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激光空间合束主镜优化设计与分析

汤伟 刘立生 刘扬 邵俊峰 郭劲

汤伟, 刘立生, 刘扬, 邵俊峰, 郭劲. 激光空间合束主镜优化设计与分析[J]. 中国光学(中英文), 2020, 13(3): 442-450. doi: 10.3788/CO.2019-0161
引用本文: 汤伟, 刘立生, 刘扬, 邵俊峰, 郭劲. 激光空间合束主镜优化设计与分析[J]. 中国光学(中英文), 2020, 13(3): 442-450. doi: 10.3788/CO.2019-0161
TANG Wei, LIU Li-sheng, LIU Yang, SHAO Jun-feng, GUO Jin. Optimization and analysis of a primary mirror for a laser incoherent combining system[J]. Chinese Optics, 2020, 13(3): 442-450. doi: 10.3788/CO.2019-0161
Citation: TANG Wei, LIU Li-sheng, LIU Yang, SHAO Jun-feng, GUO Jin. Optimization and analysis of a primary mirror for a laser incoherent combining system[J]. Chinese Optics, 2020, 13(3): 442-450. doi: 10.3788/CO.2019-0161

激光空间合束主镜优化设计与分析

doi: 10.3788/CO.2019-0161
基金项目: 激光与物质相互作用国家重点实验室自主基础研究资助项目(No. SKLLIM1805)
详细信息
    作者简介:

    汤 伟(1985—),男,黑龙江绥棱县人,博士,助理研究员,2014年毕业于中国科学院大学,获得博士学位,主要从事高能激光系统光机结构设计及激光辐照效应方面的研究。E-mail:twei222@163.com

    刘 扬(1988—),男,吉林长春人,博士,助理研究员,主要从事对流传热领域研究。E-mail:Liuyangdk@ciomp.ac.cn

  • 中图分类号: TN244

Optimization and analysis of a primary mirror for a laser incoherent combining system

Funds: Supported by National Key Laboratory of Laser Matter Interaction (No. SKLLIM1805)
More Information
    Corresponding author: Liuyangdk@ciomp.ac.cn
  • 摘要: 本文对激光空间合束主镜进行优化设计与分析,以抑制强激光空间合束系统主镜热畸变,提高主镜面形精度。首先,对比分析了选择不同材料作为主镜基底的优缺点,从理论上初步确定了主镜材料、镜体厚度、支撑方式和轻量化结构形式;然后,利用有限元方法对空间合束主镜进行了热畸变分析,并结合热畸变结果对镜体结构形式进行拓扑优化设计;最后,对主镜进行重力、环境适应性和基频分析,验证设计的合理性。分析结果表明:6光合束主镜在单束10 kW激光辐照下,随着辐照时间的增加,镜面温升值和P-V值逐渐增大;辐照3 min后初设计主镜表面温度达83.4 ℃,P-V值为155 nm,受镜体结构影响,辐照区内热畸变值不一致,差值约占镜面P-V值的1/6;为改善热畸变的不一致性,提高镜体强度,对主镜进行拓扑优化设计,优化后主镜轻量化达54.5%,辐照区热畸变一致性好,镜面热畸变量减小了近1/3;不同俯仰姿态下,主镜重力变形值基本相同,不足10 nm;环境温度的改变会引起主镜的镜面畸变和平移,稳态温差值越大,主镜面形P-V值和镜面平移量越大;模态分析显示主镜基频满足系统要求。本文研究结果将对激光空间合束系统的设计提供依据。

     

  • 图 1  Whiffle-tree九点支撑结构

    Figure 1.  Whiffle-tree nine-point support structure

    图 2  轻量化主镜模型示意图

    Figure 2.  Structural diagrams of lightweight primary mirror

    图 3  合束主镜温度、镜面P-V值与辐照时间t的关系

    Figure 3.  Relationship between temperature、P-V value of primary mirror and irradiation time

    图 4  微晶玻璃主镜有限元仿真结果

    Figure 4.  Simulation results of Zerodur primary mirror

    图 5  主镜的拓扑优化结果

    Figure 5.  Topology optimization results of primary mirror

    图 6  拓扑优化后主镜背部结构形式

    Figure 6.  Back structure of primary mirror

    图 7  主镜热畸变仿真结果

    Figure 7.  Simulation results of primary mirror thermal deformation

    图 8  主镜热变形仿真云图

    Figure 8.  Simulation cloud chart of primary mirror thermal deformation

    图 9  3种工况下主镜重力变形云图

    Figure 9.  Gravity deformation cloud chart of primary mirror under three different load cases

    图 10  不同环境温度下主镜镜面P-V值

    Figure 10.  P-V values of primary mirror in different ambient temperatures

    图 11  环境温度为 (a) −20 ℃和(b) 60 ℃时主镜面形云图

    Figure 11.  Thermal deformation cloud chart of primary mirror at −20 ℃ (a) and 60 ℃ (b)

    表  1  常见主镜材料的热物理参数

    Table  1.   Main parameters of common primary mirror materials

    材料密度(g/cm3)弹性模量(GPa)比刚度(E/ρ:106)比热C (J/kg∙℃)热膨胀系数α(10−6/K)热导率K(W/mK)热畸变(α/K:10−8)泊松比μ
    SiC3.0540012.66802.21851.30.16
    Zerodur2.5923.78210.051.463.40.24
    ULE2.2673.17660.031.32.30.17
    Be1.8528015.11 92511.41607.20.05
    熔石英2.2743.361 2100.561.3840.50.17
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-09-27
  • 修回日期:  2019-10-15
  • 刊出日期:  2020-06-01

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