超轻量化SiC反射镜有限元分析及应用

对超轻量化SiC反射镜进行了有限元分析。设计了超轻量化SiC反射镜的镜体结构。采用MSC.Nastran分析软件对其进行了有限元工程分析。分析结果表明,可满足SiC反射镜面形精度的要求和轻量化的要求。介绍了一种SiC反射镜无镜框支撑结构。     

重力作用下平面反射镜变形研究

应用有限元方法对干涉仪的装配前后的平面反射镜进行了静力学分析, 对其在重力作用下水平和垂直放置时进行了分析, 通过计算镜面变形的PV值和RMS值来评价是否超差及固定反射镜的结构是否合理. 并通过Zernike多项式拟合进行了数据处理, 分解出了引起的像差成分, 并相应地提出了提高像质的措施.     

SiC空间反射镜材料及其表面改性技术现状分析

SiC材料具有良好的物理特性和机械特性,是制备大口径空间反射镜的主要候选材料之一,而SiC反射镜的制名加工及其表面改性技术是推动高水平空间光学系统应用的重要条件.本文从实际工程应用的角度出发,分析了几种用SiC基底反射镜材料的特性,介绍了4种SiC的制备工艺.研究了目前国内外SiC基底反射镜的应用现状及其表面性情况,对改性层的性能指标、制备工艺和发展趋势进行了深入讨论.针对目前国内反射镜材料应用现状,认为加快性能SiC基底材料研发工作步伐,并找到一种利用现有大口径PVD设备低温制备优质SiC改性层的方法是今后工程用的发展方向.     

长时热变形下硅反射镜的参量选择

以硅反射镜材料为例,对长时热变形下镜面吸收率、镜夹持半径及激光功率等参量对氧碘化学激光输出光束特性的影响进行了研究,给出了参量选择范围。模拟计算结果表明:镜面吸收率是控制输出功率的关键因素之一,要保证在出光10 s内输出功率下降程度小于20%,吸收率应不超过3.0×10-4。在四点夹持的情况下,镜面夹持半径大小与输出光束大小相关,当夹持半径与输出光束半径的比值大于1.40时,可以避免夹持过小造成的镜面边缘处发生畸变的现象。     

长时热变形下硅反射镜的参量选择

 以硅反射镜材料为例,对长时热变形下镜面吸收率、镜夹持半径及激光功率等参量对氧碘化学激光输出光束特性的影响进行了研究,给出了参量选择范围。模拟计算结果表明:镜面吸收率是控制输出功率的关键因素之一,要保证在出光10 s内输出功率下降程度小于20%,吸收率应不超过3.0×10^-4。在四点夹持的情况下,镜面夹持半径大小与输出光束大小相关,当夹持半径与输出光束半径的比值大于1.40时,可以避免夹持过小造成的镜面边缘处发生畸变的现象。     

激光辐照下高反射镜热变形问题的尺度律

基于热力解耦的热弹性模型,采用常用假设,通过方程分析法,导出了激光辐照下高反射镜热变形问题的尺度律。同时,还发现了对同一模型,当其他条件不变时,变形、温升、应力与激光功率密度之间具有线性关系。数值结果证明了该问题尺度律的成立及线性关系的正确性。该结论是利用缩比模型研究大尺寸反射镜在激光辐照下的热变形问题的依据,且为解决缩比模型设计、辐照条件设计和模型实验数据反推到原型等相关问题提供了参考准则。     

激光辐照下高反射镜热变形问题的尺度律

基于热力解耦的热弹性模型,采用常用假设,通过方程分析法,导出了激光辐照下高反射镜热变形问题的尺度律。同时,还发现了对同一模型,当其他条件不变时,变形、温升、应力与激光功率密度之间具有线性关系。数值结果证明了该问题尺度律的成立及线性关系的正确性。该结论是利用缩比模型研究大尺寸反射镜在激光辐照下的热变形问题的依据,且为解决缩比模型设计、辐照条件设计和模型实验数据反推到原型等相关问题提供了参考准则。     

红外连续激光反射镜热畸变的有限元分析

 基于热传导方程和热弹方程，利用有限元分析方法，就光斑尺寸远大于或接近于基底材料热扩散长度的情况以及反射镜在固定或自由的边界条件下，分别计算了硅和石英两种基底材料多层膜红外连续激光反射镜的最大温升、最大形变及最大热应力，并探讨了它们随光斑尺寸的变化规律。结果表明：在自由边界条件下，反射镜表面的最大轴向位移与光斑半径之间近似为线性关系；而在固定边界条件下，反射镜的最大热应力与光斑半径之间近似为线性关系；反射镜的夹持状态对最大轴向位移及最大热应力的影响随着光斑尺寸的增加而增强；在相同的入射激光光源及相同的边界条件下，硅镜具有较低的温升值或较高的抗热损伤阈值，而石英镜具有较好的抗热畸变特性。     

红外连续激光反射镜热畸变的有限元分析

基于热传导方程和热弹方程,利用有限元分析方法,就光斑尺寸远大于或接近于基底材料热扩散长度的情况以及反射镜在固定或自由的边界条件下,分别计算了硅和石英两种基底材料多层膜红外连续激光反射镜的最大温升、最大形变及最大热应力,并探讨了它们随光斑尺寸的变化规律。结果表明：在自由边界条件下,反射镜表面的最大轴向位移与光斑半径之间近似为线性关系;而在固定边界条件下,反射镜的最大热应力与光斑半径之间近似为线性关系;反射镜的夹持状态对最大轴向位移及最大热应力的影响随着光斑尺寸的增加而增强;在相同的入射激光光源及相同的边界条件下,硅镜具有较低的温升值或较高的抗热损伤阈值,而石英镜具有较好的抗热畸变特性。     

空间遥感器高体份SiC/Al复合材料反射镜组件设计

为消除反射镜与支撑结构材料线胀系数差异产生的热变形对反射镜面形精度、系统成像质量的影响, 采用高体份SiC/Al复合材料作为新型反射镜组件的材料。首先, 通过合理的结构设计及有限元分析比较, 确定了Ф600 mm口径反射镜结构参数, 然后, 对反射镜组件进行了静力学和动力学分析, 在1 g重力载荷作用下, 反射镜X、Y、Z方向去除刚体位移后的镜面变形RMS值分别为12.6, 12.7, 12.6 nm, 达到了λ/50(λ=632.8 nm)。最后, 为了验证高体份SiC/Al复合材料反射镜组件的结构性能及检验结构在振动条件下的抗干扰能力, 对反射镜组件进行了力学试验, 反射镜组件的一阶谐振频率为556.6 Hz。力学试验前后, 反射镜镜面面形误差RMS分别为0.021λ、0.025λ, 没有明显变化。实验结果表明:高体份SiC/Al复合材料反射镜达到了与SiC材料反射镜相同的设计指标要求, 能够满足空间应用。     

扫描镜动态面形变化和模态分析

为了分析某热像仪帧扫描镜在工作状态下的面形变化和产生2000Hz共振的原因，并提供改进设计依据,根据帧扫描镜运动曲线计算了帧扫描镜的扫描角速度和角加速度，用有限元分析软件I DEAS计算了扫描镜在扫描、加速、减速过程中面型的变化和前10阶固有模态，分析了扫描镜在试验中产生2000Hz共振的原因，并对扫描镜结构进行了改进，重新计算了面型变化和前10阶模态，试验证明消除了共振现象。最后提出了扫描镜设计时应注意动态下的面型变化是否满足要求，以及固有模态要避开驱动力矩中的干扰频率等要点。     

激光辐照下镀铬介质高吸收镜的热变形

为了分析激光辐照下反射镜热变形对光束质量的影响, 本文建立了激光光束45°角入射时镀铬介质高吸收镜的热固耦合模型, 对不同辐照光束下反射镜的热变形和镜体厚度对热变形的影响进行了分析, 并用哈特曼波前传感器对自由边界条件下的镜面热变形进行了检测。结果表明:吸收功率在0.085~0.185 W时, 镜面热变形随吸收功率的增加近似线性增加, 随辐照光斑的增加而减小;反射镜厚度在1~5 mm范围, 镜面热变形基本不变。在激光照射的初始阶段, 反射镜表面温度和热变形迅速增加, 在激光连续照射20 s后, 镜面温度增加量逐步变缓, 镜面热变形则在1 s以内就上升至0.27 μm, 之后变形量缓慢增加, 在100 s后达到相对稳定状态;关闭激光后, 镜面在120 s后恢复到初始状态。分析表明, 产生误差的因素主要为光斑大小和辐照光束入射角度。     

航天侦察系统中的碳化硅指向摆镜的有限元分析

在航天侦察系统中,由于光学系统的视场角较小,难以满足系统宽覆盖范围的要求,所以往往采用指向摆镜,并绕两轴连续地或间歇地摆动来对地面不同位置的目标进行观测。但是由于空间工作环境会使光学指向摆镜的形状及内部应力发生变化,进而会对其光学特性产生明显的影响,因此对它进行工程分析就显得尤为重要。运用有限元法,对轻量化后的碳化硅指向摆镜在不同加速度条件下的面形和内部应力的变化作了研究和分析,同时对轻量化后的碳化硅指向摆镜在不同的温度场中的面形和内部应力的变化也作了研究和分析,为侦察系统的光学设计和结构设计提供了一些可供参考的数据。     

Thermal lens compensation by convex deformation of a flat mirror with variable annular force

An optical surface with convex parabolic shape over a large area has been created using a 12.7-mm-diameter annular pusher to deform a flat 25.4-mm-diameter mirror. The deformable mirror assembly has been modeled using finite element analysis software as well as analytical solutions. The measured parabolic surface deformation shows good agreement with those models. Mirror performance was studied using a Shack–Hartman wavefront sensor and the mirror has been applied to compensate thermal lensing in a Nd:YAG rod amplifier. PACS 41.85.Ct; 42.60.Da     

离轴抛物面反射镜模拟空间环境镜面变形分析

在卫星红外多光谱扫描仪模拟空间环境辐射定标试验中,环境模拟器舱内的稳、瞬态温度场会给光学系统成像质量带来影响.以试验中的实测温度变化作为温度载荷,借助有限元软件,分析了定标系统中通光孔径为φ400mm的离轴抛物面主镜的温度场分布和热弹性变形.选用在单位圆内正交的Zernike多项式为拟合基函数,通过坐标变换,将抛物镜表...     

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...     

碳化硅凸非球面反射镜的加工与检测

为了满足凸非球面反射镜加工中的全频段质量控制及光学参数的高精度检验,提出了应用双摆轴极坐标快速非球面加工技术及测杆法控制Hindle法检测光学参数。首先,描述了双摆轴极坐标快速非球面加工技术及设备;然后,介绍了应用测杆法控制Hindle检测法中标准球面镜顶点分别与被检非球面镜顶点及其焦点的光学间隔,并对其控制精度进行了分析;最后,针对Φ158mm的凸非球面,给出了双摆轴加工的检验结果,并对检测精度进行了分析。实验结果表明：应用双摆轴加工工艺在使低频误差快速收敛的同时,可以有效抑制中频误差,其低频误差的控制精度可以稳定地达到λ/30（λ=633 nm）;应用测杆装调Hindle检测光路的控制极限误差为±0.065 mm,两个光学间隔参数的公差分别为±0.22 mm和±0.30 mm。应用双摆轴加工技术实现了凸非球面的快速加工与全频段质量控制,采用Hindle检测凸非球面得到面形精度为0.022λ（RMS,@633 nm）,满足光学设计技术指标要求。     

Thermal stability test and analysis of a 20-actuator bimorph deformable mirror

One of the important characteristic of adaptive mirrors is the thermal stability of surface flatness. In this paper, the thermal stability from 13℃ to 25℃ of a 20-actuator bimorph deformable mirror is tested by a Shack--Hartmann wavefront sensor. Experimental results show that, the surface P--V of bimorph increases nearly linearly with ambient temperature. The ratio is 0.11μm/℃ and the major component of surface displacement is defocused, compared with which, astigmatism, coma and spherical aberration contribute very small. Besides, a finite element model is built up to analyse the influence of thickness, thermal expansion coefficient and Young's modulus of materials on thermal stability. Calculated results show that bimorph has the best thermal stability when the materials have the same thermal expansion coefficient. And when the thickness ratio of glass to PZT is 3 and Young's modulus ratio is approximately 0.4, the surface instability behaviour of the bimorph manifests itself most severely.     

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。     

轻量化碳化硅反射镜支撑方案分析

讨论了轻量化碳化硅反射镜的支撑方案。利用有限元力学分析方法,对大口径轻量化主镜进行了在两种工况下的支撑方案分析和优化。通过运用最小二乘法对支撑后的镜面进行拟合,使两种工况下的主镜面形变化的均方差均在λ/60(λ=632 8nm)之内,满足了实际的工程要求。