大型天文望远镜主镜镀膜技术

采取主镜镜面向上真空蒸镀制备方式,开展了大型天文望远镜主镜铝加介质保护反射膜技术研究。结合ZZS3200型镀膜设备真空室几何配置,对传统膜厚分布计算物理模型进行了修正,分别分析了铝膜与介质膜层膜厚均匀性。结果表明:理论分析与实验数据一致,直径2.4 m范围内膜厚不均匀性约5.5%。通过优化工艺,成功制备出1.8 m平面镜薄膜元件,在350~1 800 nm波段范围内,膜层平均反射率88.6%,通过了环境稳定性测验。     

大型望远镜主镜方案设计

通过分析三种主镜方案,确定采用弯月形薄主镜为4.3m望远镜的主镜。     

通光口径2.16m天文望远镜凹双曲面主镜的磨制工艺

2 16m光学望远镜是目前我国研制的口径最大的反射式天文望远镜 ,主镜通光口径为 2 16m ,边厚为330mm ,重量约 2 2 0 0kg ,顶点曲率半径R0 =12 960mm ,偏心率平方e2 =1 0 95 134 7[1] ,相对口径为 1/3,最大非球面度δ0max≈ 2 1μm。由于所用玻璃毛坯为原苏联制造 ,质量极差 ,通体充满气泡、结石、折叠 ,是块等外品。更致命的是磨出的表面各处硬度不均匀 ,出现大面积、形状不规则的高、低区 ,不得不用手持小抛光盘进行手修 ,像雕刻一样去掉那些不规则形状的硬的局部高 ,保留不规则的软的局部低 (所谓修光程 ) ,并把它拼凑成一个较为接近的理想双曲面。可以想像得出 ,这样做会遇到多麽大的困难。在大家的努力下 ,终于用手把它磨修到尽可能完善。最后望远镜在由该主镜、凸双曲面副镜及熔石英像场改正镜组成的R C卡塞格林 (Ritchey ChretienCassegrain)光学系统的焦面上拍摄了星团底片。经鉴定委员会测试组专家测量后认为 ,在全视场 ( 30 0mm× 30 0mm )内 ,不管是边、角还是中心像均很圆 ,暗星像直径达0 18mm。说明主镜的加工工艺是成功的 ,同时也说明凸双曲面副镜的加工、检验[2 ] ,熔石英像场改正镜的设计[1] 、选料、加工[3] 及光学系统的调整[4] 也是成功的。     

望远镜主镜温度场理论计算及主镜视宁度分析

提出了地基望远镜主镜在环境温度变化时的温度场理论模型,结合分离变量法和格林函数法求解出温度场的解析表达式。运用温度场理论解,分别以熔石英和BK7两种常用材料为例,在特定环境条件下,定量分析了传统主镜和薄主镜的主镜视宁度与主镜口径之间的关系;针对4m口径的传统主镜和薄主镜定量分析了其主镜视宁度与周围空气温度下降斜率的关系。地基望远镜主镜温度场理论计算的结果在主镜设计阶段对主镜视宁度的估量具有较大的参考价值。主镜温度场理论解还可以运用于各种口径及材料的主镜热变形及热应力计算等方面,具有普适的参考价值。     

能动薄主镜技术模拟研究

利用有限元法对模拟能动薄主镜的两块变形反射镜拟合象差模式的能力进行计算,并进行了象差拟合实验,计算结果与实验结果相符。     

光溅射镀膜均匀性的优化模拟

为了改善脉冲激光溅射沉积大面积薄膜的均匀性,发展了基片离轴旋转的扫描技术.根据基片离轴旋转的基本原理和等离子体羽空间余弦分布规律,建立了径向膜厚分布公式.数值模拟了各种因素对基片离轴旋转扫描沉积薄膜均匀性的影响.分析表明,优化粒子束中心与基片中心偏置距离、溅射点与基片的距离是改善基片离轴旋转扫描镀膜均匀性的主要途径.同时也考虑了电机转速、镀膜时间和激光重频的影响.通过参量优化,当均匀度要求在95%时,计算得到薄膜的最大半径超过40mm.     

光溅射镀膜均匀性的优化模拟

为了改善脉冲激光溅射沉积大面积薄膜的均匀性,发展了基片离轴旋转的扫描技术.根据基片离轴旋转的基本原理和等离子体羽空间余弦分布规律,建立了径向膜厚分布公式.数值模拟了各种因素对基片离轴旋转扫描沉积薄膜均匀性的影响.分析表明,优化粒子束中心与基片中心偏置距离、溅射点与基片的距离是改善基片离轴旋转扫描镀膜均匀性的主要途径.同时也考虑了电机转速、镀膜时间和激光重频的影响.通过参量优化,当均匀度要求在95％时,计算得到薄膜的最大半径超过40 mm.     

南极大型天文望远镜主镜膜层防霜方法

我国将在南极建设2.5m光学红外望远镜KDUST,为了解决镜面结霜问题,提出了氧化铟锡(ITO)薄膜加热的防霜方法。利用该方法,密封透射结构的南极巡天望远镜(AST)已经成功地应用于南极冰穹A。讨论了ITO薄膜集成于反射膜系用于防霜的可行性、防霜反射镜的制备工艺以及防霜反射镜在不同加热功率下的面形变化情况。实验结果表明,集成了ITO薄膜的反射镜具有防霜功能且对镜面面形的影响较小,有望应用于南极大型反射式望远镜系统中。     

光电经纬仪主镜面型误差主动补偿技术研究

光电经纬仪俯仰动作时,引起主镜的面型误差,从而影响整个光学系统的准确度,以往主镜支撑结构采用被动式补偿方式,来保证实际面型最大误差在设计指标之内.本文基于压电陶瓷主动面型补偿技术,通过对俯仰变化引起面型误差曲线的实时修正,来主动控制主镜装调和动作引起的面型误差.使用光机系统联合仿真方法,拟合主镜面型误差,然后采用压电陶瓷的主动补偿技术修正面型误差,能够使原主镜峰值下降到66.9 nm,均方根最大值下降到12.9 nm,满足15.82 nm的均方根要求.基于压电陶瓷的主动面型补偿技术不仅可以很好地实时补偿主镜的动态面型误差,提高光学系统的像质清晰度和视轴稳定性,对大口径高准确度主镜系统的装调与动态检测有重要的意义.     

等离子辅助镀膜技术

传统的电子束蒸发工艺提供了高速率的沉积，但由于成膜分子的能量较低，使沉积的薄膜排列密度很低，其性能和块材料区别很大，已有不少学者发现了很多金属和氧化物薄膜具有典型的柱状结构，薄膜的低排列密度造成了其光学常数和机械性能不如块状材料，近几年发展起来的高功率等离子体辅助镀膜技术解决了上述问题，本文报道了我国自己研制的等离子体源（GIS）的性能指标，用这个源所做的单层TiO2膜的成膜工艺与质量，以及用等离子辅助沉积的减反射膜的工艺。     

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。     

太空反射镜空间环境效应评述

对太空反射镜在空间环境作用下所产生的带电粒子和在辐照、分子污染、热效应及空间粉尘撞击等效应的研究现状进行了评述,阐明了深入开展空间环境下反射镜损伤机理及性能演化规律的必要性。研究结果表明,空间环境因素会对光学反射镜造成不可忽视的损伤,包括出现反射率下降、辐照起泡、辐照剂量效应、面形改变等现象。     

主反射镜的一种轻量化设计

介绍了主反射镜的一种轻量化结构设计 ;用有限元法对轻量化反射镜变形情况进行了分析计算 ;为主反射镜结构设计和支承方法提供了设计依据。     

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。     

3.5 m口径空间望远镜单块式主镜技术展望

主反射镜的口径大小与结构形式在极大程度上决定了空间望远镜的技术难度与经济成本。为了实现更高的空间分辨率与更强的信息收集能力,各国研制的空间望远镜主反射镜的口径朝着越来越大的趋势发展,从“哈勃空间望远镜”（HST）的2.4 m,到“新世界观测者空间望远镜”（NWO）的4 m,甚至到“先进技术大口径空间望远镜”（ATLAST）的8 m,无不体现了对超大口径空间观测能力的追求。而单块式主镜凭借其支撑技术的可靠性与经济性,正成为超大口径空间望远镜的首选。通过对国外研制的超大口径空间望远镜的论述与分析,探讨了目前空间望远镜中超大口径主反射镜的关键技术与发展方向。针对目前国内运载能力与光学制造加工能力的极限,提出了建造基于3.5 m口径主镜的空间望远镜设想。     

X光掠入射平面镜反射率标定及应用

本文在简介软Ｘ光掠入射平面反射镜基本工作原理及其制备的基础上，着重阐述了镍平面镜的反射率标定过程，给出了标定结果，且用于激光－等离子体亚仟Ｘ光福射谱测量，提高了能谱测量精度。     

空间相机中主镜及其支撑方案设计与分析方法

叙述了现代空间相机对主镜的特殊要求。总结了主镜对空间相机性能具有重要影响的主要因素,即形状、材料、轻量化形式、支撑方式、微重力的影响和热尺寸稳定性等,并说明了在设计时应考虑的问题。重点论述了在对主镜进行分析时的多学科集成仿真方法、一般分析过程和迭代仿真分析策略,以及有限元法的工程分析的误差和光学元件面形评价方法。实践证明,该研究方法在空间相机设计与制造中是切实可行的。     

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。