大口径反射镜组件设计及稳定性研究

　　1　引　言

　　用于高能量密度物理实验的惯性约束聚变(ICF)装置的高精度大口径反射镜主要完成激光束的引导和传输,其数量众多,安装复杂,反射镜及镜架组件结构的稳定性直接影响最终的打靶精度,一般对反射镜组件结构稳定性的要求是保证所有激励源引起的反射镜片漂移的均方根值<0.6μrad(重点考虑旋转量)。同时,为了控制光学系统中光束的波前质量,对厚重的大口径反射镜片的面变形要求严格,不仅加工苛刻,还要求由重力和装夹应力引起的反射波前畸变误差<λ/3(λ=632.8 nm),整个激光装置的内部洁净度为百级,在维修更换反射镜时要求速度快并且保证复位后的定位精度,而重复定位精度需<20μrad。本文采用模块化方法,缩短更换镜片时间,并且依据精确定位原理,设计了运动学支承结构,从而可同时保证反射镜片的精确定位和准确复位。反射镜需保证二维正交手动调节,要求调整精度<30″,二维正交性<10″。

　　2　结构设计

　　整个支承结构由反射镜框组件、运动学定位调整支承、反射镜架和密封罩等组成(见图1)。反射镜架为不锈钢型材焊接刚架,镜架上焊有出入光管道接口;密封罩与镜架通过快速联接件连接,与管道一起构成光束传输的密闭通道。

　　2.1　可调整运动学支承结构

　　整个结构的设计关键之一是运动学定位调整支承,运动学支承的设计原理源于精确约束理论,即为了准确定位两个物体,需要约束6个相关的自由度,因此两个物体间要求6点接触以限制要约束的6个自由度。运动学支承通过两物体间6个接触区域实现刚性和可重复定位,其原理如图2所示。上侧物体与3个定位球相连,下侧物体与圆锥、V型槽和平面块相连。圆锥块约束上侧物体的3个平移自由度(沿x、y、z轴),V型槽(V型块对称中心面与圆锥轴线共面)约束上侧物体的两个转动自由度(绕y、z轴),平面块约束绕x轴的转动,这样上侧物体的6个自由度就被精确约束了。

　　2.1.1　定位精度分析

　　在定位精度分析中假设接触物体是刚性的,弹性变形仅发生在接触区域,另外不考虑接触点摩擦力的影响,分析过程见图3。可以利用结构的几何关系矩阵来分析运动学支承的定位精度。分析的3个步骤为:接触力的确定,接触点变形计算,总体定位误差的确定。

　　首先,根据结构的坐标系列出力平衡和力矩平衡方程:

　　式中:Fi—接触点接触力的矢量;

　　ni—接触力的方向向量;

　　fi—接触力的幅值;

　　Fa—外力;

　　ri—接触力施力点力矩臂;

　　Ta—外力矩。

　　公式(1)合并简化可得: