大口径元件面形对离散支撑的频域响应特性

针对口径为600 mm的薄型镜面在多点支撑情况下,分析了不同支撑方案的元件面形在频率域的响应特性,建立了离散支撑单元的1维梁模型,讨论了峰谷值、均方根值分别作为支撑方案优化目标函数的可行性,计算结果说明峰谷值、均方根值均不能正确评价面形在频率域的响应。分析了支撑单元的间距和大小对频率域的响应特性。根据计算结果,给出了理想支撑方案：中心支撑单元直径10 mm,外侧支撑单元直径10 mm,支撑单元间距125 mm。     

大长宽比长条形SiC反射镜的优化设计与试验

针对某离轴三反光学系统中的大长宽比长条形SiC反射镜镜面边缘随机振动加速度响应均方根值过大的特点,提出一种采用"基结构法"的反射镜结构拓扑优化方法,以随机振动加速度响应均方根值最小化为优化目标.首先对某初始反射镜结构进行有限元分析,发现反射镜镜面边缘点Z向加速度响应均方根值过大.其次,应用连续体结构拓扑优化思想,以反射镜镜面边缘点的随机振动加速度响应均方根值作为优化目标,以镜面峰谷值、镜体一阶约束频率作为约束条件,以反射镜筋板式基结构作为优化空间,对反射镜镜体结构进行拓扑优化设计,得到了一种各项力学性能指标及面形精度均满足指标要求的反射镜轻量化结构.最后,通过有限元分析与振动试验,验证了本文设计的反射镜结构拥有良好的力学性能,其中反射镜镜体质量相比优化前降低了13%,镜面边缘点的Z向随机振动加速度响应均方根值降低了58%,证明了本文优化方法的有效性.     

用等效应力法分析温度变化对胶粘反射镜面形的影响

基于等效应力法分析了温度变化对反射镜面形准确度的影响.对反射镜粘接处施加一定量的径向强迫位移约束,使其受到与热应力大小一致的应力作用,在该强迫位移约束下反射镜面形变化与热应力作用下反射镜面形变化基本一致.对直径为70mm、厚度为15mm的反射镜进行粘接实验,用ZYGO干涉仪测定温变前后反射镜的面形变化.当温度由20℃降到16℃时,反射镜面形峰谷值和均方根值的变化量分别为0.005λ和0.002λ(λ=632.8nm),理论计算的峰谷值和均方根值变化量分别为0.004λ和0.002λ;当温度由20℃升高到30℃时,反射镜面形峰谷值和均方根值变化量分别为0.013λ和0.006λ,理论计算的峰谷值和均方根值变化量分别为0.012λ和0.004λ,实验值和模拟分析值基本一致.     

考虑接触边界条件的经纬仪主镜面形误差分析

为了精确分析经纬仪主镜的面形均方根,对主镜支撑连接球绞的仿真方法进行研究.建立了主镜支撑系统的有限元模型,对比了刚性连接、约束节点自由度和接触边界条件三种球绞的仿真方法.采用接触边界条件方法仿真得到的主镜面形均方根值为16.37nm,应用干涉仪检测得到主镜在径向支撑状态下的面形均方根值为17.53nm,仿真结果与实验结果的偏差为6.62%.实验结果显示三种方法中,接触边界条件法能较准确地获得主镜面形均方根值,用此方法对主镜径向支撑结构进行了参数化分析,获得径向支撑位置、长度和宽度对主镜面形的影响规律,可以为主镜面形的精确分析及主镜支撑结构设计提供参考.     

视频空间相机Φ330mm口径主镜组件设计

为满足视频空间相机中反射镜组件的轻量化、高刚度、高稳定性和短加工周期的要求,采用基于ZERODUR微晶玻璃的背部单拱形镜体轻量化方案,设计了一种外圆芯轴粘接的柔性支撑结构.通过有限元工程分析与基于响应面优化设计,确定了支撑结构的最优尺寸.对反射镜组件进行了模态试验,并完成了镜面的非球面光学加工与检测.试验结果表明:主镜组件的一阶自然频率为332.5 Hz,与分析结果之间的相对误差为2.5%;主镜组件在绕光轴分别旋转0°、120°与240°方向进行光学检测时,面形精度均方根值均优于λ/40,实现了地面重力对反射镜面形检测零影响,组件满足设计要求.     

能动反射镜低频像差补偿能力分析

采用Algor软件包并利用有限元法对37单元能动反射镜低频误差补偿能力进行了分析计算,确定了镜面厚度8mm,驱动器间距46mm,极头直径12mm等能动反射镜制造的关键参数。通过计算机仿真分析证明,基于这些参数所设计的能动反射镜可以对低频误差进行有效校正,校正精度的均方根值小于等于λ／８,从而可以为能动反射镜的制造提供理论依据。     

能动反射镜低频像差补偿能力分析

 采用Algor软件包并利用有限元法对37单元能动反射镜低频误差补偿能力进行了分析计算，确定了镜面厚度8mm，驱动器间距46mm，极头直径12mm等能动反射镜制造的关键参数。通过计算机仿真分析证明，基于这些参数所设计的能动反射镜可以对低频误差进行有效校正，校正精度的均方根值小于等于λ／８，从而可以为能动反射镜的制造提供理论依据。     

基于PZT的非球面能动抛光盘设计优化

基于PZT压电陶瓷驱动器的非球面能动抛光盘,能够在PZT驱动器的作用下改变面形,用于中小口径非球面镜加工。为优化设计基于PZT压电陶瓷驱动器的非球面能动抛光盘,利用有限元分析方法,计算各驱动器的影响函数,计算非球面能动抛光盘的输出面形,与理论面形比较得到剩余残差。以优化设计驱动器排布方式和极头直径为例,当非球面能动抛光盘中心到非球面工件中心的距离L为120mm,分别计算比较,极头直径为Φ10mm时,19单元PZT圆形排布与21单元PZT方形排布的剩余残差;以及19单元PZT圆形排布时,极头直径为Φ10mm与Φ14mm的剩余残差。结果表明,非球面能动抛光盘产生变形后的剩余残差RMS相应分别为0.303μm、0.367μm、0.328μm。因此,基于PZT压电陶瓷驱动器的非球面能动抛光盘确定选用19单元PZT圆形排布且极头直径Φ10mm。     

基于有限元法的面形反演模型

为利用有限元法和面形检测结果反演出光学元件的面形,对面形检测结果进行分解,并对旋转平均法面形检测原理进行分析,讨论采用忽略光学元件自身面形的理想几何模型对其旋转非对称项面形误差进行有限元计算的理论可行性.在此基础上提出了基于有限元法反演光学元件面形的反演模型.以三点球支撑6inch平面镜为例,建立接触有限元模型计算旋转非对称项面形误差,对比了数值法和N步旋转平均法所获得的镜面旋转非对称项面形误差,结果显示,二者的旋转非对称项面形均方根值为分别为2.944nm和2.762nm,两种方法获得的面形相减结果分别为二者的6.31%和6.73%.最后对比了面形反演的面形结果与N步旋转平均法所获得的面形检测结果,结果显示,二者的面形均方根值分别为3.535nm和3.351nm,两种方法获得的面形相减结果分别为二者的11.67%和11.06%.证明提出的反演模型准确可靠.     

Φ1m平面镜的力学分析及实验研究

空间太阳望远镜(SST)的装校需要一个倒置的直径为1m的平面镜,此平面镜的面形精度决定了SST的装校成败。平面镜的支撑采用滑轮砝码机构,具有18个牵引点,每个牵引点的牵引力是独立可调的。在此支撑下,利用有限元分析方法分析了平面镜的变形情况,提出了用主动光学原理对牵引力大小进行优化的方法,计算出了保持平面镜具有良好面形时所需要的牵引力的大小。采用Ritchey_Common方法对平面镜进行了测量。测量结果表明,平面镜面形精度的均方根值优于λ/30(λ=633nm),满足了SST的装校要求。     

透镜自重变形引起波像差的有限元分析

在用大口径、长焦距平行光管模拟激光远场特性时,其光组透镜在重力作用下的变形不能忽略,为了分析对出射光束质量的影响,采用有限元分析软件“ANSYS”建立了平行光管光组中声400mm平凸透镜的有限元模型,给出一种分析透镜轴向变形引起的波像差的方法,在不同工况下,计算了平凸透镜在重力作用下轴向变形的峰谷值和均方根值,对轴向变形量均方根值最小工况画出了透镜表面变形的等值线图,计算了声350mm通光口径内的波像差峰谷值和均方根值,对平行光管光组的波像差做出估计,验证了设计的合理性。     

定量检验光学元件面形的数字刀口仪技术研究

在传统刀口仪的基础上,提出一种数字化刀口仪,利用该刀口仪可实现球面光学元件表面面形的定量检验。介绍数字刀口仪的组成、工作原理及测试过程等,并利用该刀口仪对一个半径为1000mm,口径为160mm的球面光学元件的面形进行了实际测量,给出了光学元件均方根值和峰谷值测量结果,最后对测量结果进行了讨论。     

夹持方式和加工误差对大口径薄型KDP晶体附加面形的影响

惯性约束聚变频率转换系统中,大口径薄型KDP晶体的面形质量是影响频率转换效率能否达到设计要求的关键因素之一。针对45放置状态下口径为400 mm400 mm的三倍频KDP晶体,采用ANSYS有限元分析软件,建立了不同夹持方式和具有不同加工误差的KDP晶体模型和夹具模型,分析了加工误差对不同夹持方式下KDP晶体附加面形的影响,给出了不同加工误差和不同夹持情况下,KDP晶体附加面形的P-V值和RMS值。研究结果表明,夹持方式和加工误差是引起KDP晶体附加面形变化的重要因素,正面压条夹持方式即使在晶体和夹具存在加工误差时也可以较好地控制晶体的附加面形。     

夹持方式和加工误差对大口径薄型KDP晶体附加面形的影响

惯性约束聚变频率转换系统中,大口径薄型KDP晶体的面形质量是影响频率转换效率能否达到设计要求的关键因素之一。针对45放置状态下口径为400 mm400 mm的三倍频KDP晶体,采用ANSYS有限元分析软件,建立了不同夹持方式和具有不同加工误差的KDP晶体模型和夹具模型,分析了加工误差对不同夹持方式下KDP晶体附加面形的影响,给出了不同加工误差和不同夹持情况下,KDP晶体附加面形的P-V值和RMS值。研究结果表明,夹持方式和加工误差是引起KDP晶体附加面形变化的重要因素,正面压条夹持方式即使在晶体和夹具存在加工误差时也可以较好地控制晶体的附加面形。     

加工误差引入的薄型KDP晶体附加面形

针对惯性约束聚变（ICF）驱动装置中口径为400 mm400 mm薄型频率转换KDP晶体在45放置状态下产生的附加面形问题,采用有限元分析软件ANSYS,建立了以实测数据为基础的大口径薄型KDP晶体的应变模型和有加工误差的夹具模型,仿真分析了KDP晶体的加工误差和夹具的加工误差对KDP晶体附加面形的影响, 给出了KDP晶体附加面形变化的P-V值和RMS值。在此基础上,通过对KDP晶体的加工误差及夹具支撑表面不同类型和不同大小加工误差的分析和比较,得出:KDP晶体边缘的加工误差和夹具支撑表面的凹型加工误差是引起较大附加面形的原因之一,KDP晶体的加工误差也会导致其面形变化不均匀,而夹具支撑表面的凸型、波浪形加工误差和压条表面的随机加工误差对KDP晶体附加面形的影响相对较小,且支撑表面的随机加工误差引起的附加面形变化介于其他两者之间。     

加工误差引入的薄型KDP晶体附加面形

针对惯性约束聚变（ICF）驱动装置中口径为400 mm400 mm薄型频率转换KDP晶体在45放置状态下产生的附加面形问题,采用有限元分析软件ANSYS,建立了以实测数据为基础的大口径薄型KDP晶体的应变模型和有加工误差的夹具模型,仿真分析了KDP晶体的加工误差和夹具的加工误差对KDP晶体附加面形的影响, 给出了KDP晶体附加面形变化的P-V值和RMS值。在此基础上,通过对KDP晶体的加工误差及夹具支撑表面不同类型和不同大小加工误差的分析和比较,得出：KDP晶体边缘的加工误差和夹具支撑表面的凹型加工误差是引起较大附加面形的原因之一,KDP晶体的加工误差也会导致其面形变化不均匀,而夹具支撑表面的凸型、波浪形加工误差和压条表面的随机加工误差对KDP晶体附加面形的影响相对较小,且支撑表面的随机加工误差引起的附加面形变化介于其他两者之间。     

两种不同算法重现高功率激光束的相位

 介绍了两种不同的波前重构算法及基本原理,并给出了实用的重构算法公式。通过用哈特曼小孔阵列板代替传统的哈特曼一沙克传感器的方法,对“星光II” 10¹²W高功率激光器的波前相位进行了测量和重构,并对两种算法重构的相位进行了比较,得到了一致而令人满意的结果。     

两种不同算法重现高功率激光束的相位

介绍了两种不同的波前重构算法及基本原理,并给出了实用的重构算法公式。通过用哈特曼小孔阵列板代替传统的哈特曼一沙克传感器的方法,对“星光II” 1012W高功率激光器的波前相位进行了测量和重构,并对两种算法重构的相位进行了比较,得到了一致而令人满意的结果。     

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。