激光核聚变系统大口径高精度反射镜镜架设计的研究

摘要

大口径高精度反射镜主要应用于空间光学领域，其目的是提高空间光学仪器的地面分辨率，其研究内容主要集中在如何减轻反射镜质量，提高反射镜的轻量化率，同时又能减小反射镜镜面变形，保证所要求的光学性能。而其另一重要用途是应用于惯性约束聚变领域，以提供高能激光传输通道，从而提高惯性约束聚变的输出功率。 目前，国内外惯性约束聚变的研究都还处于实验室研究阶段，但其输出功率量级不断提高，并取得了一系列重要的靶物理研究成果。在这个多种学科、多种技术综合集成的系统中，光束传输过程长，转换级数多，以极高精度聚焦到微型聚变靶丸上，瞄准精度超过1.5″。因此对整个系统的机械结构有严格的要求，尤其是对靶场系统的要求。靶场需多台大口径的伺服反射镜，既要保证激光传输过程的的质量，而且要以不同的角度分布安放在桁架上，反射镜和桁架结构的稳定性和调整精度都要满足秒级要求。因此，较小的波前畸变和精密调整的实现是ICF用大口径高精度反射镜设计中需要解决的两个关键技术问题。利用CAD/CAE软件，通过建立几何模型、装配模型、有限元模型，对ICF用大口径高精度反射镜设计中关键技术进行研究，并通过虚拟设计从理论上证明工程上的可行性，可以为工程设计、制造提供指导。 本文研究的内容包括：①介绍了大口径高精度反射镜的应用和研究动态。②对国内外ICF系统的现状和发展趋势作了简要介绍，并对某型ICF原型装置用阵列腔镜和传输反射镜的工作特点和技术特点进行了分析。③对该系列反射镜支撑方案进行了研究。反射镜采用单框架式、三点支撑调整结构实现两维角度调整，以波前畸变为指标，应用CAD/CAE软件—I-DEAS10，通过优化设计和有限元分析，确定了反射镜支撑方案、过渡框结构和高性价比的材料。④对过渡框结构进行了轻量化方案的研究。⑤提出了一种新型精密调整结构。具有体积小、调整灵敏度高、稳定性好、能有效避免调整中反射镜镜面调整中心和光束中心之间发生漂移的特点，可供各种工作角度的反射镜进行精密微量调整。⑥通过采用虚拟设计对调整机构和反射镜原型样机进行了设计。