大口径碳化硅轻质反射镜镜坯制造技术的研究进展

比较了目前空间遥感相机中常用的四种反射镜镜体材料——ULE,Zerodur,铍(Be)和碳化硅(Sic)的各项性能。结果表明:SiC陶瓷具备比较明显的综合优势,是制备空间用反射镜的最佳候选材料。阐述了碳化硅反射镜镜坯的四种制备工艺。介绍了当前国内外碳化硅质轻型反射镜镜坯的发展情况。     

大口径碳化硅反射镜面PVD改性工艺的研究

通过将多块不同尺寸的碳化硅平面试片以及一块口径为520mm碳化硅凹非球面反射镜作为镜面改性工艺技术的实验平台,对大口径碳化硅反射镜面PVD改性工艺技术进行探索、分析和研究。重点研究了前期PVD改性前镜面特性与PVD改性层的最佳匹配关系,主要是PVD改性层与镜面粗糙度和残留面形误差的要求和最佳结合点。采用的抛光方式为磨盘相对镜体做行星运动,采用相同的离子束辅助沉积法进行凹椭球面碳化硅反射镜的镜面改性。实验结果表明:通过选用合适的方案对改性后的PVD改性层镜面的面形误差进行修抛,可同时提高其镜面光洁度和粗糙度,最终测试结果为0.756　nm（Sq）,与改性前比较,粗糙度得到一定程度的提高。     

大口径碳化硅反射镜轻量化结构与镜坯成型

大口径光学反射镜的材料选择与研制一直是空间光学系统的主要核心技术,采用凝胶注模成型(Gel-Casting)技术一次性完成1.45m碳化硅反射镜镜坯成型,再经1 700℃反应烧结得到一块完整的碳化硅镜坯。介绍了大口径轻质碳化硅反射镜镜坯的基本结构,系统阐述了SiC反射镜镜坯的制备工艺。结合金相显微镜、XRD物相分析及力学性能测试对SiC镜坯的组织结构进行分析,测试数据表明:1.45m碳化硅反射镜镜坯的密度≥3.0g/cm3,抗弯强度≥330 MPa,弹性模量≥340GPa,轻量化率74%。碳化硅反射镜镜坯的力学性能均能满足空间光学系统设计的要求。     

大口径碳化硅反射镜数控抛光工艺北大核心CSCD

研究了针对600mm口径方形轻质碳化硅元件的数控抛光工艺过程,采用国产OP1000数控研磨抛光机床对一块600mm×480mm的方形碳化硅元件进行数控抛光加工。在经过两周的加工时间,碳化硅光学元件的通光口径均方根(RMS)值收敛到了35nm(大约为λ/18,λ=632.8nm)。在加工过程中针对大口径椭圆形碳化硅反射镜采用了合适的加工参数优化,例如在加工过程中的不同阶段选择了不同颗粒度的金刚石微粉作为特定阶段的抛光辅料以保证光学元件的表面粗糙度。对计算机控制数控加工技术的快速收敛过程也进行了阐释。     

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。     

大口径轻质非球面反射镜制造技术研究

研制某卡塞格林光学系统的关键技术之一是通光口径超过1000mm的轻质抛物面主反射镜。该反射镜相对口径为1/2,减重率为65%,是目前国内最大口径的轻质非球面反射镜。成功地解决了大口径轻质镜坯的制造和大口径轻质非球面镜的加工与检测方面的难题。通过对高比刚度轻质镜的设计和进行CAD工程分析以及选用合理的光学材料,采用计算机控制的数控钻铣技术制造出了反射镜镜坯。在经典光学加工技术的基础上,摸索到了针对大口径轻质镜的支撑、加工与检测方面的技术。检测结果表明,该反射镜的研制达到了各项设计指标,其面形精度的均方根值RMS=0 029λ(λ=633nm)。     

大口径、离轴凸双曲面反射镜的补偿检验

大口径、大相对孔径凸非球面镜的加工一直都是很困难的。从三级像差理论出发,设计出了离轴凸双曲面反射镜的Null补偿检验系统,克服了采用Hindle球检验口径过大的问题。从设计的结果可以看出,凸双曲面反射镜的像差已经得到了很好的校正,从而使检验变得更加方便。     

大口径铜反射镜的加工

叙述铜反射镜的加工过程,提出“两面同时加工,自然释放应力”的加工方法。     

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。     

大口径球面反射镜曲率半径的精确测量

介绍了大口径球面反射镜曲率半径的传统测量方法,提出了利用组合测杆结合激光干涉仪测量球面反射镜曲率半径的新方法。首先利用激光干涉仪检测球面反射镜的面型,调整干涉仪与被测镜的位置,使被测镜达到零条纹干涉状态,然后架设合理长度组合测杆,调整组合测杆靠近干涉仪端测量球头的位置,使之达到零条纹干涉状态,再使组合测杆另一端测头与镜面接触完成测量,通过计算分析即可得到被测球面镜的曲率半径。对该方法的基本测量原理进行了研究分析,并对口径为600 mm的望远镜球面主镜的曲率半径进行了多次测量,测得其曲率半径均值为2 836.774 mm,标准偏差为0.071 mm。最后对该方法的测量不确定度进行了分析,找出了影响测量精度的主要因素,合成标准不确定度为0.061 mm。     

大口径球面反射镜曲率半径的精确测量

介绍了大口径球面反射镜曲率半径的传统测量方法,提出了利用组合测杆结合激光干涉仪测量球面反射镜曲率半径的新方法。首先利用激光干涉仪检测球面反射镜的面型,调整干涉仪与被测镜的位置,使被测镜达到零条纹干涉状态,然后架设合理长度组合测杆,调整组合测杆靠近干涉仪端测量球头的位置,使之达到零条纹干涉状态,再使组合测杆另一端测头与镜面接触完成测量,通过计算分析即可得到被测球面镜的曲率半径。对该方法的基本测量原理进行了研究分析,并对口径为600 mm的望远镜球面主镜的曲率半径进行了多次测量,测得其曲率半径均值为2 836.774 mm,标准偏差为0.071 mm。最后对该方法的测量不确定度进行了分析,找出了影响测量精度的主要因素,合成标准不确定度为0.061 mm。     

大口径反射镜高反射膜研究进展

大口径反射镜是大型反射式光学系统中关键的光学元件,在工作波段的反射率直接决定了光学系统的性能。随着地基、天基观测设备的发展,对大口径反射镜高反射膜提出了更宽的工作波段、更高的反射率、更好的环境适应性等要求。针对这些挑战,各种新的膜系结构、新的镀制方法、新的膜层材料纷纷出现,满足了大口径反射镜高反射膜的各种需求。本文对近些年国内外的大口径反射镜高反射膜研究进展予以综述,并预测大口径反射镜高反膜制备的技术趋势将由铝反射膜向银反射膜、由热蒸发向磁控溅射发展。     

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。     

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。     

激光干涉法检测大口径抛物面反射镜

针对非球面度为0.2λ的大口径抛物面反射镜,采用激光干涉法在ZYGO干涉仪上进行直接检测.对从干涉图获得的实际波面与理论计算的理想波面进行相减,得到被检抛物面镜的实际面形误差.将表面绝对检测技术引入非球面面形检测中,并与波面相减技术相结合,从而使检测准确度提高了0.1λ.用自准直法验证了本方法的可行性.     

大口径凸非球面反射镜的检测方法

大型凸非球面的传统检测方法使用的是背部检验。当零件需使用特殊材料(如采用碳化硅)时就无法再使用传统的背部检验方法,针对此问题,初步研究了检测凸非球面的可行性原理和方法。所研究的凸曲面为一椭球面,口径为120mm,通过设计得出了相应的结果,实现了新型光学元件,即二元光学在凸曲面检验中的应用。     

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。     

表面改性碳化硅基底反射镜加工技术现状

针对表面改性SiC基底反射镜在空间光学系统中的应用,总结了该类反射镜在国内外的研究现状。概括了碳化硅基底反射镜的发展趋势。介绍了常用的碳化硅材料,分析了它们的性质。给出了几种常用的碳化硅镜坯制备工艺,包括成型、改性和不同的抛光技术。通过对国内现有加工工艺和改性技术的分析,总结出了适应我国的表面改性碳化硅反射镜加工的发展方向。     

碳化硅扫描反射镜支撑结构设计

对尺寸为460 mm×290 mm的SiC扫描反射镜的轻量化和支撑结构的设计进行了研究。基于三角形和矩形的复合轻量化结构,采用镜体背部为开放和封闭相结合的形式,设计了一种新型的扫描反射镜组件。该组件采用侧面支撑方式和轴向柔性结构,有利于消除支撑结构材料热膨胀系数不匹配产生的热应力对镜面面形的影响。有限元方法分析结果表明：反射镜组件在1 g重力载荷和8℃温度变化作用下,反射镜镜面的面形误差RMS值分别为4.5 nm和20.3 nm。该反射镜轻量化形式和支撑结构满足光学成像要求,并可有效提高结构的稳定性,对于大尺寸反射镜组件的设计具有借鉴意义。     

大口径主反射镜轻量化结构拓扑优化设计方法

介绍了一种大口径主反射镜轻量化结构拓扑优化设计方法,该方法是一种理论性强、效率高的新型轻量化优化设计方法。采用变密度法建立连续体结构拓扑优化数学模型,利用OPTISTRUCT优化软件,以主反射镜光轴垂直时在自重作用下的镜面变形与第一阶自然频率作为约束,将主反射镜体积最小作为目标函数进行了连续体拓扑优化。依据优化的拓扑结构形式,结合结构力学及灵敏度分析得到了满足镜面面型、结构刚度及轻量化率要求的最佳主反射镜轻量化结构。