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。     

水冷式离焦变形镜技术研究

根据非稳腔薄片激光器腔内离焦的特点和主动校正的应用需求,针对性地设计离焦变形镜,对激光器腔内离焦进行实时补偿。采用压电陶瓷作为驱动器,圆形镜面圆心处设置1个驱动器,圆周上均布4个驱动器的5通道布局模式,仿真分析了筋板厚度和镜片厚度对离焦的校正效果影响,在优化设计的基础上研制出水冷式离焦变形镜,其静态面形PV值为0.34 m,波前动态范围为16 m。在离焦变形镜和二维变形镜组合模式下进行了薄片激光器强光主动光学校正试验,谐振腔腔内像差PV值从6.76减小到1.44,光束质量从19.5提高到6.5,有效地改善了输出光束质量,验证了离焦变形镜对非稳腔薄片激光器离焦校正的有效性和实用性。     

微变形镜补偿激光器腔内热畸变的研究

大功率激光器中由增益介质热畸变产生热透镜效应,导致激光器的性能下降.采用基于MEMS技术加工的微变形反射镜作为激光器谐振腔的一部分,能实时补偿热透镜效应,提高激光器的输出功率.推导了热畸变与微变形镜镜面形变量、反射镜驱动单元上电压的关系并进行了实验.实验结果表明,在初始功率为287 mW、383 mW、482 mW和800 mW的情况下使用微变形镜进行补偿,可以将功率提高到437 mW、710 mW、894 mW和993 mW,在理论和实验上证明了使用微变形镜可以改善激光器腔内热畸变.     

腔镜热变形对非稳腔光场特性的影响

 研究了高功率气体激光器中谐振腔腔镜热变形效应。采用时间离散化方法,利用虚共焦折叠非稳腔3维物理光学负载模型和ANSYS热效应计算程序,将光腔稳态模式的快变过程与镜面变形的慢变过程耦合起来,研究了真实器件的腔镜变形和光场模式的相互作用;计算给出了16 s热变形下硅镜和石英镜面输出功率的下降程度和远场光束质量的退变程度：在16 s热效应下,硅镜实际光斑半径与理想光斑半径的比值变化小于1.5,而石英镜值变化达到4,可知长时运行下选用硅镜明显优越于选用石英镜。     

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。     

647W灯泵浦大功率连续Nd:YAG激光器

 报道了一台灯泵浦大功率连续Nd:YAG激光器。对影响大功率固体激光器模块输出功率和光束质量的主要因素进行了理论分析，并提出提高激光器效率的措施：对聚光腔的形状、结构和材料以及冷却方式，泵浦灯的参数和材料，激光晶体的参数和镀膜进行优化设计，采用径向固定的谐振腔镜。该灯泵浦YAG晶体棒总体电光转换效率为4%，光束质量为22mm·mrad，输出功率647W。     

长条形反射镜体轻量化结构的参数优化设计

提出了一种对长条形反射镜轻量化结构进行优化设计的方法。利用ANSYS软件建立反射镜体结构的参数化模型,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在承受发射过载时所产生的最大VonMises应力作为约束条件,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,得到了轻量化程度高,镜面变形误差完全满足设计要求的反射镜体。     

镜面热变形对空地激光通信链路性能的影响

 低轨卫星在轨运行热环境条件下，不能有效释放热应力的反射镜面将产生热变形，镜面法向偏转可达百μrad量级；经其反射的光束将产生较大的指向偏差，严重影响空地激光通信链路的系统性能。对空地激光通信星上端机目前常用的压板法镜体固定方式进行的分析表明：镜体释放热应力后的法向角度偏差可减小近3个数量级，对由于热变形带来的光束指向偏差能进行很好地抑制，减轻对系统性能的影响。     

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。     

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。     

热变形谐振腔的激光模式理论分析

 应用微扰理论,对微热变形腔的激光模式进行了理论计算与分析;给出了激光模式之间的耦合以及等效光束发散角与镜面变形量之间的关系。结果表明：镜面中心处热变形量越大,模式之间的耦合越强,激光腔模式发生畸变就越严重;当镜面中心处热变形量为0.5λ时,基模TEM₀的中心光强将下降50%,其等效光束发散角将增大到镜面无变形时的2倍。     

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.     

计算超薄镜最接近球面的非球面梯度法及有限元分析

利用超薄镜的弹性变形,通过主动光学技术将超薄球面镜变形为所需精度的非球面镜,可以避开大口径超薄非球面镜的制造难题。在分析了传统的非球面超薄镜最接近球面选择原则的基础上,提出了以非球面梯度作为选择原则的依据。针对一个实例,用非球面梯度法和最小二乘法分别求出两个最接近球面并对它们进行有限元法的变形分析,对它们变形后的面形精度和最大应力进行了比较。结果表明,在相同的边界条件、加载个数和加载位置的条件下,以非球面梯度法求出的最接近球面在变形后不仅应力小,且更有利于提高面形精度。     

超高速摄影中三面体转镜力学特性的计算机仿真

基于弹性力学空间问题的基本理论与有限元计算技术，建立了转镜力学分析的数值方法，并与四面体钢转镜的计算结果做了对比，表明它能够较为精确地模拟出转镜的强度及其任意点处的位移.利用该方法，计算了目前常用的三面体金属铍转镜和铝合金转镜的稳态强度，得出了转镜镜面变形量及内部应力分布的定量数值.结果表明,金属铍转镜在强度和镜面变形两方面均优于铝合金转镜.     

强激光反射镜基体材料的热畸变特性有限元分析

 利用有限元方法数值模拟了单晶硅（Si）、铜（Cu）、钨(W)、氧化铍(BeO)等镜体材料的热畸变特性。结果表明：当入射激光功率为2 kW、镜面反射率为93%、光斑直径为17 mm、激光照射时间为10 s时，四种材料基板的中心最大热变形分别为0.984，3.32，1.55，1.88 μm。相比之下，Si镜的热变形最小，是比较理想的镜体材料；Cu镜的热变形最大；W和BeO两种材料的镜热变形介于Si镜和Cu镜之间，具有较高的强度和硬度，抗破坏能力较强。     

变形镜受热变形引起的波前畸变仿真及补偿

针对变形镜自身受强激光辐照后热变形问题,利用ANSYS的多物理模型建立了变形镜的热机械模型并进行了计算。针对受强激光辐照后变形镜吸收了部分热量并产生了0.9μm的变形量,根据该变形镜热畸变分布特征,提出了一种利用补偿镜对热畸变进行补偿的方法,即在一个薄型镜面背后用一些约束头固定构成补偿镜,放置在变形镜的后续光路中。约束头在补偿镜上的位置与极头在变形镜上的位置对应错开分布。对三种不同形状约束头的补偿镜进行了计算,补偿后综合变形量降低到0.35,0.32和0.40μm。利用光束传输因子(BPF)对理想光束通过补偿镜后的效果进行评价,结果表明通过三种补偿镜后BPF值从0.906提高到了0.966,0.971和0.957。进一步的计算表明,补偿效果受约束头尺寸的影响较小。     

大口径空间反射镜高精度面形检测的支撑技术研究

 由于空间失重状态与地面状态不同,大口径空间反射镜在地面检测时需要通过特殊支撑结构对其重力进行卸载,同时严格控制支撑力引入的反射镜变形,以满足反射镜高精度面形检测的要求。通过对一口径750 mm的空间SiC非球面反射镜进行检测,对比分析检测结果和有限元仿真结果,研究支撑结构对反射镜面形所造成的影响。主要针对吊带支撑和中心支撑进行详细的检测验证,分析其不能实现该反射镜高精度检测的原因;通过改进支撑方案,最后提出背板支撑,改善支撑变形的影响,不同角度下测量重复性达到纳米级,收到较好的检测效果,为该反射镜加工质量和加工效率的提升奠定了基础。     

MEMS变形反射镜主要特性测试

介绍了基于微机电系统技术的微变形反射镜的基本结构和电极分布.分析了微机系统变形镜的变形原理,推导了微变形镜的镜面变形与外加驱动电压的关系.分析了基于计算机控制的频闪显微干涉测量系统的组成及测试原理,并利用该系统实现了对微变形镜静态电压-位移曲线、静态面形、动态离面变形以及谐振频率的测试.实验表明,测试结果与理论分析有很好的一致性.     

MEMS变形反射镜主要特性测试

介绍了基于微机电系统技术的微变形反射镜的基本结构和电极分布.分析了微机系统变形镜的变形原理,推导了微变形镜的镜面变形与外加驱动电压的关系.分析了基于计算机控制的频闪显微干涉测量系统的组成及测试原理,并利用该系统实现了对微变形镜静态电压-位移曲线、静态面形、动态离面变形以及谐振频率的测试.实验表明,测试结果与理论分析有很好的一致性.