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。     

致冷镜相变材料的实验研究及应用分析

 研发了一种用于相变致冷的高热导率、固液转换时体积变化率小以及膨胀系数与Si基底接近的镓基相变合金材料;在实验室里模拟实际工况,对镓基相变合金材料试件进行了实验测试,确定某一组分编号可基本满足实际使用需求的镓基相变合金材料。按照实际应用条件对在强激光条件下填充在硅镜内部的该相变材料的应用效果进行了有限元的仿真计算, 结果表明：在初始温度为298 K的真空绝热环境中,热流密度为0.198 4 W/mm²,采用该镓基相变合金材料能够将镜面温度控制在313 K,抑制了镜面的热畸变。     

超高速摄影中蜂窝结构转镜的设计与力学分析

 提出了蜂窝结构的三面体转镜,对这种新型转镜做了结构设计,并利用3维有限元计算技术,分析了蜂窝结构的三面体铝合金转镜的力学性能。结果表明：对镜面尺寸17.325 mm、轴向长度32.5 mm的三面体铝合金转镜,在5×10 ⁴ r/min转速下,镜面最大变形量为0.547 μm,约为原结构铝合金转镜镜面的16%,与相同结构尺寸的铍转镜镜面变形量处于相同量级;内部最大应力小于原结构铝合金转镜。     

强激光热管冷却镜的数值研究

 为消除强激光微沟道水冷镜冷却水压力和扰动对激光输出稳定性的影响和冷却水道对冷却水流量的限制,提出并设计了热管冷却镜。采用ANSYS有限元软件,模拟计算了相同结构下镜面热吸收为12 W/cm²,实心镜、微沟道水冷镜与热管冷却镜连续工作60 s下镜体温升和镜面变形量。计算结果表明：热管冷却镜镜面轴向位移最大峰谷值为0.109 4 μm,微沟道水冷镜最大峰谷值为0.845 μm,实心镜镜面最大峰谷值为1.33 μm,热管冷却镜对镜面变形改善显著。     

激光器件 其他

TN248 2005053347 半导体致冷复合相变硅镜光照热有限元模拟=Finite ele- ment simulating about laser radiation of semiconductor- cooled composite phase change silicon mirrot[刊,中]／刘倚 红(华中科技大学激光技术国家重点实验室．湖北,武汉 (430074)),余文峰…∥激光技术．-2005,29(1)．-9-10,17 为克服高能激光用相变致冷镜两次出光时间间隔长 的缺点,设计了一种新型半导体致冷复合相变硅镜,并采 用ANSYS有限元程度模拟了实心硅镜、相变镜和半导体 致冷镜的光照热行为。由最大温度-时间曲线可知,在净 吸收热量为100W、环境温度为20℃,制冷量为25W时, 半导体致冷复合相变硅镜只需5s就可使镜体的温度和弹 性变形恢复至初始形态。图3表1参4(杨妹清)     

半导体制冷对镜面热变形影响的数值研究

为了减小激光辐照下反射镜镜面的热变形问题,建立了反射镜热变形的有限元分析模型。对不同制冷功率时的镜面热变形进行分析,然后针对吸收功率为50 W、光斑半径为镜体半径1/3时的TEM00模高斯光束对镜体结构进行优化,对优化后的反射镜在不同参数的TEM00模高斯光束和TEM10、TEM11模厄米特-高斯光束辐照下的热变形进行了分析。仿真结果表明,当施加滞后于激光辐照且与吸收功率近似大小的制冷时,有利于减小镜面热变形,且镜体最终会趋于相对稳定的热平衡状态。此外,当镜体背部切去一厚度为1.4 mm、内径为25 mm的环状区域时,热变形峰谷(PV)值仅为0.005μm;同时,优化后的镜体也可在一定程度上减小其他参数激光辐照下的镜面热变形的PV值。对于TEM00模高斯光束和TEM10、TEM11模厄米特-高斯光束,均满足光学系统对热变形的要求。     

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.     

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。     

柔性变焦镜的理论计算和设计

 设计了由压电陶瓷施压的柔性变焦镜的结构。根据弹性力学建立了相应的数学模型,采用有限元法计算了镜面受力的挠变形值。当柔性变焦镜最大挠度为9μm时,镜面的曲率半径从610mm变至590mm,此时采用环形筋条结构的反射镜镜面和理想球面的面形偏差PV值仅为1μm,面形相对偏差为0.3%。     

快反系统中平面反射镜的轻量化设计

根据快速控制反射镜系统(快反系统)对平面反射镜的设计要求,对快反镜的轻量化结构进行了优化设计。选择比刚度大、热变形系数小的碳化硅为镜坯材料,采用背部开槽式结构减重,背部3点式支撑,对不同筋宽和镜面厚度等多种轻量化方案进行了有限元分析。结果表明:筋宽越大,镜体刚度越好,但筋宽增大到一定程度时,反射镜刚度的改善程度减缓;镜面越厚,镜体内应力、自重变形越大。结合反射镜设计要求和有限元分析结果,加工制备了筋宽为4 mm,镜面厚度为4 mm的碳化硅反射镜,镜体轻量化率达55%。实测反射镜的面形精度,其RMS值不超过λ/30,与分析结果相符,满足系统的使用要求。     

大口径天文薄镜面磨制试验

介绍了采用薄镜面主动支撑技术来加工大口径天文薄镜面的试验情况。试验镜为一弯月型球面反射镜．直径为Ф1035mm,镜面曲率半径为3220mm,径厚比约为40：1。在磨制过程中,有55个分离支撑点支撑存镜子背面。支撑点的位置与支撑力的大小通过有限元分析计算确定,其中3个为固定支撑点．另外52个为主动支撑点。每个支撑点位置设置了力促动器,调节力促动器加力的大小。可以主动改正镜面的低频误差。加工后最后达到的面形精度：λ=632．8nm,面形误差(RMS)小于等于λ／21．5,局部高频误差(RMS)小于等于λ／23。试验证明所采用的方法适合于大口径天文薄镜面的加工。     

轻型反射镜研究与发展

应用有限元分析方法研究了自重对轻型反射镜变形的影响，反射镜轻量化技术及关键材料，并研制出Φ６３０ｍｍ轻型熔石英反射镜；高温２００℃、低温－４０℃及５年时效对面形稳定性影响；轻型熔石英反射镜加工技术；轻型反射镜宽带高反射膜系及镀膜技术。利用上述技术研制出Φ３００ｍｍ、Φ４１０ｍｍ、Φ４７０ｍｍ及Φ６３０ｍｍ球面及非球面熔石英轻型反射镜及平面反射镜。轻型反射镜减重达７０％，Φ６３０ｍｍ轻型非球面反射镜仅重２０．２ｋｇ。Φ４７０ｍｍ球面轻型反射镜加工后面形ＰＶ值０．１１７λ，ＲＭＳ值０．０２４λ（λ∶６３２．８ｎｍ）。     

Φ520mmF/1.6椭球面反射镜加工

介绍了一块Φ520mm大相对孔径(F/1.6)轻量化椭球面反射镜的加工与检测方法。镜面的有效口径为Φ502mm,顶点曲率半径为1600mm,非球面系数k=-0.9663,面形精度要求优于0.025λ(RMS)。镜子背面有54个大小深浅不一的不通孔,用于减轻镜子的重量。采用WYKO干涉仪检测得到镜面面形误差达RMS0.02λ,λ=632.8nm。     

Walk-Off Ring Coupling Type CO Laser

As a complementary scheme to a coupling-hole type laser, a walk-off ring coupling type laser is proposed to extract a donut shaped beam by shrinking the diameter of one of the stable resonator mirrors. This was successfully applied to a conventional slow axial-flow CO laser. First, finding the intensity distribution close to the Gaussian profile by using a partially transparent mirror in a hemispherical configuration for coupling, we obtain the relationship between the mirror radius and the effective transmittance. Then, using several mirrors with a diameter smaller than the Gaussian profile above instead of the partially transparent mirror, the output power with the donut shape was optimized to yield the maximum power, together with theoretical treatments. This resulted in an optimum mirror diameter of 4.2 mm, which corresponds to the optimum transmittance of 5-6% for the CO laser having the gain parameter G≅0.34, the inherent loss ā ≅ 0.07, and the measure of partial homogeneity m¯ =; 0.5. This value is exactly the same as that of the coupling-hole mirror. Some application feasibilities are also discussed.     

Design and simulation of multitarget compounding system based on dimpled mirror

Multitarget compounding technique is a vital one in hardware-in-the-loop simulation system. In this study, we constructed ray tracing model and presented systematical data of design, simulation and characterization for multitarget compounding system based on dimpled mirror. Simulation results of beamwidth and targets compounding were sound agreed with theoretical results. Beamwidth dependence properties on main parameters were achieved and diameter of small mirror on the dimpled mirror had highest sensitivity to beamwidth. We modified beam broadening theory by concerning sphere aberration. Targets compounding results were not perfect any more when abaxial distance was over 400 mm. Proposed model and the properties investigated are important for the design, optimization and fabrication of multitarget compounding system based on dimpled mirror.     

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。     

射流式水冷镜结构优化设计

 分析了影响射流式水冷镜形变的各种因素,利用ANSYS有限元分析软件,对各项结构参数对镜体形变的影响进行了数值模拟,探索出射流式水冷镜结构设计的一般规律,得到了镜体结构的优化设计方案。数值结果表明：在镜体直径80 mm、镜面净吸收功率100 W、光斑直径25 mm、使用硅作为镜体材料的情况下,射流式水冷镜镜面最大形变可低至0.07 μm,明显优于其它类型的水冷镜。     

Intracavity control of a 200-W continuous-wave Nd:YAG laser by a micromachined deformable mirror

A silicon micromachined membrane deformable mirror with a diameter of 10 mm, reflectivity of better than 99.8%, and a surface deflection range of 3mum has been used for intracavity control of an industrial 200-W cw Nd:YAG laser. When it was placed in the resonator, the mirror demonstrated continuous (more than 40-h) stable operation under an ~550-W cw optical load, with beam diameters in the range 3-6 mm. Periodic modulation of the curvature of the deformable mirror with a frequency of 250 Hz produced quick switching between stable and unstable resonator configurations, which resulted in pulse-period Q -switched generation with average power in the range 50-200 W, modulation depth from 95% to 10%, and an M(2) parameter of 6.5 to 30.     

大口径平背形主镜支撑方式的选择

支撑方式对主镜面形的变化有十分重要的影响。为了使主镜的安装支撑既能保证面形变化最小,又能保证在不同仰角时位置不变动,需要对主镜的支撑方式进行分析和选择。通过对一个口径为600mm、中心孔径为200mm、光学表面曲率半径为2130mm的实体镜在各种支撑情况下的变形大小进行分析,并综合考虑加工、一阶共振频率及工作时的旋转因素后,最终确定了一种满足设计要求的优选支撑方案。