光致热效应的光机热集成分析方法

在光机热集成分析过程中,引入非序列光线追迹,分析复杂光源条件下光学系统内光致热效应,利用有限元分析方法求解光学元件温度场分布及表面面型变化,构建基于Zernike多项式的基底函数对梯度折射率场进行精确拟合,进而分析得到系统的光学性能。拟合过程中通过使用对Zernike多项式赋权值的方法避免了结果的非对称性。最后以大功率激光准直扩束镜为例,进行了系统的光机热集成分析,并给出分析结果,说明了该分析方法的有效性与通用性。     

基于热光学技术的空间光学系统热设计

为了验证空间光学系统热设计的合理性,利用光-机-热集成的热光学分析技术论证了空间光学系统的热设计方案。首先,阐述了热光学技术的一般方法以及热光学技术与热设计的关系,同时根据空间光学遥感器所处的空间环境和结构特点,应用被动和主动热控技术对空间光学系统进行了热设计。然后,利用有限元方法对热控后的温度场和热弹性变形进行了分析,得出该温度载荷条件下光学元件表面的变形量及刚体位移量,利用Zemike多项式进行了波面拟合。最后,用CodeV光学设计软件计算了热载荷作用下光学系统的传递函数。结果表明,各种工况下全视场范围内光学系统分辨率为50lp时,传递函数均超过0．5,成像良好,能够满足光学设计指标,热设计方案合理可行。     

一种用于光机热集成分析的新方法——干涉图插值法

Zernike多项式是光机热集成分析中实现光、机、热各分析软件之间数据传递的重要工具。许多光学元件表面形状并不满足Zernike多项式的正交性条件，使有限元分析不能精确拟合光学元件表面变形及变形产生的各项像差。讨论影响Zernike正交性的几个因素，详细介绍将有限元分析得到的光学表面变形数据导入光学分析软件的一种新方法——干涉图插值法。该方法避开Zernike多项式拟合，在去除镜面刚体位移后将镜面畸变精确地表示成干涉图数据，直接生成数据接口。     

红外镜头的光机热集成分析研究

 为了使红外镜头能够在宽的温度范围内工作,在红外光学系统的设计时就要充分考虑热对光学性能的影响,并要进行光机热集成分析。论述了光机热集成分析方法及流程,并设计了一个焦距f=200 mm的冷光栏匹配的宽工作温度的红外镜头。建立了红外镜头的有限元模型并进行了热力学分析,对分析的镜面变形结果数据进行了处理,得到各镜片间隔和面形变化,代入光学软件得到了热环境对光学成像质量的影响。分析结果表明,对于-40℃~+60℃红外镜头的各个视场,16线对的调制传递函数都大于0.5,具有良好像质。所设计的红外镜头结构简单可行,能够满足设计要求。     

平面光学镜低温温度场和热变形分析方法

在综合分析了温度场和热变形理论分析方法的基础上,提出了对空间光学系统中平面光学反射镜进行有限元分析具体方法;介绍了温度场特性经典理论,并对径向温度分布遵循二次规律的表达式作了简单推导;同时介绍了温度变化引起光学表面的Zern ike多项式法和用热力矩分析平面圆形板面形的方法;最后给出了用ANSYS和I-DEAS软件对联合光学元件热变形的计算流程。     

胶粘光学元件的热应力和变形分析

由于光学元件和装配材料热膨胀系数的不匹配,在环境温度变化时会导致光学元件中产生热应力,并引起光学元件表面产生变形,影响光学系统的性能.针对光学元件的粘接固定方式讨论了连续边缘粘接引起的热应力和变形的分析方程,得出连续边缘粘接无热厚度的解析方程.采用有限元分析软件对胶粘固定光学元件进行了建模和热应力分析,得出光学元件边界...     

机载相机非球面光学系统热光学特性分析

环境温度是影响非球面光学系统成像质量的主要因素之一，采用热光学特性分析方法，对某机载相机非球面光学系统进行热光学特性分析，通过有限元法分析相机光学系统结构热变形，并去除镜面表面刚体位移，将面型数据输入光学软件程序进行Zernike多项式拟合，将拟合结果导入光学设计软件中，对非球面光学系统成像进行性能评价。分析结果表明:热光学特性分析方法可以有效地对非球面光学系统的实际工作环境进行仿真，预测环境温度对光学系统成像质量的影响，对光学系统设计具有指导意义。     

空间望远镜主镜的热光学特性分析

主镜是空间望远镜光学系统的重要组成元件,其热光学特性将为光学系统的热控设计提供依据。利用建立在集成分析基础上的热光学分析方法,分析了某空间望远镜主镜在三种不同的温度分布形式,即在径向温度、轴向温度、周向温度梯度的作用下对光学系统成像质量的影响,结合设计的要求,根据计算结果给出了许用温度梯度的范围。     

中波红外镜头光机热集成设计分析研究

基于光机热集成设计分析,设计了一种扩展中波红外定焦镜头光机系统(焦距f=60mm,工作波段2.5~5.3μm),在设计光学系统和光机结构时就充分的考虑了环境温度、系统热变形对光学性能的影响,建立了镜头组的有限元模型,并基于-40^+60℃的实际温度载荷展开了热力学分析,对热分析后各镜片的节点位移和面型变化通过Zernike多项式作为数据接口导入光学设计软件,给出了各典型温度值下镜头组的传递函数图。分析结果表明,在-40^+60℃区间红外镜头的各个视场成像质量良好,所设计的红外镜头结构可靠、简洁,能够满足设计和使用要求。     

球面反射镜镜面热变形的数值分析

对热环境下球面反射镜的镜面热变形进行了数值模拟分析,应用光机热(TSO)集成分析方法,在对光机结构进行有限元分析的基础上,以Zernike多项式为接口工具拟合镜面变形,评估了环境载荷对光机系统光学性能的影响,最后还分析了硅橡胶层对光机系统结构应变能的吸收效用。     

热压载荷作用下气体检测光学窗口对激光传输影响

采用有限元方法研究了不同热压载荷作用下多组分气体原位激光检测系统的光学窗口变形分布情况,并根据热光效应计算得到光学窗口折射率分布。采用光线追迹法对比分析了氮气吹扫前后光学窗口折射率变化及变形对到达接收面的通光量和辐照度分布影响规律。此外,基于高温光学窗口激光透射测试平台开展了高温光学窗口对检测信号影响研究。结果表明:高温高压环境会使光学窗口折射率变化幅度增大及变形加剧,导致激光光路偏折引起透射光强损耗和探测信号条纹干涉;氮气吹扫可以有效改善激光传输条件,增加到达接收面的通光量,优化辐照分布,提高激光传输质量。     

激光合束光学系统气体热效应影响分析

为了分析激光合束光学系统的成像质量,本文研究了激光合束光学系统的热耦合效应。借助光学设计软件建立激光合束系统模型,基于传热学理论,根据光学系统结构及流场条件参数建立气体流体模型。根据光线追迹法编写用户自定义函数,通过数值模拟定量研究了介质气体热效应引起的波像差系数。仿真分析了气体热效应在不同时间下对激光合束光学系统的影响。结果表明,受重力影响激光合束系统热效应的旋转对称性变得不再明显,随着温度升高呈现分层变化,且非均匀热效应以低阶像差为主。将波像差系数导入光学设计软件,可实现复杂光场与热场耦合传函的定量分析,波像差劣化0.3λ,传递函数下降0.1。     

空间外差拉曼光谱仪成像镜头光机热集成分析

便携式空间外差拉曼光谱仪集成了光学功能镜头、干涉仪组件,以及探测器和激光器等热辐射器件,因此仪器在使用过程中存在着较为复杂的热环境,环境温度变化导致光学系统性能下降。采用光机热集成分析方法,重点研究了环境温度及热辐射器件对关键器件成像镜头的性能影响。在便携式空间外差拉曼光谱仪光学和结构方案设计的基础上,建立热-结构耦合模型;仿真得到成像功能镜头内镜片的间距和面形的变化,并利用Zernike多项式拟合其变化;将拟合结果代入光学设计软件中进行成像质量评估和分析。结果表明,在使用环境温度(-10℃~40℃)范围内,调制传递函数在光谱仪截止频率76.9 lp/mm处对比度均优于0.38,满足便携式空间外差拉曼光谱仪的使用要求。     

红外探测系统的激光辐照热效应仿真分析

为研究红外探测系统受激光辐照后的热效应与二次热辐射对探测器成像的影响,使用Ansys软件对红外探测器进行热辐射仿真和有限元结构仿真;采用黑体辐射定律和DO辐射计算模型模拟计算探测器内光学系统在不同激光辐照度下的温度随时间变化情况以及探测器内部温升对靶面成像的二次热辐射干扰情况;采用热弹性力学模型仿真计算探测器内部的热应力和热变形情况。结果表明:探测器受到1.06μm激光照射,矫正镜激光辐照度在50 W/cm²时,靶面受到二次热辐照度在0.6 s时达到100μW/cm²的量级,使红外探测器达到饱和;探测器受激光辐照后系统最高温度出现在矫正镜中心处,拟合得到系统最高温度与受照时间函数关系,可预测探测器升温结构破坏;最大热变形出现在矫正镜背面中心处,由外向内形成不等附加光程差,干扰探测器的成像效果;最大热应力出现在矫正镜前面中心处,得到最大热应力与激光辐照度间的线性关系曲线,为矫正镜热应力破坏提供预测参数。     

基于Ansys的光学器件热变形仿真与分析

由于环境温度的作用,光学器件在应用环境中的热变形对光学仪器的整体性能产生重要影响,利用有限元分析系统对光学器件进行热变形分析,为器件设计提供科学依据和有效支持。提出基于Ansys的热变形仿真分析方法。该方法包括问题分析、Ansys热变形仿真和数据分析3个步骤,并对每一步内容作了详细阐述和说明。以某光学仪器的关键器件为分析对象,用该方法进行了热变形仿真,应用Matlab软件进行结果数据分析,得到了器件反射镜面在40℃和-10℃环境温度影响下产生的平行差分别为7.62412″和8.56317″。所得结果与实验结果基本一致,证实了该方法的有效性。     

复合结构掠入射板条放大器热效应的模拟分析

为了研究复合结构掠入射板条放大器的热效应,采用在Nd:YVO4晶体抽运面上键合具有高热导率性能的蓝宝石的复合结构,并建立了相应的热力学模型,对激光介质的温度场分布、光程差（OPD）和热透镜效应进行了详细的理论分析,利用有限元分析软件COMSOL模拟了晶体内部的温度、应变、光程差（OPD）及热焦距的分布情况。结果表明,板条厚度为2 mm、键合层厚度1 mm、抽运功率60 W时,复合结构相对于单一结构最高温度下降了约50 K,晶体中的最大形变量降低超过了1/3,极大地降低了介质中的热效应。     

Micro-humps formed in excimer laser ablation of polyimide using mask projection system

In this paper we report the results of an investigation into surface deformation caused by thermal effects during excimer laser ablation of polyimide. Obvious surface deformation around hole entrances was observed during the experiment. The surface topology and cross section of the ablated holes were analyzed using topography measurement tool and scanning electron microscopy. It was shown that a micro-hump of 17 to 150 nm in height and 1 to 3 μm in width was formed above the level of the unablated surface. The deformed surface showed rough and color-changed characteristics. An optical diffraction model was employed to explain the cause of this kind of deformation. It was found that the ablating and heating by a near- and under-threshold laser beam became a thermal effect in polyimide material ablation, which was contributed to by a diffraction effect of the optical projection system. Received: 9 October 2001 / Accepted: 17 October 2001 / Published online: 23 January 2002     

Analysis of athermalizing performance of thermal infrared optical system with Cassegrain antenna

The thermal infrared imaging system is of greatest importance in modern optics and the image quality closely relies on the accuracy of the optical system. Heat-induced mirror deformation influences the transmission performance of the optical antenna system significantly, which further degrades the accuracy of the whole system. In this work, the simulation on lens deformation circumstances under the thermal environment is carried out using the finite-element analysis software ANSYS. The focus shift property caused by the thermal effect is studied in the cases of reflective and refractive Cassegrain optical antennas, and the athermalizing performance of Cassegrain optical antenna system is also concluded. This work presents a direction to accurate designing of the thermal infrared optical system.