大口径反射镜波前畸变控制技术

　  波前畸变指标影响光束的强度分布，是高功率固体激光装置光学元件最重要的技术指标之一。国内外相关激光装置研究结果表明，影响光束波前畸变的主要因素包括光学元件面形误差、泵浦引入的镜片波前畸变等。在惯性约束聚变（ＩＣＦ）装置中，泵浦引入的波前畸变，将由变形镜校正，因此全系统总体波前畸变主要由光学元件的面形精度确定，而影响面形精度的主要因素为镜片的自身重力和装校应力，由重力引起的面形精度变化与镜片放置角度关系较大。ＮＩＦ设计者分析预示了安装于支架上的镜片在铅直平面内由其自身重量引起的面变形小于λ／５０；但是即使沿周边全支撑的反射镜其中间重力下沉可达１倍到２倍波长。因此，他们认为最好使用处处刚性夹持的柔性连接［１］。文献［２］中介绍组装放大镜（矩形）套件（４片为１套），采用波纹钢Ｍａｒｃｅｌ弹簧及屏框。波纹弹簧沿镜片端部分配荷载及屏框的容差共同来阻止由机械载荷导致玻璃产生的非均匀应力场。曹庭分等人对大口径（矩形）ＫＤＰ晶体夹持方式及变形进行了分析计算，认为低应力夹持的实现取决于夹持点的位置，要控制晶体面变形，必须控制侧面夹持力大小，结论认为侧面夹持力不得大于２Ｎ／ｃｍ，总载荷应控制在６０Ｎ以内［３］。同时认为夹持点置于接触区十分重要，接触点在非接触区时可能会引起１０μｍ以上的晶体面形改变，由此得出镜片及支撑的加工精度对晶体夹持面形影响很大。本文主要考核由夹持引起的附加波前畸变，即实现镜片的低应力夹持。介绍了大口径反射镜结构设计，着重对影响面形精度的结构要素进行优化设计和计算分析。利用光测方法对结构的装夹进行镜片面形精度测试，得到几种状态下的面形精度结果。

    １　反射镜结构设计

　  为使大口径反射镜（ＵＢＫ７，镜片外形尺寸６１０ｍｍ×４４０ｍｍ×８５ｍｍ，质量约６０ｋｇ）能在系统运行周期内满足镜片面形精度要求，减小反射镜在夹持及重力条件下的镜面变形，必须设计出合理的反射镜支撑结构。这涉及到优选合理的支撑结构形式及材料、支撑结构与镜片间的连接方式及镜框支撑点几何位置排布等。

    １．１　反射镜支撑结构设计

　   一般大口径反射镜采用的支撑方式主要有：中心支撑、周边支撑、背部支撑（３点支撑、６点支撑、９点支撑等多层支撑方式）和侧面支撑（带／袋子悬挂法、气／水银带／带浮托法等），由于ＩＣＦ装置要求镜片背部通光，周边支撑是较合适的支撑方式。如何设计出既使镜片牢固可靠地连于镜框上，而又不致于因为连接引起镜片的应力和应变，从而造成附加的波前畸变，就成为设计的关键问题。设计的结构如图１（ａ）所示，包括镜框、压板、垫片、胶钉以及安装用的球头组件等，镜片通光口径为４２０ｍｍ×４２０ｍｍ，外形尺寸为６５０ｍｍ×７３０ｍｍ×１３２ｍｍ，总质量约８５ｋｇ。镜片安装于镜框和压板间，与镜框底面之间垫有垫片，安装好镜片后，调节位于镜框侧面和压板上的胶钉图１（ｂ）的拧紧力实现对镜片的低应力夹持和控制镜片的附加面形畸变。镜框（结构见图１）为镜片提供稳定的支撑，应保证足够的刚性和强度。设计选用与镜片热膨胀系数接近的铝合金作为镜框材料，其结构参数经过优化分析满足力学要求以保证承载要求。