monochromators are broadened by stresses introduced during fabrication and under X‐ray thermal load. This is a problem which will be even more serious with the rise of the fourth‐generation synchrotron sources, i.e. the free‐electron lasers. The X‐ray optics group at the Institute of Physics at the ASCR v.v.i. in Prague is designing, testing and, with company Polovodi?e a.s., fabricating novel internally water‐cooled Si monochromators. Here three new micro‐channel geometries are introduced which reduce rocking‐curve enlargement owing to the fabrication to less than 2.5 µrad (～0.5 arcsec). All three MC designs show less rocking‐curve enlargement and smoother topographic images. The designs also show better cooling efficiencies than the classical MC design in finite‐element analysis calculations.     

Investigations and experiments of a new multi-layer complex liquid-cooled mirror

This paper describes a new multi-layer complex liquid-cooled Si mirror with 3 cooling ducts in Archimedes spirals. Utilizing the ANSYS program, the structure of the mirror is optimized and the thermal deformation model of the mirror is simulated. The simulation results show that the mirror has the following advantages:very small amount of surface deformation, uniform distribution of temperature and surface deformation,and fast surface shape restoration. The results of the experiments of thermal deformation and the surface restoration are accurately mapped to the simulation results.     

激光相干合成中单元的相位和振幅波动对合成光束远场分布的影响

运用傅里叶光学分析法推导出系统抖动造成单个光源的相位和振幅发生波动时的远场光强表达式,以1维阵列为例分析了系统抖动对远场的影响。研究表明:随着参与合束的发光单元数目的增加,尖峰变锐,能量更集中;系统抖动引起了远场峰值光强的减少,出现了本底现象,破坏了远场的对称性和光束质量;激光阵列单个光源的相位随机抖动应该控制在3/8范围内;相干合束发光单元数目越多,系统抖动对远场的影响越小。     

LaB6场发射尖锥的场发射特性研究

报道了六硼化镧（LaB6）场发射尖锥的场发射性能。采用电化学腐蚀方法制作了LaB6场发射尖锥，并在10-2～10-7 Pa 的宽真空度范围内对单尖LaB6场发射二极管的发射特性进行了测试。发现残余气体电离产生的离子轰击对LaB6场发射阴极尖锥表面起到了离子清洗作用，使LaB6场发射尖锥在低真空工作后发射电流大幅度提高。离子轰击是一种适用于LaB6场发射阴极的激活处理方法。     

Simulation study of a hot metal cylinder cooling by gas-liquid flow

A mathematical model was developed for conjugate heat transfer in a heterogeneous system “solid body ? gas-liquid medium” with account for vapor generation at the surface of hot metal cylinder with cooling by a longitudinal water flow. Results are presented for numerical parametric calculations for influence of thermophysical and hydrodynamic characteristics on the pattern of vapor generation at the cooled cylinder surface.