空间SiC反射镜背部中心支撑特性

基于特定的轻量化形式和支撑结构,采用有限元方法研究了口径为500mm的空间SiC反射镜的背部中心支撑特性.通过分析镜体结构参量对反射镜性能的影响,确定了最佳的支撑孔直径与反射镜口径的比例为0.23,指出对不同口径的反射镜需通过优化确定最佳的背部形状,当重力沿径向作用时,增大支撑深度有利于提高面形准确度.支撑结构分析结果表明,柔性连接件底部螺栓圆半径是影响温变载荷工况下的面形准确度和反射镜组件的一阶固有频率的关键因素,要确定最佳的底部螺栓圆半径需综合考虑面形准确度和结构基频两方面的指标要求;背部中心支撑的反射镜面形准确度受外界装配应力的影响较小,且对柔性连接件切槽深度的变化不敏感;支撑长度主要影响结构的动态刚度,减小支撑长度能提高反射镜组件的一阶固有频率.最后确定了空间SiC反射镜背部中心支撑的最大适用口径为750mm,对口径小于750mm的SiC反射镜在结构允许的前提下采用背部中心支撑均能满足设计要求.     

大口径反射镜低附加波前控制技术

为降低惯性约束聚变装置中大口径反射镜在重力作用下附加面型对光束质量的影响,对大口径反射镜镜背支撑技术进行了研究。经支撑结构优化,大口径反射镜由重力导致的附加面型从0.5 m降为0.26 m。对大口径反射镜镜体的打孔工艺、镜体与支撑架联接工艺及镜架结构进行了研究,并加工了样机进行验证,从实际测试结果来看,采用的反射镜打孔及粘结工艺对反射镜面型的影响可以忽略,反射镜镜架结构可以满足反射镜支撑要求,反射镜采用背支撑技术可以有效降低重力带来的附加波前。     

大口径铝合金主反射镜设计与分析

针对铝合金材料,设计了大口径红外相机主反射镜,反射镜口径420 mm。以径厚比、支撑点数量和轻量化结构形式为输入点,设计了一种背部开放式、三角形轻量化结构和背部3点支撑的结构形式。通过有限元分析软件对反射镜的动态刚度及自重和温度载荷下的面形变化进行了分析。分析结果表明:反射镜具有高的动态刚度,反射镜自重工况和-40 ℃均匀温降下,面形精度RMS分别为30 nm和0.2 nm,均满足光学设计提出的/10（=632.8 nm）指标要求,为大口径铝合金反射镜的设计提供了理论依据。     

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。     

ICF靶场中光束口径与列阵间隔的研究

从靶场反射镜架模块的机械结构设计布局所需几何空间的角度出发,根据大口径、列阵器件的特殊要求,给出符合“神光III”装置总体技术要求的ICF靶场光束口径与列阵间隔之间的关系,得出靶场Δ纵、Δ横应满足的公式.     

超大口径光学制造均力支撑布局优化

为降低支撑控制难度和节约制造成本,同时又保证在线光学加工-检测所需的支撑精度,提出超大口径反射镜的支撑布局优化方法。研究支撑状态下的反射镜面形精度,解决面形拟合和优化目标提取的问题;以斜率均方根(SlopeRMS)为目标建立非圆形口径的超薄反射镜加工支点布局优化模型,使其具备自适应有限元分析的功能;针对工程中大量使用的轻量化反射镜,设计出适应其几何变化的支撑转换结构,并展开以面形均方根(RMS)误差为目标的支点位置的优化设计;通过30m口径望远镜(TMT)第三镜和某2m口径反射镜的支撑布局优化,验证了所采用方法的效果。算例结果表明,所提方法具有较好的几何适应性,布局优化后支撑系统的精度满足超大口径反射镜的光学制造要求。     

指向可变平面反射镜支撑方法研究

为了适应大口径、大视场的离轴光学系统结构的特殊性,要求装调过程中平面反射镜口径足够大且必须有大角度俯仰偏转的工作状态。介绍了直径为760mm的指向可变平面反射镜微晶玻璃材料的选取,探讨了反射镜的几种支撑方式,针对两种不同的柔性支撑方式通过CAD/CAE工程分析软件来对比,确定了一种有效的支撑方式,即采用中心定位和18点背部支撑的复合式支撑结构,有效地克服了重力和温度对镜面变形的影响。     

大口径反射镜波前畸变控制技术

依据高功率固体激光装置对大口径反射镜附加波前畸变的严格要求,通过选择适合的结构形式、材料及连接方式和支撑位置设计了大口径反射镜支撑结构,并对其进行了优化分析计算和验证性试验。面形精度试验结果表明:装夹引入的附加波前畸变的峰谷值（PV 值）约为150 nm,小于/3(=632 nm),结构满足设计指标要求。     

大口径反射镜低应力夹持技术

高功率固体激光装置对大口径反射镜附加波前畸变和姿态稳定提出了苛刻的要求,在确保姿态稳定性的同时,要求低应力夹持使附加波前畸变峰谷值（PV值）＜λ/3, 波长λ＝633 nm。提出了一种正面三点支撑结合侧面八点限位的大口径反射镜夹持技术,对该夹持结构下引起的附加波前畸变进行了仿真和实验研究,并对反射镜姿态稳定性进行了不同工况下的实验模拟。结果表明,该夹持方式引入的附加波前畸变PV值约为23.6 nm,振动、晃动、翻转不同工况下反射镜指向变化PV值小于50 μrad,附加波前畸变和姿态稳定性均满足高功率激光装置的要求。     

有限元在大口径镜面研制中的应用

大口径光学反射镜镜面受自重影响变形较大,研究它在磨制和检测中的支撑结构和形式是非常重要的。采用有限元软件从理论上分析了Φ1330mm平面反射镜和Φ616mm非球面轻量化碳化硅主镜在磨制和检测中的支撑结构和形式,以使反射镜面形变形最小,保证其光学成像质量达到一定的技术要求。通过实际测量Φ616mm非球面碳化硅主镜在不同支撑状态下的面形变化情况,验证了理论分析结果。根据实际效果值用有限元进一步优化组合了最佳的支撑结构和形式,为今后对更大口径反射镜面的磨制和检测提供了指导。     

大口径光学元件重力变形补偿的设计分析

根据弹性板壳理论,建立了大口径光学元件的几种理论模型.提出了一种补偿大口径光学元件重力变形的方法,该方法通过在透镜镜框边缘施加作用力,使透镜产生与重力变形反向的挠性变形,抵消重力变形的影响.建立了带镜框的大口径透镜的分析模型,证明了通过优化施加力的大小和支撑点位置使透镜产生挠性变形的方法能有效消除重力变形的影响.     

大口径光学元件重力变形补偿的设计分析

根据弹性板壳理论,建立了大口径光学元件的几种理论模型。提出了一种补偿大口径光学元件重力变形的方法,该方法通过在透镜镜框边缘施加作用力,使透镜产生与重力变形反向的挠性变形,抵消重力变形的影响。建立了带镜框的大口径透镜的分析模型,证明了通过优化施加力的大小和支撑点位置使透镜产生挠性变形的方法能有效消除重力变形的影响。     

大孔径光学反射镜球铰支撑方式尺寸稳定性分析

采用球铰支撑可以极大地提高大孔径反射镜工作的可靠性,但必须对这种支撑方式进行合理的稳定性分析。球铰支撑方式的有限元分析必须围绕其支撑方式所具有的严格而又明显的接触特性、顶丝预紧力作用、具有相对滑动趋势而产生的摩擦这三大基本特征展开。应用传统的线性有限元分析手段对大孔径反射镜球铰方式支撑的尺寸稳定性分析具有较大的局限性。为提高分析精度,采用了非线性分析方法,最大程度地模拟实际结构,并将罚函数的摩擦形式引进到了摩擦接触对中,并对其进行了实际模型的解算,使得分析结果更加精确,并依据分析结果,对预紧力进行了合理地选取,使反射镜在一定的工作环境下能够稳定地工作,满足系统成像的需要。     

宽光谱超高速八分幅相机的光学系统设计

为满足数字超高速成像需求,提高相机的时间分辨率,设计了一种工作于350 nm~800 nm宽波段的八分幅相机光学系统。该系统采用光阑外置的会聚光分光结构,可同时获得同一物面的八幅相同图像,针对光学系统后截距、像方数值孔径等重要光学参数对像面照度差的影响、宽光谱成像的色差校正等问题进行了分析。在Code V中对中继镜头进行设计优化,像面大小可达26 mm,像方MTF在40 lp/mm时对比度达0.5以上,畸变小于1%,分幅后系统像面照度差在±10%以内。模拟结果表明:八分幅相机光学系统各幅图像一致性较高。     

非球面光学反射镜的装调方法

针对通过胶粘固定的口径为230 mm非球面反射镜的装调要求,选用无像差面型检测法,通过对3个关键过程,即底板与裸镜的粘接,镜框与底板的连接,光学定心加工的实验研究,提出使粘接应力及结构件传导应力变化量达到最小的微应力装校方法,并通过光学定心加工标定出非球面反射镜的光学中心。装调结果表明:对于口径为230 mm的非球面反射镜,微应力装调后面型精度0.02;光学中心偏心量5 m,分划板表面与光轴垂直度误差2.5。     

地平式望远镜跟踪机架结构设计与分析

针对某700 mm口径地平式望远镜系统，提出了一种U型跟踪架的结构设计方案。跟踪架结构中方位轴系采用双排密珠球轴承，轴承设计为双排轴向止推钢珠及双排径向钢珠结构，滚珠的密集及均化作用可保证轴系具有高回转精度。俯仰轴系设计采用一端固定、一端游动的结构方式，以补偿机械误差及热变形对回转精度的影响。对望远镜跟踪架进行有限元建模，分析得出其一阶谐振频率可达到47.6 Hz，说明它具有良好的模态特性。使用电子水平仪及自准直仪分别对方位轴及俯仰轴进行定量检测，方位轴轴系晃动优于1.3″，俯仰轴轴系晃动优于1.8″。通过仿真分析及实验测试，证明设计的望远镜跟踪架结构具有高刚度及高回转精度，为同类跟踪架的结构设计提供了一定的参考价值。     

Electronic structure and energetics of tetragonal SrCuO? and its high-pressure superstructure phase

First-principles calculations have been used to investigate the electronic structure and energetics of the simple tetragonal SrCuO? (P4=mmm) and its high-pressure tetragonal superstructure (P4=mmm). Based on the calculations, the high-pressure phase is metastable as compared with the low pressure tetragonal phase, with an energy difference of 0.13 eV per SrCuO? formula unit. The energy barrier to the transition from the superstructure to the simple tetragonal structure is 0.24 eV at 7 GPa; thus, high temperatures are required to synthesize the latter. Among the possible structural configurations resulting from the partially occupied oxygen site in the superstructure phase, the most stable structure has a space group PN4m2, reduced from that of the simple tetragonal structure P4=mmm. The detailed analysis of the electronic band structures of the simple tetragonal and superstructure phases suggests that the out-of-plane buckling of the O atoms in the superstructure leads to significant decrease in the O p-Cu d orbital overlap, allowing the energy of the system to be lowered, which is necessary for the structural stability. An understanding of the electronic structure and energetics of the high-pressure superstructure phase and its relation to the simple tetragonal phase provides a basis for exploring the physical properties of the infinite layer, high-TC superconductor.     

基于大面阵CCD的复消色差航空相机物镜设计

为了满足航空相机物镜结构简单及高分辨率的要求,提出了一种基于波差法校正长焦距、宽波段的大面阵CCD航空相机物镜二级光谱的方法.介绍了二级光谱的基本原理,给出了波差法设计复消色差物镜的方程组.采用普通光学材料设计了复消色差航空相机物镜,系统焦距为400 mm,相对孔径为F/4,工作波段为420～850 nm.给出了光学系统图、纵向像差图及调制传递函数图.设计结果表明,采用该方法设计的航空相机物镜在60 lp/mm处各视场传递函数均在0.75以上,满足接收器件有效尺寸为36 mm×48 mm的大面阵CCD成像要求.     

激光本振红外光谱干涉成像及其艇载天文应用展望(特邀)

本文分析了红外干涉成像现状和难点,介绍了激光本振红外相干探测的原理,阐述了基于电子学的红外光谱细分和干涉成像原理,讨论了激光本振红外阵列探测器形式。激光本振和相干探测器的设置,可保证两个望远镜的红外信号相位的正确传递,在电子学实施窄带滤波形成的窄带红外信号有利于实现长基线干涉成像。在此基础上,类似微波综合孔径射电望远镜,通过不同空间位置的多个较小孔径,组合形成一个大的光学口径,以红外光谱“射电”望远镜形式实现高分辨率天文成像,可大幅降低红外成像系统的复杂度和体积重量。介绍了平流层飞艇平台的特点,该平台为长基线大衍射口径望远镜的安装提供了有利条件,且可大幅减少大气对天文观测的影响,有望成为天文观测的新型平台。给出了10 m基线、2 m衍射口径红外光谱干涉成像望远镜的布设方案,分析了其探测和成像性能,讨论了关键技术及其可能的技术途径。分析表明,基于平流层飞艇平台,3个2 m衍射口径望远镜的组合在10 m基线下可等效实现口径10 m望远镜的红外天文观测能力。     

采用投影光学估计弱起伏条件下的大气闪烁指数

在远场散斑投影成像系统上整合大气闪烁指数测量功能,有助于全面分析激光大气传输特性及其对光电系统性能的影响。但是在大口径接收时,大气闪烁会因孔径平滑效应而变得微弱,光源稳定性引起的强度起伏会更为明显。针对这一问题,基于光源强度起伏和大气闪烁的乘性调制假设,建立了考虑光源强度起伏的大气闪烁指数的测量模型。利用光源强度起伏不随孔径变化而大气闪烁随孔径变化这一差异性,通过投影光学在同一时刻测量两个不同接收孔径上的光强闪烁,结合弱起伏条件下的孔径平滑因子来求解测量模型,从而分别估计大气闪烁指数和光源强度闪烁指数。实验结果表明,在孔径0.05m至0.4m之间,实测值和理论估计值的最大相对误差小于9.685%,理论模型与实验符合度较高。采用该方法可以在投影光学上实现弱起伏条件下的大气闪烁指数估计。