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激光辐照下镀铬介质高吸收镜的热变形

聂山钧 郭劲 邵俊峰 王挺峰 汤伟

聂山钧, 郭劲, 邵俊峰, 王挺峰, 汤伟. 激光辐照下镀铬介质高吸收镜的热变形[J]. 中国光学, 2015, 8(1): 84-90. doi: 10.3788/CO.20150801.0084
引用本文: 聂山钧, 郭劲, 邵俊峰, 王挺峰, 汤伟. 激光辐照下镀铬介质高吸收镜的热变形[J]. 中国光学, 2015, 8(1): 84-90. doi: 10.3788/CO.20150801.0084
NIE Shan-jun, GUO Jin, SHAO Jun-feng, WANG Ting-feng, TANG Wei. Thermal deformation of high absorption chrome plated mirror irradiated by laser[J]. Chinese Optics, 2015, 8(1): 84-90. doi: 10.3788/CO.20150801.0084
Citation: NIE Shan-jun, GUO Jin, SHAO Jun-feng, WANG Ting-feng, TANG Wei. Thermal deformation of high absorption chrome plated mirror irradiated by laser[J]. Chinese Optics, 2015, 8(1): 84-90. doi: 10.3788/CO.20150801.0084

激光辐照下镀铬介质高吸收镜的热变形

doi: 10.3788/CO.20150801.0084
基金项目: 激光与物质国家重点实验室自主基础研究资助项目(No.SKLLIM1303)
详细信息
    通讯作者: 聂山钧(1989—),男,山东临沂人,硕士研究生,2011年于西安电子科技大学获学士学位,主要从事激光与物质相互作用方面的研究。E-mail:shjwind@sina.cn郭 劲(1964—),男,吉林长春人,研究员,博士生导师,主要从事激光与物质相互作用、激光探测方面的研究。E-mail:guojin@ciomp.ac.cn邵俊峰( 1984—) ,男,安徽宿州人,博士研究生,助理研究员,2006 年、2009 年于复旦大学分别获得学士、硕士学位,主要从事激光辐照效应、光电对抗技术方面的研究。E-mail:shaojunfeng1984@163.com王挺峰( 1977—) ,男,山东文登人,研究员,硕士生导师,1999 年、2002 年于吉林大学分别获得学士、硕士学位,2005 年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位,主要从事光电对抗技术方面的研究。E-mail:wangtf@sina.com汤 伟( 1985—) ,男,黑龙江绥棱人,博士研究生,2009 年于天津科技大学获得学士学位,主要从事激光辐照效应、热控方面的研究。E-mail:twei222@163.com
  • 中图分类号: TN249

Thermal deformation of high absorption chrome plated mirror irradiated by laser

  • 摘要: 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。
  • 图  1  反射镜结构示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of the reflection mirror

    图  2  反射镜温度仿真图及镜面变形随功率、光斑半径的变化

    Figure  2.  Simulation diagram of mirror temperature,and thermal deformation dependence of laser power and facula diameter

    图  3  镜面变形随镜体厚度的变化

    Figure  3.  Thermal deformation with different diameter and thickness

    图  4  镜面中心点温度和镜面热变形随时间的变化

    Figure  4.  Variation of mirror center temperature and thermal deformation with laser heating time

    图  5  镜面温度分布

    Figure  5.  Temperature distribution of the mirror

    图  6  热变形测量实验装置及哈特曼检测的原理

    Figure  6.  Experimental equipment for measuring thermal deformation and principle of Hartmann test

    图  7  波前面型和干涉图

    Figure  7.  Wavefront surface and interferogram

    图  8  镜面热变形PV值与激光辐照时间的关系

    Figure  8.  Thermal deformation vs laser heating time

    图  9  热变形与吸热功率和光斑大小的关系

    Figure  9.  Relationships of thermal deformation,absorbed power and diameter of the laser beam

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出版历程
  • 收稿日期:  2014-10-15
  • 录用日期:  2014-12-12
  • 刊出日期:  2015-01-25

激光辐照下镀铬介质高吸收镜的热变形

doi: 10.3788/CO.20150801.0084
    基金项目:  激光与物质国家重点实验室自主基础研究资助项目(No.SKLLIM1303)
    通讯作者: 聂山钧(1989—),男,山东临沂人,硕士研究生,2011年于西安电子科技大学获学士学位,主要从事激光与物质相互作用方面的研究。E-mail:shjwind@sina.cn郭 劲(1964—),男,吉林长春人,研究员,博士生导师,主要从事激光与物质相互作用、激光探测方面的研究。E-mail:guojin@ciomp.ac.cn邵俊峰( 1984—) ,男,安徽宿州人,博士研究生,助理研究员,2006 年、2009 年于复旦大学分别获得学士、硕士学位,主要从事激光辐照效应、光电对抗技术方面的研究。E-mail:shaojunfeng1984@163.com王挺峰( 1977—) ,男,山东文登人,研究员,硕士生导师,1999 年、2002 年于吉林大学分别获得学士、硕士学位,2005 年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位,主要从事光电对抗技术方面的研究。E-mail:wangtf@sina.com汤 伟( 1985—) ,男,黑龙江绥棱人,博士研究生,2009 年于天津科技大学获得学士学位,主要从事激光辐照效应、热控方面的研究。E-mail:twei222@163.com
  • 中图分类号: TN249

摘要: 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。

English Abstract

聂山钧, 郭劲, 邵俊峰, 王挺峰, 汤伟. 激光辐照下镀铬介质高吸收镜的热变形[J]. 中国光学, 2015, 8(1): 84-90. doi: 10.3788/CO.20150801.0084
引用本文: 聂山钧, 郭劲, 邵俊峰, 王挺峰, 汤伟. 激光辐照下镀铬介质高吸收镜的热变形[J]. 中国光学, 2015, 8(1): 84-90. doi: 10.3788/CO.20150801.0084
NIE Shan-jun, GUO Jin, SHAO Jun-feng, WANG Ting-feng, TANG Wei. Thermal deformation of high absorption chrome plated mirror irradiated by laser[J]. Chinese Optics, 2015, 8(1): 84-90. doi: 10.3788/CO.20150801.0084
Citation: NIE Shan-jun, GUO Jin, SHAO Jun-feng, WANG Ting-feng, TANG Wei. Thermal deformation of high absorption chrome plated mirror irradiated by laser[J]. Chinese Optics, 2015, 8(1): 84-90. doi: 10.3788/CO.20150801.0084
    • 在反射式传输光路中,受反射镜反射率的限制,镜体在反射过程中会吸收一定的热量而导致镜体温度的不均匀分布,从而导致镜体发生不规则变形,引起光束发生波前畸变,致使光束在传输过程中质量变差[1]。由于硅、铜、碳化硅等有较高的热传导率,国内外对硅、铜、碳化硅等基底的反射镜热变形及其主动冷却技术进行了广泛的研究[2,3,4,5,6,7]。K9玻璃由于价格低廉、易于加工等因素,在光学系统中得到了广泛的应用,国内外对其进行的研究以透射式居多[8,9,10],或为强制对流,或不考虑空气的温升。为了解决K9玻璃的热变形及其对光束传输特性的影响,有必要对自然对流时激光辐照下K9玻璃的镜面热变形进行研究。

      由于自然对流换热条件下,散热功率为hc(Ts-Tf),与镜体表面温度和镜体表面附近环境温差成正比,镜体附近空气在对流作用下温度升高,因此需考虑环境温度的变化对镜体温升的影响。本文采用fluent流体分析和static structural结构分析进行多域热固耦合,对以K9玻璃为基底,表面镀铬高吸收镜在不同光束辐照下的热变形进行了分析,同时对反射镜厚度对镜面热变形的影响进行了探讨,最后通过实验验证了镜面热变形随吸收功率和光斑大小的变化,并测得了镜面变形随时间的变化。

    • 反射镜基底材料为K9玻璃,其材料参数[11]密度为2 510 Kg/m3;比热为879 J/(kg·K-1);热传导率为1.1 W/(m·K-1);热膨胀系数为8.6×10-6 K-1;杨氏模量为82 GPa;泊松比为0.21。

      反射镜表面镀高反膜,镜体厚为h,直径为D0,其结构如图 1所示。

      图  1  反射镜结构示意图

      Figure 1.  Schematic diagram of the reflection mirror

      激光光束沿45°角入射时,热传导方程在直角坐标系(x,y,z)下表示为[12]:

      式中,a=λ/(ρ·C),λ为导热率,ρ为密度,C为比热;t为照射的时间。

      镜体表面与空气以自然对流换热,热对流系数为10 W/(m2·K) ,环境温度为25 ℃,由于镜体温度较低,热辐射对温度的影响极小,可忽略热辐射散热。

      连续激光辐照下,由于反射镜膜层的厚度远小于基底的厚度,故膜层内的应力应变场对反射镜热畸变的影响均可忽略。又因连续激光的辐照时间远大于反射镜的共振周期,反射镜的热致弹性振动也可忽略。所以反射镜的热畸变可由基底材料内的忽略体应力及惯性力的热弹方程来描述[13] :

      式中,ux、uy、uz分别为基底材料内(x,y,z)点上的位移u在x,y,z方向上的分量,e为体应变,αT为热膨胀系数,v为泊松比。

      由于反射镜镜体较薄,较小的夹持力也会使反射镜产生较大的镜面变形,故而镜体采用自由边界条件。

    • 取反射镜厚度h0为1 mm,直径D0为25 mm,辐照光束为基模高斯光束,图 2(a)、2(b)为吸收功率为0.185 W,光斑大小为5 mm,镜体达到热平衡后镜体及周围空气在x=0平面上的温度分布,中间方框区域为反射镜。当吸收功率分别为0.085、0.11、0.14、0.16、0.185 W时,光斑直径D分别为5、7.5、10、12.5、15 mm时,当镜体达到热平衡后,镜面变形PV值如图 2(c)和2(d)所示。

      图  2  反射镜温度仿真图及镜面变形随功率、光斑半径的变化

      Figure 2.  Simulation diagram of mirror temperature,and thermal deformation dependence of laser power and facula diameter

      图 2(a)、2(b)可知,镜体附近空气温升达60 ℃,此时若将周围环境温度设置为室温,由对流散热公式可知,镜体达到热平衡时,镜体温升比实际情况要小很多,此时镜面热变形要小于实验结果。实际上,由于空气温度的升高,镜体达到热平衡时,相较于将环境温度设为室温,镜体温度比之高出近20 ℃,镜面热变形比之高出0.15 μm,故此时必须考虑环境温度变化对镜体温度和热变形的影响。由图 2(c)可知,当光斑大小一定时,镜面变形随吸收功率的增加近似线性增加,且光斑越小,热变形随功率增加的略快。由图 2(d)可知,当吸收功率一定时,随着光斑直径的增加,镜面热变形变小。由于光照面功率密度与光斑直径的平方成反比,故光斑越小,热变形随吸收功率的变化率越大。

    • 取吸收功率为0.185 W,当光斑直径分别为5、10、15 mm时,反射镜镜面热变形PV值随镜体厚度的变化如图 3所示。

      图  3  镜面变形随镜体厚度的变化

      Figure 3.  Thermal deformation with different diameter and thickness

      图 3可知,随着厚度的增加,热变形略有减小,但由于热变形下降很小,故可认为厚度在1~5 mm范围内,镜面热变形与镜体厚度几乎无关。若镜体厚度太小,则较小的加持力将会使镜体产生较大的挠曲应变,因此在选择反射镜时不必考虑其厚度会对镜面热变形产生影响,而是要考虑其结构强度。

    • 取光斑直径为5 mm,镜体厚度为1 mm,吸收功率为0.185 W,镜面中心点温度和镜面热变形PV值随时间的变化如图 4所示。

      图  4  镜面中心点温度和镜面热变形随时间的变化

      Figure 4.  Variation of mirror center temperature and thermal deformation with laser heating time

      在光照初始阶段,由于镜体温度较低,吸热功率远大于散热功率,中心点温度快速上升,反射镜整体温度也快速增加,因此镜面变形在初始阶段快速上升;随着光照时间的增长,镜体整体温度变大,与周围环境的温差变大,热对流散热逐渐变大,镜体的净吸热随温度的增加逐渐减小,镜体最终达到热平衡。由图 4可知,在初始阶段镜面变形增长较快,50 s后,由于镜体净吸热较小,镜体温度增加变缓,此时反射镜整体温度升高,局部温差变化很小,故镜面变形随时间增加变化缓慢。 关闭辐照激光后,由于此时散热量近似等于辐照激光功率,故反射镜温度急剧下降,镜面热变形也快速下降;随着散热时间加长,镜体与环境的温差变小,镜体温度下降变缓,经300 s后,基本下降至环境温度;经40 s后,镜面基本恢复至初始状态。

    • 首先,用红外热像仪对镜体温度进行测量,其测温精度与镜体辐射系数有关,对光斑直径为5 mm,镜体厚度为1 mm,吸收功率为0.185 W,镜体达到热平衡时镜面温度进行测量,反射面温度分布如图 5所示。对光照中心点,测得的温度为91.7 ℃,与理论计算值92.5 ℃相差约0.8 ℃,由图 4可知,因为镜面热变形与镜体温度梯度有关,而与镜体整体温度无关,所以镜面热变形随着镜体温升的变化逐渐变缓。

      图  5  镜面温度分布

      Figure 5.  Temperature distribution of the mirror

      采用哈特曼波前传感器对镜面热变形进行了测量,实验装置如图 6所示。半导体激光器数值孔径为0.22,发散角为0.2 rad,45°角照射在反射镜上。He-Ne光源经准直后经过分光板照射在反射镜上,反射回的光束再经分光板的反射,经缩束后照射在哈特曼波前传感器的微透镜阵列上,通过阵列微透镜将目标成像在CCD焦面上,形成一阵列图像,其中每一子图像的相对平移代表着相应子孔径处波前斜率的变化。采用未照射辐照激光时的图像作为参考,并假定其对应的波前斜率为0,通过相关处理方法计算每一个子图与参考子图像间的相对平移量,即可得到每一子孔径处的波前斜率,然后通过Zernike多项式拟合等方法,可重构出整个波前。由于是反射式系统,此波前即相应的镜面热变形的2倍。

      图  6  热变形测量实验装置及哈特曼检测的原理

      Figure 6.  Experimental equipment for measuring thermal deformation and principle of Hartmann test

      通过功率计测量并计算出反射镜的吸收功率,用哈特曼传感器对He-Ne光源波前进行多次测量,经计算可得测量系统的测量精度为0.006 μm。

    • 测量过程中经数据处理系统可直接得到波前面型和干涉图,图 7为吸收功率0.185 W,光斑直径为5 mm,光照100 s时的波前面型和干涉图。

      图  7  波前面型和干涉图

      Figure 7.  Wavefront surface and interferogram

      吸收功率为0.185 W,光斑直径为5 mm时,半导体激光束照射120 s后关闭激光器,镜面变形量随时间的变化如图 8所示。

      图  8  镜面热变形PV值与激光辐照时间的关系

      Figure 8.  Thermal deformation vs laser heating time

      由图可知,镜面变形量在初始不到1 s之内就上升至0.27 μm,之后随着镜体净吸热功率的降低上升速度逐渐变缓,80 s后热变形为0.534 μm,基本达到热平衡。关闭辐照激光后,反射镜温度快速下降,镜面热变形在1 s内即下降至0.3 μm,之后随着反射镜温度的降低下降趋势有逐渐减缓,100 s后镜面基本恢复至初始状态。

      不同功率和大小的光束照射下镜面热变形实验值与仿真结果如图 9所示,其中虚线表示仿真结果,实线为实验测量结果。

      图  9  热变形与吸热功率和光斑大小的关系

      Figure 9.  Relationships of thermal deformation,absorbed power and diameter of the laser beam

      测量过程中光斑大小的不确定性将产生误差。由基模高斯光束的能量分布方程可知,能量密度和光斑直径的平方成反比,取ζ=1/D,对图 2(d)所示热变形量随ζ的变化用最小二乘法进行二次多项式拟合,得:

      经计算可得,光斑大小引入的误差为:

      吸收功率为0.185 W时,将计算得到的a、b和光斑大小带入,取光斑直径的相对误差为±5%,ΔD将引入约±0.01 μm的误差。

      同时,由图 2(c)可知,在吸收功率为0.085~0.185 W范围内,反射镜热变形与吸收功率近似成线性关系,经计算可得,反射镜吸收功率与半导体激光束入射角度的关系可表示为:

      由半导体激光束入射角引入的误差为:

      其相对误差为:

      当辐照光束偏角为2°,镜面热变形为0.3 μm时,Δθ引入的误差即达0.01 μm。由图 9可知,理论仿真与实验结果之间的绝对误差在0.015 μm之内,考虑到上述两种测量误差的存在 可知,理论仿真与实验结果吻合。

    • 本文对K9玻璃为基底,镀铬高吸收镜在不同激光辐照下的镜面热变形进行分析,结果表明,在吸收功率为0.085~0.185 W范围内,镜面吸收功率密度越大,则热变形越大;镜片厚度在1~5 mm范围内,热变形与厚度几乎无关。实验中光斑大小引入的误差约为0.01 μm ,辐照光束角度引入的相对误差与角度的误差在数值上相等。

参考文献 (1)

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