摘 要: 在高功率激光辐照下,激光腔镜的夹持方式对热变形和偏转有很大影响。在理论上,采用AN-SYS软件计算了硅镜(80 mm×12.5 mm),在特定辐照条件(100 W,40 mm、均匀、同轴、5 s)下的不同夹持方式下的热变形,径向固定的热变形镜面峰谷值(0.109 3μm)小于轴向固定的热变形峰谷值(0.138 8μm),三点固定的(0.121μm)介于二者之间。在实验上,硅镜(75 mm×12.5 mm)在特定辐照条件(100 W、光斑椭圆17mm×20 mm,5 s)下,压圈法(径向固定)的热变形为0.32μm,镜面倾斜角为0.63μrad;压板法(轴向固定)的热变形0.49μm,镜面倾斜角为0.28μrad。当采用三点锥孔定位法时,通过干涉条纹可发现镜面偏转减少。
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。
2 最大应力比较
表1中列出了不同夹持方式下的最大拉伸应力和最大压缩应力的计算值。发现,自由膨胀时的最大拉应力在镜体边缘,最大压应力在光斑区域边缘(r=20 mm),这时的应力是由温升不均匀性引起的。径向固定时,最大拉伸应力出现在光照区域边缘,即r=20 mm处,且较小;最大压缩应力是在光斑中心位置。当轴向固定时,最大拉伸应力在镜体表面靠近边界处,最大压缩应力则是出现在硅镜侧面上。三点支撑的方式下由于应力过于集中,所以最大拉应力和最大压应力都出现在接触点位置,从表中计算结果可知,其值都远大于其它几种情况。
3 实验结果
用于实验的光学抛光硅镜,其尺寸为75 mm×12.5 mm,用光闸控制的激光照射时间为5 s,镜面上的椭圆光斑大小为17 mm×20 mm,净吸收激光功率为100 W。采用的机械固定方法分别为压弹簧圈法、压板法和三点定位夹持方式。
变形干涉图经过数据处理后获得镜面各点的变形值,在两种固定方式下的镜面变形曲线如图3所示。
可见,虽然压弹簧圈法的最大变形大于压板法,但其相对变形,即变形峰谷值却小于压板法,压弹簧圈法(径向固定)的镜面变形峰谷值为0.32μm,压板法(轴向固定)的镜面变形峰谷值为0.49μm。计算结果与实验结果的比较列于表2。表2显示计算值都小于试验值,是由于在计算时采用刚性约束造成的,而在实际装夹时是存在接触应力的,但压圈法和压板法的相对大小不变。另外,实验时随着时间变化,变形干涉条纹数开始增多,即镜面产生倾斜,压弹簧圈法要比压板法更密一些。经过测量,压弹簧圈法的镜面倾斜角为0.63μrad,压板法的镜面倾斜角为0.28μrad,压弹簧圈法的倾斜角大于压板法。
在实验中产生镜面倾斜角的原因由以下两方面引起。用ANSYS模拟时,假设为均匀光斑,因此并不存在镜面倾斜。实际的光斑一般是不均匀且不对称的[9],这是由激光束受增益介质分布不均匀引起的,光斑光强的不均匀性会导致热变形不均匀,从而发生镜面倾斜[10];另外,在计算中假设约束是均匀的面接触,而实际上受镜面加工和镜体装配误差的影响,一般是非均匀分布的点约束,这种情况下很容易产生非均匀的热变形。
4 三锥孔定位偏转实验
为了解决镜面倾斜的问题,在夹持方式上,采用了三点锥孔定位专利技术[11]。现有镜架对镜子的夹持通常是端面压圈或侧面压圈,新的夹持方法是在镜子侧面开三个孔,镜架上在相对位置用三个锥体顶住,接触面大、解决了约束点分布不均匀的问题,因此可以用较大的夹持力固定镜子,提高了镜子的空间稳定度,可以大大减小镜面倾斜角。图4是三点锥孔定位图,图5分别采用压板法和三点锥孔定位的夹持方式时,实心硅镜镜面条纹数的变化比较,条纹数目越多则说明镜面倾斜角越大,显然,三点锥孔定位的倾斜角远小于压板法。
5 小 结
利用ANSYS有限元软件模拟了不同夹持方式下的腔镜镜面热变形。计算表明,径向固定法效果要好于轴向固定法,可以减小镜面的变形峰谷值;三点支撑的夹持方式的镜面变形介于两者之间,镜面的对称性不如前两者。但它具有定位精确的优点,在实际中应用较广泛。
从最大应力的计算结果可以看出,腔镜内部应力以压缩应力为主,不同的夹持方式下最大应力发生的位置不同,但应防止由固紧夹具造成的预应力对腔镜的破坏。
在实心硅镜的夹持方式试验中,证明压弹簧圈法比压板法具有更小的镜面变形量,但压板法的镜面倾斜角小于压弹簧圈法,三点锥孔定位的夹持方式既能够有效减小镜面倾斜,又可以控制镜面变形量。
参考文献:
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本文作者：余文峰, 孙 峰, 程祖海, 刘倚红, 周次明, 张耀宁
