大口径反射镜的ANSYS有限元分析及实验研究

引言

    大口径反射镜的面形主要取决以下几个方面:一是在加工中留下的面形误差[1-3];二是在装校过程中引人的面形误差;三是倾斜放置时因重力而造成附加的面形误差。本文中讨论的大口径反射镜是高功率固体激光装置中最重要的光学元件之一，激光聚变研究中心即将建造的大型高功率固体激光装置共用276块大口径反射镜，且大多数需倾斜放置。要求反射镜最终使用状态下的面形误差值DPv优于λ/6[4-8]，实现这一目标需要对大口径反射镜进行有限元分析及相关的实验研究[9-11]。

1大口径反射镜ANSYS有限元分析

1.1反射镜建模参量选择

该固体激光装置拟采用的主体反射镜尺寸为610mm x440mm x 85mm，使用材料为K9，故选择建模参量见表1.

1. 2  ANSYS模拟反射镜单元划分

考虑到计算机计算和求解精度等实际情况，对反射镜模型的单元划分见表2。节点总数:25110;单元总数:21472;边界条件:底面4条边约束;受力状况:重力方向为一方向，即平放状态。

1.3仅受重力引起的形变

图1a是反射镜与硅胶的接触模型，图1b是利用此模型计算得到仅受重力的形变结果，可以看出最大形变只有0. 079 μm，约λ /8.

1.4刚性约束和柔性约束应力分布比较

图2a是刚性约束的应力分布图，图26是柔性约束的应力分布图，可以看出柔性约束的应力分布比较好。

1.5相同外力下侧面某处受力面积s改变后面形变化情况

    图3a是隔离反射镜的独立模型，图3h是利用此模型得到的等效Dp，与受力面积S改变的关系曲线图。可以看出，随着受力面积S的增大，等效DP、值逐渐减小，且趋于缓慢。

2实验研究

2.1实验原理

如图4a所示，实验铝镜是1块表面镀铝的K9材料反射镜，与检测光线呈45。竖直放置，调节标准反射镜和标准半透反射镜使得光强1。与光强h发生干涉，根据干涉图样测量出铝镜面形，这样放置可以固定铝镜，便于进行夹持实验时使用4-D干涉仪检测。而传统方式是将待测铝镜与检测光线呈0。竖直放置，需要直接调节被测铝镜的方位，固定起来不方便，不利于夹持实验研究。

   I1与I2发生干涉，二者叠加后光强为:

式中，I为叠加后光强，I1,为经过标准半透反射镜反射后没有引人相位差的光强，φ1为对应相位，I2为经过铝镜和标准反射镜反射后引人相位差的光强，φ2为对应相位。当中φ1为0π,0.5π,1π,1.5π时，通过CCD测量叠加后干涉图样的强度分布。而CCD上的图像强度分布与叠加后光强了成正比，故通过(1)式可以得到φ1为0π,0.5π,1π,1.5π时的4个方程，其中I前面带有一个未知系数，再通过比例得到含I1 ,I2和中φ2的3个方程，联立解得φ2，忽略标准反射镜和标准半透反射镜的面形误差，则}z便是铝镜引起的相位改变，从而得到铝镜面形误差引起的相位分布。