微振动激励作用下编组站镜架对光束指向的影响

　　结构稳定性是高功率固体激光装置建设中必须要考虑的问题,随着装置规模的不断增大和光路的增长,高功率固体激光装置对内部光学元件的结构稳定性也提出了更高的要求。根据光学元件稳定性指标分配理论,随着光学元件的增多,每个光学元件分得的稳定性指标必然减少。以美国NIF装置为例,在2 h的打靶过程中,它对反射镜稳定性的指标要求为0.68μrad[1]。环境微振动是影响光学元件稳定性的主要激励源之一,因此,环境微振动对光学元件稳定性的影响分析是非常重要的[2]。编组站是靶场中光路传输系统重要的组成部分,每个编组站镜架支撑4个反射光学元件,任何一个光学元件稳定性不满足要求都可能造成打靶的失败。由于光学元件的特殊性,不能采用传感器直接测量光学元件在安装状态下的变形,本文应用有限元分析软件建立编组站镜架和光学元件的有限元模型,采用数字式地震仪测试的环境振动载荷施加到编组站镜架模型上,分析光学元件在环境振动载荷作用下的响应,从而得出环境振动对光束指向的影响。

    1　编组站镜架在微振动作用下的理论分析

　　为降低环境振动对编组站的影响,将编组站安装在一个平板基座上,在分析中可以假定整个编组站上所有各点受基座的激励都是相同的。根据达朗贝尔原理[3],编组站在基座微振动激励作用下的响应可以表示为

式中:第一项为作用在镜架上的惯性力,而其中的-[M]({I} g)即是由基座振动引起的惯性力,也即是镜架振动的输入载荷。整理上式得

式中:[M]为结构的质量矩阵;[C]为结构的阻尼矩阵;[K]为结构的刚度矩阵;[y],[.y],[ ]分别为结构相对于基座的位移、速度、加速度向量;[I]为与方向有关的单位列向量; g为镜架基座的运动加速度。

　　方程(1)的解即为由于基座运动引起镜架结构的位移。由于方程(1)中各项难以准确给出,其求解方法通常以镜架基座平台3个方向(X,Y,Z向)的随机运动功率谱为输入,应用ANSYS分析软件的谱分析模块,得到镜架在基座随机运动功率谱作用下的响应。

    2　编组站建模与分析

    2.1　编组站镜架有限元模型和模态分析

　　编组站对光束起到分组、改变光束传输方向的作用,每4个大口径光学元件构成一个编组站;考虑光束传输路径,编组站镜架设计采用了非对称结构。图1为编组站镜架及光学元件的3维模型,为了后面对结果处理的方便,自上到下光学元件分别用字母A,B,C及D进行标识。为提高模型的分析精度,采用带中节点的SOLID95单元对模型进行网格划分,得到图2所示编组站镜架及光学元件的有限元模型。