發(fā)布時(shí)間：2020-05-27 01:41

【摘要】：自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中,用作波前像差校正器的變形鏡可以經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)地變化自身反射鏡面的面型對(duì)光學(xué)系統(tǒng)中存在的波前畸變進(jìn)行補(bǔ)償與校正,在天文學(xué)、視網(wǎng)膜成像、空間遙感與偵查衛(wèi)星、生物顯微鏡、高能激光等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。當(dāng)今,比較常見(jiàn)的變形鏡有靜電薄膜變形鏡、電磁變形鏡、壓電堆棧變形鏡以及壓電片式變形鏡。自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)可應(yīng)用在高能激光系統(tǒng)上,進(jìn)行激光系統(tǒng)的腔內(nèi)與腔外的光束凈化。然而,在高能激光領(lǐng)域中,激光對(duì)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的熱沉積將使變形鏡溫度升高,進(jìn)而產(chǎn)生一定的熱應(yīng)力,影響變形鏡對(duì)像差的校正性能,甚至使得鏡面溫升過(guò)高而導(dǎo)致變形鏡元器件損傷。作為自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵部件,變形鏡在使用中應(yīng)該具有足夠的熱穩(wěn)定性。本文以單壓電片變形鏡為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),以設(shè)計(jì)大變形量、高校正精度、強(qiáng)冷卻能力的變形鏡為目標(biāo),對(duì)一種水冷式單壓電片變形鏡進(jìn)行研究。具體研究工作如下:(1)水冷式單壓電變形鏡的仿真優(yōu)化。根據(jù)高能激光場(chǎng)合對(duì)變形鏡的要求,研究設(shè)計(jì)了一種水冷式的單壓電片變形鏡。變形鏡正面有效口徑區(qū)域由口徑邊緣致動(dòng)器驅(qū)動(dòng),反面與冷卻水接觸,可實(shí)現(xiàn)冷卻液與電氣連接的物理分離。使用有限元法建立變形鏡的仿真模型,研究變形鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其校正能力的影響,優(yōu)化了變形鏡的電極尺寸和用于光束校正的有效口徑大小,并對(duì)優(yōu)化的變形鏡做進(jìn)一步的校正能力分析,最后確定了變形鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)。為初步分析變形鏡在高能激光場(chǎng)合下的穩(wěn)定性,使用有限元方法分析了變形鏡的冷卻能力,仿真預(yù)測(cè)了變形鏡在激光直射下其溫度變化情況以及熱變形情況。仿真結(jié)果顯示變形鏡能夠在10 kW級(jí)別的激光照射條件下穩(wěn)定工作,溫升僅至53℃,變形量不超過(guò)0.6μm。(2)水冷式單壓電片變形鏡的制備。根據(jù)仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)的指導(dǎo),制備了水冷式單壓電片變形鏡原型樣機(jī)。介紹了變形鏡的制備流程,描述了制備過(guò)程中影響變形鏡性能的重要步驟。對(duì)變形鏡壓電片內(nèi)圈邊緣的燒蝕情況進(jìn)行了檢測(cè),得到了較好的激光切割質(zhì)量。使用了合理的夾具配置、常溫固化方案、石英圓環(huán)固支方式以及封裝設(shè)計(jì)等方式,制備了性能良好的變形鏡原型樣機(jī)。(3)水冷式單壓電片變形鏡的性能表征。首先介紹了自適應(yīng)光學(xué)測(cè)試平臺(tái),使用自適應(yīng)光學(xué)測(cè)試平臺(tái)對(duì)制備的變形鏡樣機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)測(cè)得了變形鏡的影響函數(shù)和初始鏡面形貌,并對(duì)變形鏡的初始面型實(shí)驗(yàn)校平。測(cè)試結(jié)果顯示15 mm有效口徑校平后殘余誤差RMS測(cè)試結(jié)果僅26 nm。實(shí)驗(yàn)對(duì)前14項(xiàng)Zernike像差進(jìn)行了重構(gòu),結(jié)果顯示在±50V電壓范圍內(nèi),變形鏡對(duì)斜像差(Z1/Z2)、像散像差(Z3/Z5)、離焦像差(Z4)、慧差(Z7/Z8)的重構(gòu)PV值約分別達(dá)到40μm、24μm、18.7μm、6μm,重構(gòu)能力良好。對(duì)前9項(xiàng)Zernike像差進(jìn)行重構(gòu)后的歸一化殘余誤差小于3.2%,校正精度較高。最后模擬實(shí)際使用情況,對(duì)變形鏡進(jìn)行了冷卻液加載實(shí)驗(yàn),加注冷卻液后產(chǎn)生的水壓對(duì)變形鏡初始面型僅產(chǎn)生以離焦、像散為主的低階像差,初始面型RMS值增加至1.33μm,校平后殘余誤差為42 nm,校平鏡面所消耗的最大電壓差值約20 V,變形鏡仍保留有較強(qiáng)的重構(gòu)能力,滿足變形鏡的使用需求。
【圖文】：

寧波大學(xué)碩士學(xué)位論文- 2 -圖1.1 自適應(yīng)光學(xué)原理Fig. 1.1 The principle of adaptive optics1.2 自適應(yīng)光學(xué)的應(yīng)用從 20 世紀(jì) 80 年代末直到目前，自適應(yīng)光學(xué)得到了拓寬應(yīng)用[6]-10]。1989 年至 1990 年期間，，法國(guó)空間研究院研制了一套自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用夏克-哈特曼（Shack-Hartman）波前傳感器來(lái)檢測(cè)光的波前畸變信息，使用 19 單元連續(xù)鏡面變形鏡對(duì)光波進(jìn)行校正，此自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)分別在法國(guó)的“普羅旺斯”天文臺(tái) 1.52 m 天文望遠(yuǎn)鏡與智利的“拉-西拉”的歐洲南方天文臺(tái) 3.6 m 天文望遠(yuǎn)鏡上取得了實(shí)驗(yàn)成功，是自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)在天文觀測(cè)上應(yīng)用的一個(gè)里程碑。位于夏威夷“冒納凱亞”的北美 Keck 天文望遠(yuǎn)鏡使用拼接式鏡面結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，在1999 年成功觀測(cè)到了海王星及其云帶結(jié)構(gòu)。圖1.2 Keck 天文臺(tái)與其觀測(cè)到的海王星紅外圖像Fig. 1.2 Keck observatory and Neptune infrared image自適應(yīng)光學(xué)也為天文學(xué)以外的其他領(lǐng)域的繁榮做出了巨大的貢獻(xiàn)。1994 年，美國(guó)研究人員醫(yī)學(xué)領(lǐng)域引入了自適應(yīng)光學(xué)

圖1.1 自適應(yīng)光學(xué)原理Fig. 1.1 The principle of adaptive optics用代末直到目前，自適應(yīng)光學(xué)得到了拓寬應(yīng)用[6]-10]。院研制了一套自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用夏克來(lái)檢測(cè)光的波前畸變信息，使用 19 單元連續(xù)鏡面統(tǒng)分別在法國(guó)的“普羅旺斯”天文臺(tái) 1.52 m 天方天文臺(tái) 3.6 m 天文望遠(yuǎn)鏡上取得了實(shí)驗(yàn)成功，是里程碑。位于夏威夷“冒納凱亞”的北美 Keck 光學(xué)系統(tǒng)，在1999 年成功觀測(cè)到了海王星及其云
【學(xué)位授予單位】：寧波大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TH74

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 李國(guó)會(huì);盧飛;徐宏來(lái);向汝建;何忠武;吳晶;胡平;羅亦耕;杜應(yīng)磊;;主動(dòng)冷卻式一維變形鏡技術(shù)研究[J];中國(guó)激光;2015年06期

2 王立軍;寧永強(qiáng);秦莉;佟存柱;陳泳屹;;大功率半導(dǎo)體激光器研究進(jìn)展[J];發(fā)光學(xué)報(bào);2015年01期

3 林旭東;劉欣悅;王建立;李洪文;王富國(guó);衛(wèi)沛鋒;王亮;姚凱男;賈建祿;;961單元變形鏡研制及性能測(cè)試[J];光學(xué)學(xué)報(bào);2013年06期

4 周虹;官春林;戴云;;用于自適應(yīng)光學(xué)視網(wǎng)膜成像系統(tǒng)的雙壓電片變形反射鏡[J];光學(xué)學(xué)報(bào);2013年02期

5 張翔;蘇禮坤;蔡青;;全固態(tài)Nd:YAG激光器熱效應(yīng)及輸出光束波前像差分析[J];光學(xué)學(xué)報(bào);2010年03期

6 姜文漢;楊澤平;官春林;張小軍;饒長(zhǎng)輝;張雨?yáng)|;李恩德;許鴻;黃林海;凡木文;施寧平;;自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)在慣性約束聚變領(lǐng)域應(yīng)用的新進(jìn)展[J];中國(guó)激光;2009年07期

7 蔡冬梅;姚軍;姜文漢;;液晶空間光調(diào)制器用于波前校正的性能[J];光學(xué)學(xué)報(bào);2009年02期

8 張雨?yáng)|;姜文漢;史國(guó)華;凌寧;戴云;薛麗霞;余翔;饒學(xué)軍;;自適應(yīng)光學(xué)的眼科學(xué)應(yīng)用[J];中國(guó)科學(xué)(G輯:物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué));2007年S1期

9 劉良清;袁孝;;微變形鏡內(nèi)腔補(bǔ)償激光模式畸變研究[J];強(qiáng)激光與粒子束;2007年05期

10 樓祺洪;周軍;朱健強(qiáng);王之江;;高功率光纖激光器研究進(jìn)展[J];紅外與激光工程;2006年02期

本文編號(hào)：2682738