夹持方式对镜面热变形及偏转的影响

　　在设计、加工米级以上的大口径光学系统时,为适应光学元件的大口径、大重量、高精度面形要求,设计复杂的支撑结构以减小对镜面面形的影响是一项重要课题。Bingham[1]认为,为了保证大口径光学元件的稳定性,必需对夹持系统的接触受力点、弹簧张力大小和温度稳定性等方面进行评估。中科院成都光电所[2]用Al-gor软件模拟了不同夹持方式下大口径轻质镜自重导致应力的不均匀性和镜面变形。

　　对于高功率激光器,腔镜的热变形严重影响激光光束质量。镜面热变形主要由材料受热沿轴向的线膨胀、温度变化产生的热应力引起的形变和因镜体周边受限不能自由膨胀而产生的挠曲变形等三部分组成。因此,当腔镜尺寸和结构确定以后,镜体的夹持方式就成为关键问题[3~5]。

　　在实际应用中,常采用机械式夹持圆形腔镜,它对热变形的影响实质就是热弹性体的边界条件效应。常用的夹持方式有压弹簧圈法和压板法固定腔镜,特殊情况下也采用三点支撑。材料刚性越大则变形就越小[6,7]。在常用的腔镜基底材料如紫铜、钼、单晶硅和熔石英等物质中,单晶硅的刚性最大,抗压能力较高,膨胀系数低和热导率高,因此本文选用硅做为腔镜基底材料。在图1中的三种方式中,图1(a)为压弹簧圈法(径向固定),图1(b)为压板法(轴向固定),图1(c)为三点支撑。

　　本文针对夹持方式对镜面热变形的影响,利用有限元方法分析各种常用的夹持方式,尝试提出合理有效的腔镜定位和加紧方法以指导夹具的设计。先讨论无约束时的自由膨胀及压弹簧圈法、压板法两种面约束固定方式下[8]的镜面热变形,再讨论特殊情况下的三点支撑方式的热变形,最后采用三点锥孔定位技术解决镜面偏转问题。

     1　热变形比较

　　首先建立硅镜的ANSYS有限元分析模型,设激光器光强分布均匀(多模运转)、光斑直径为40 mm;镜体净吸收热量为100 W,且与周围环境无对流换热,镜体尺寸为80 mm×12.5 mm(厚)。

　　前期的计算结果[8]表明,第5 s时硅镜径向温度分布,光斑表面中心温升最高,达到30.9℃。径向固定(ur=0)最大轴向变形值(指在整个镜面尺寸上的各点轴向变形值)为0.272 4μm,镜面轴向变形峰谷值(指光斑尺寸范围内的轴向变形最大、最小值之差)0.109 3μm;轴向固定(uz=0)的最大轴向变形值为0.363 9μm,镜面轴向变形峰谷值0.138 8μm。

　　三点支撑方式的三个支撑点通常在镜体边缘互呈120°分布,并假设这三点的径向和轴向变形都为0。图2为三点支撑方式的实心硅镜镜面的轴向变形uz沿半径的分布曲线。由于三个约束点位置均匀分布,因此镜面的面形不是像上面两种夹持方式那样在光斑处呈抛物面形状,而是呈有三个凸起的马鞍状分布,圆镜中心在三个“马鞍”的谷底。这样的面形实际上延缓了轴向变形沿径向的下降,减小了光斑区域的变形峰谷值,计算得到光斑区域的变形峰谷值为0.121μm。