[发明专利]变曲率反射镜装置

说明书

技术领域

本发明属于光学领域，涉及一种变曲率反射镜装置。

背景技术

变曲率反射镜属于一种主动光学元件，其雏形最早可以追溯到1973年耶路撒冷希伯来大学的研究成果。此后，前苏联，德国，美国、法国等均围绕变曲率反射镜技术开展了大量的研究和原型装置的研制工作，中国科研人员近些年来也加入到了该领域的研究当中。

变曲率反射镜有两个主流的应用领域。其一是提升高能激光器的输出光束品质；其二是实现无运动部件光学变焦。高能激光器工作时的高功率会在谐振腔内产生极高的温度，从而使谐振腔窗口玻璃发生热变形而引入球差及离焦，进而恶化输出光束的品质。变曲率反射镜能够通过改变自身的曲率半径对热透镜效应引起的球差及离焦进行有效补偿，从而达到提升激光器光束品质的目的。传统变焦技术，无论是机械补偿式还是光学补偿式都依赖镜片或镜组之间的相对运动，在一定程度上限制了其在对空间、功耗以及稳定性等方面要求苛刻的领域中的应用。变曲率反射镜的出现为实现无运动部件变焦提供了技术上的可能性，简言之，反射镜曲率的变化对应于光焦度的改变，而局部元件光焦度的微小变化则可以通过光学杠杆效应光学设计被放大为系统焦距的大幅度改变。

反射镜曲率变化的机理根源在于薄板弹性理论。相关文献表明，目前有以下两种能够实现曲率变化的方式。第一，单驱动点直接作用于反射镜中心有限大小的区域上(该区域等效半径远小于反射镜半径)。根据薄板弹性理论，这种驱动方式在全反射镜口径范围之内既不能产生球面变形，也无法产生抛物面变形，且驱动力越大，与曲率变化所要求的理想面形改变相差就越远，因此实际中很少使用。第二，利用驱动环与支撑环两环结构，通过环形线接触负载驱动实现曲率的变化。如图1以及图2所示，这种驱动方式有两种物理上的实现形式。在第一种方式中，驱动环的一端是实体表面，另外一端则是空心的，采用单点驱动直接作用于实体表面一端的中心区域，通过实体表面端和驱动环环壁对驱动力的传导来实现反射镜曲率的变化。第二种方式中，驱动环的两端都是空心的，多个驱动器均匀分布在驱动环上，并通过驱动环环壁的作用将驱动力沿驱动器的中心轴传导到反射镜上，从而实现曲率的变化。由薄板弹性理论可知，环形线负载驱动在驱动环覆盖的区域之内能够实现完美的抛物面面形，而在驱动环之外由于剪切力的影响会叠加其他的面形模式。尽管如此，为了消除边缘效应，利用遮拦屏蔽20％以上的反射镜边缘之后，就能够基本满足曲率变化的要求。

如果说耶路撒冷希伯来大学代表了变曲率反射镜研究的起点，那么美国则成为了当今该领域研究的领跑者。美国Sandia国家实验室正是利用上述环形线负载驱动实现反射镜曲率变化的。之后，中国的多个科研机构都仿效类似的机理进行了原型装置的研制，但是存在共性的几个问题：

1)环形线负载驱动依然属于直接接触式力驱动，必然在反射镜的表面引起应力累积。当反射镜的口径及径厚比较小时，这种应力累积不足以破坏面形精度；而当反射镜的口径及径厚比较大时，反射镜表面应力的累积将对面形精度的保持形成严重的阻碍。

2)在环形线负载驱动模型中，驱动环的半径不是任意选取的。研究表明，过小的驱动环半径会会使曲率变化模型逐渐向单点直接接触式驱动模型转变，不利于理想曲率变化所需面形的产生；而过大的驱动环半径则要求驱动环产生更大的驱动力，更大的驱动力会加剧反射镜表面应力的累积，不利于面形精度的保持。因此驱动环的半径应该得到优化。

3)环形线负载模型要求反射镜的边缘处于简支状态(只限制位移，不限制转动)，而最简单的实现简支的方法就是令反射镜与支撑结构之间相互独立，反射镜沿其与支撑结构的接触位置允许自由伸缩。然而，这种方式要求反射镜、驱动单元与镜筒的中心轴高度共线，否则当反射镜曲率变化时，反射镜与镜筒之间就会产生间隙，三轴之间的不共线会使反射镜沿与中心轴垂直的平面侧向滑动，从而引入非对称的驱动，进而破坏反射镜的面形精度。此外，如果发生侧向滑动，就意味着反射镜在一些位置处还会受到来自镜筒结构的挤压，会更加恶化反射镜的面形精度。因此，在满足简支条件的前提下，应该解决反射镜形变过程中的位置稳定性问题。

4)在反射镜、驱动单元与镜筒之间高度共线的假设下，在实现了驱动环半径优化的条件下，机械接触式驱动方式产生的反射镜表面的应力累积依然不能消除，而且随着所需中心形变的增大，应力也将同步增大。因此，应该在曲率变化的结构当中引入面形精度的后期调整。