基于连续镜面变形镜生成模式可调的涡旋光束仿真研究

使用连续镜面变形镜生成涡旋光束,根据涡旋光束相位的螺旋对称结构,变形镜驱动器设计成环形排布,通过生成环形螺旋波前来解决连续镜面变形镜不能拟合奇点的问题。在光路中加入4f滤波系统来滤去高频噪声和次级衍射旁瓣。推导了空间滤波的小孔半径的表达式,这可以保证在滤波过程中尽可能保留主瓣信息,并且完全消除旁瓣。仿真得到了拓扑荷数等于-5~5的无旁瓣的涡旋光束,得到的振幅分布具有破坏性的环形结构,相位分布是比较理想的螺旋结构,而且滤波之后的模式纯度接近理想值。该方法使用的连续镜面变形镜面形变化灵活,可以承受高功率,对于模式可调的高功率涡旋光束的生成有很好的应用前景。

底支承对小口径反射镜镜面变形的影响

论述了运用有限元技术研究镜面变形的方法及分析底支承在不同口径、焦比、厚径比和相对支承半径时镜面变形的技术;在取得的相互关联的最大镜面变形数据基础上,研究了影响小口径反射镜底支承镜面变形的因素。

轻质碳化硅反射镜抛光过程镜面变形影响的研究

轻量化的碳化硅反射镜有自己独特的结构特点,加工中的变形与传统实体反射镜不同,对加工后的面形结果有独特的影响。对一直径为318mm的轻量化碳化硅反射镜进行了传统的研磨抛光,由于镜面变形对抛光结果带来了很大的影响,其面形误差的RMS值在0.048λ(λ=0.6328μma)左右就不再收敛。对抛光状态的镜体进行了有限元分析,探讨了减轻镜面变形对抛光结果影响的方法。采用计算机控制小磨头对该反射镜进行了确定性抛光,有效地降低了镜面形变的影响,使面形满足了精度的要求。

镜面热变形及吹气流场对光束的联合影响

采用热弹性力学模型、可压缩流体力学模型和标量波动方程,通过数值模拟定量研究了激光系统中高功率密度光束在弹性支撑反射镜上的热沉积造成的镜面热变形以及镜面变形对光束的影响;同时分析了抑制热晕的对称多孔吹气方式在不同吹气速度下通道流场对光束的影响。然后,通过空间顺序耦合得到了两者对光束的联合影响。实验结果显示:在中心固定的弹性支撑条件下,反射镜的镜面变形有效作用面比较平滑,主要表现为镜面总体倾斜导致光束在远场产生的轻微角度偏转基本可忽略或可预调校正,吹气流场在较低吹速下对光束的影响也基本可以忽略;但在较高流速下,流场由于密度非均匀分布加剧,对光束的影响十分严重;二者耦合后对光束的联合影响基本与单独影响一致。

影响星载光学镜面热变形的部分因素分析

在轨运行热环境条件下,星载激光通信端机光学天线镜面热变形将对空地激光通信链路性能产生严重影响。采用有限元分析法对不同固定方式下镜面热变形进行分析,结果表明:镜体释放热应力前后的法向角度偏差可达近3个数量级;在合理采用压板固定方式后,镜面法向偏转角度在10?7弧度量级。对采用潜望式结构的空地激光通信链路星上端机天线系统,压板固定法是适合其工作方式可选用的较优的反射镜镜体固定选择方案。

夹紧力作用下镜面变形及夹紧重复性研究

利用有限元方法对运动学支撑夹紧力引起的镜片光学表面变形进行静力学分析,并应用Zernike多项式对镜片表面的变形进行了拟合。结果表明,夹紧力作用下镜片表面产生的几种主要像差为Defocus、Pri Trefoil和Pri Hexafoil。光学检测过程中,运动学支撑结构的重复装配误差可能会影响检测精度,因此分析了运动学支撑夹紧重复性对镜面面形的影响。以夹紧力大小、夹紧力径向位置、夹紧力周向位置变化引起的镜面表面峰谷(PV)值和均方根(RMS)值的变化作为评价夹紧重复性的依据。分析结果表明,镜片表面的PV值和RMS值变化不明显,说明所设计的运动学支撑结构在多次重复性的检测中允许装配过程存在一定的误差。

镜面热变形对空地激光通信链路性能的影响

低轨卫星在轨运行热环境条件下,不能有效释放热应力的反射镜面将产生热变形,镜面法向偏转可达百μrad量级;经其反射的光束将产生较大的指向偏差,严重影响空地激光通信链路的系统性能。对空地激光通信星上端机目前常用的压板法镜体固定方式进行的分析表明:镜体释放热应力后的法向角度偏差可减小近3个数量级,对由于热变形带来的光束指向偏差能进行很好地抑制,减轻对系统性能的影响。

腔镜变形对平凹稳腔激光振荡模式影响的数值研究

用Ｆｏｘ－Ｌｉ迭代法研究了激光谐振腔镜面变形对激光振荡模式的影响，给出了几种镜面变形条件下的激光谐振腔自再现模，即镜面上光场振幅和位相分布的模拟结果。对平凹稳定腔，为获得严格的基模激光振荡，应将这种镜面变形控制在１／２０波长范围内；若镜面变形超过１／１０波长，则该谐振腔不存在严格的基模自再现模。同时，高功率激光腔镜的边缘冷却方式将造成较大的镜面形状变化，从而影响激光光束质量。

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。

分布式电极连续面型微变形反射镜力电耦合特性分析

针对基于MEMS技术制造的连续面型薄膜微变形反射镜，从薄膜理论出发对其力电耦合变形特性进行理论分析，导出了镜面变形表达式。利用该式及响应频率表达式，定量分析了镜面相关尺寸参数对变形量的关系，为变形镜的结构设计提供了可靠的理论依据。结果表明，当镜面厚度为1μm且与驱动电极间距20μm时，对控制电压不超过120V，响应频率大于50kHz的应用场合，变形镜镜面半径应在2．1～13．8mm之间进行选择。仿真结果显示，驱动电压较小时，镜面变形与驱动电压平方近似成线性关系。

微变形镜补偿激光器腔内热畸变的研究

大功率激光器中由增益介质热畸变产生热透镜效应,导致激光器的性能下降。采用基于MEMS技术加工的微变形反射镜作为激光器谐振腔的一部分,能实时补偿热透镜效应,提高激光器的输出功率。推导了热畸变与微变形镜镜面形变量、反射镜驱动单元上电压的关系并进行了实验。实验结果表明,在初始功率为287mW、383mW、482mW和800mW的情况下使用微变形镜进行补偿,可以将功率提高到437mW、710mW、894mW和993mW,在理论和实验上证明了使用微变形镜可以改善激光器腔内热畸变。

主动光学镜面支撑结构的优化设计

对主动镜面的工作原理以及镜面支撑系统与面形精度之间的关系进行了理论分析。以口径400mm,厚10mm的薄镜面主动镜为例,利用有限元软件以及相关面形分析软件对其进行参数化建模,并对轴向支撑点的位置参数进行了敏感度分析及优化,从而给出了最佳的支撑点位置。

三种特殊镜面的磨制工艺

本文叙述了φ160×116离轴抛物面镜,450×140×140铅玻璃平行平面镜、φ350弯月密封玻璃窗三种镜面的磨制过程,以及针对这些镜面特点和某些特殊技术要求所采取的工艺措施。

抑制反射镜热变形影响的支撑方式优化设计

在高功率激光应用系统中,常通过反射镜对光束进行扩聚束、重定向、波前校正等控制。但控制系统中的各类反射镜会吸收部分光能从而形成非均匀温度场,使反射镜产生形变,进而影响反射光束质量。由于支撑方式与温度场共同决定反射镜的变形结果,因此在光束控制系统设计中,需要研究最佳的反射镜支撑约束方式。基于热弹性力学,提出了不同镜面支撑方式减小镜面热变形的方法;对几种常见支撑约束方式下的反射镜的温度场、变形量进行了量化仿真分析;对比了镜面的总变形量、光斑区域相对变形量、光斑区域相对变形量引入的波前像差。结果显示:对反射镜背面采用小块区域约束的支撑方式镜面相对变形量最小;对反射镜背面采用刚性约束的支撑方式镜面相对变形量最大;后者可以有效减小镜面相对变形量约98.4%。实验和仿真分析的镜面光斑区域的相对变形量十分接近,波前图像基本一致。这些研究结果为光束控制系统镜体支撑的选型和设计提供了理论支持。

超高速摄影中三面体转镜力学特性的计算机仿真

基于弹性力学空间问题的基本理论与有限元计算技术,建立了转镜力学分析的数值方法,并与四面体钢转镜的计算结果做了对比,表明它能够较为精确地模拟出转镜的强度及其任意点处的位移.利用该方法,计算了目前常用的三面体金属铍转镜和铝合金转镜的稳态强度,得出了转镜镜面变形量及内部应力分布的定量数值.结果表明,金属铍转镜在强度和镜面变形两方面均优于铝合金转镜.

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5×104r/min转速下,镜面最大变形量为0.547μm,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。

超高速摄影中铍转镜静力学与动力学性能分析

基于弹性力学空间问题基本方程、线性振动系统运动方程及有限元法,提出转镜力学特性的数值分析方法.运用该方法得出转镜镜面变形量、内部应力分布和振动模态参量的定量数值:在边缘线速度600m/s下,三面体铍转镜的最大变形量为约0.3346μm;最大应力0.204GPa,位于轴孔附近并与镜面距离最短处;两个在互相垂直平面内的一阶弯曲振动模态发生在3.4×105r/min附近,一阶扭振点位于5.13×105r/min附近,两个二阶弯曲振动点位于6.6×105r/min附近.结果表明,如制造无缺陷,由体力产生的静载荷不足以破坏镜体,对转镜产生较大破坏作用的是共振导致的疲劳破坏.

超高速摄影中转镜力学特性的数值模拟

从弹性力学基本理论和三维应力应变方程出发,利用有限元结构强度分析原理,结合实验结果及转镜具体结构,建立了转镜镜面变形量、应力分布的计算机仿真原理与方法,并对四面体转镜的计算结果做了实验对比,得出了四面体转镜应力分布、应力最大点和镜面变形的定量数值．

基于有限元法的主镜底支撑的优化分析

如何确定镜子的最佳支撑方式,来保证最优的镜面面形精度,这在天文望远镜的光学成像系统中具有重要的意义。应用了有限元分析方法分析了镜面的变形,利用有限元分析软件ANSYS中高级优化模块(OPT模块)以镜面变形最小为优化目标对主镜底支撑进行了优化设计。以九点浮动底支撑的优化作了实例分析,并与传统经验法的计算结果进行了对比分析,结果表明文中所采用的优化方法具有较大的优越性。

腔镜热畸变对激光输出特性的影响

本文应用微扰理论 ,对微热变形腔的激光模式进行了理论计算与分析 ;给出了激光模式之间的耦合以及等效光束发散角与镜面变形量之间的关系 .结果表明 :镜面中心处热变形量越大 ,模式之间的耦合越强 ,激光腔模式发生畸变就越严重 ;当镜面中心处热变形量为 0 .5 λ时 ,基模 TEM0 的中心光强将下降 5 0 % ,而其等效光束发散角将增大到镜面无变形时的