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第 27 卷第 1 期 强激光与粒子束 Vo l. 27 , No.1 2015 年 1 月 HIGH POWER LASER AND PARTICLE BEAMS Jan. , 2015 变形镜受热变形引起的波前睛变仿真及补偿铃 牛志峰， 郭建增， 周小红 (中国船舶重工业集团公司第七一八研究所，河北懈梆 056027 摘 要: 针对变形镜自身受强激光辐照后热变形问题，利用 ANSYS 的多物理模型建立了变形镜的热机 械模型并进行了计算。针对受强激光辐照后变形镜吸收了部分热量并产生了 0.9μm 的变形量，根据该变形镜 热畸变分布特征，提出了一种利用补偿镜对热畸变进行补偿的方法，即在一个薄型镜面背后用一些约束头固定 构成补偿镜，放置在变形镜的后续光路中。约束头在补偿镜上的位置与极头在变形镜上的位置对应错开分布。 对三种不同形状约束头的补偿镜进行了计算，补偿后综合变形量降低到 0.35 ， 0.32 和 0.40μm。利用光束传 输因子也PF)对理想光束通过补偿镜后的效果进行评价，结果表明通过三种补偿镜后 BPF 值从 O. 906 提高到 了 0.966 ， 0.971 和 0.957. 进一步的计算表明，补偿效果受约束头尺寸的影响较小。 关键词: 变形镜F 热变形p 波前畸变补偿z 强激光辐照z 补偿镜 中国分类号: 0439 文献标识码:A doi: 10. 11884/HPLPB201527. 011010 变形镜作为自适应光学系统的关键部件在校正光束波前相位方面取得了广泛的应用，包括成像光学、激光 探测、激光生成等。其基本原理是利用镜片背面的驱动元件使变形镜面型按照需要发生形变，以对畸变的波前 进行补偿，从而改善光束的传输特性。多年来变形镜技术得到了大量的研究，主要集中在变形镜的波前复原算 法、校正误差、校正能力、应力控制、放置位置以及制造工艺等方面[叫。为了便于面型调节，变形镜的镜面通常 做得比较薄。冯友君等在大口径薄型镜支撑和对低频波前补偿的方面进行了研究协10J 。当镜片运用在强激光 环境时，会吸收一部分能量并产生热变形。为此，余文峰等研究了夹持方式对镜面热变形的影响川。贺敏波 等研究了镜片热变形问题的尺度率[12J 0 Morse 等口3J 对一种薄膜变形镜的热机械特性进行了研究，结果表明镜 面热变形对远场光束质量有不可忽略的影响。 Bruchmann 等〔叫研究了另一种变形镜的热机械特性，并提出了 一种补偿变形镜自身热变形的措施。 Griffith 等[15J 提出了一种对变形镜进行冷却的方法，以降低镜面的热变 形。 Morse 等问的研究只考虑了变形镜薄膜中心点附近的变形，本文则对镜面整体热变形的分布进行分析， 并建立一种变形镜模型，计算其热变形分布状况;提出了一种根据变形镜热变形分布特征进行补偿的方法，并 对比分析了补偿前后理想光束通过变形镜的远场环围能量分布情况。 1 变形镜热分析模型 图 I 为自适应光学系统的原理图，激光器产生的初始激光束含有一定的像差，利用光束探测器测得波前信 息，经过计算机按特定算法处理后给变形镜发出指令，通过变形镜背后的驱动机构使镜面发生特定的形变，使 经过变形镜反射后光束的像差得到补偿。 变形镜的背后一般采用压电陶瓷进行驱动，其驱动极头按一定的排列方式固定在镜面的背后。这些极头 的固定会对镜片产生约束。在试验中观测到当变形镜受到强激光辐照时，其表面会吸收一部分能量致使温度 升高，镜面会因约束的存在产生不规则的热变形。光束通过热变形的镜面反射后，产生了与变形镜极头阵列位 置对应的高阶像差。 为了研究这些高阶像差的表现形式和补偿方法，建立了变形镜 ANSYS 有限元分析模型。假设通过变形 镜的激光束为强度分布均匀、边长为 40 mm 的方形光束。变形镜及其极头分布模型如图 2 所示，设硅材料变 形镜模型直径为 100 mm，厚度为 3 mm。变形镜极头呈方型点阵排列，为和试验用的变形镜相对应，设相邻极 头间距为 10 mmo 图 2 中方框内为激光辐照区域，共设有 4X4 个极头。由于 4X4 个极头并不能很好地控制 光束外边缘附近的光束，在光束外多设置一圈极头，