地基大口径望远镜主镜热控的设计原则及方式

热问题贯穿了望远镜设计的各个方面,而且随着望远镜口径的增大,温度对望远镜的工作性能和稳定性的影响也越来越明显。望远镜的主镜作为望远镜系统中关键的光学元件,对望远镜的成像质量有着重要的影响,为了克服主镜视宁度对望远镜成像质量和望远镜主镜温度梯度导致的热变形对望远镜成像质量的影响,对望远镜主镜温度进行合理地控制显得十分的必要和重要。本文结合国外大口径望远镜,详细论述了现代望远镜主镜热控的原则,总结了望远镜热控设计的方法,并进行了相应的探讨,为今后的大口径望远镜的主镜热控设计提供一定的参考价值。     

空间太阳望远镜主光学望远镜热效应分析

空间太阳望远镜(SST)直接对日成像,其1m口径的主反射镜(MOT)接收到的上千瓦热量将严重影响望远镜的成像质量,因此必须进行热控设计以确保SST的性能.首先讨论了SST主镜筒内的热状况,分析了对日观测时主镜筒内的热流分布情况;然后根据SST轨道参数计算望远镜的空间轨道外热流状况;在此基础上提出了相应的热控措施,并使用...     

地基大口径望远镜热控技术

温度是影响地基大口径光电望远镜性能的重要因素之一。望远镜系统的任一环节存在过大温差或者温度梯度,都会降低望远镜的成像精度和跟踪性能。为了提高望远镜系统在工作时的性能和稳定性,需要对其进行全面的热控分析和设计。从望远镜防护圆顶内的环境温度控制、跟踪架结构的温度控制以及望远镜主镜温度控制等多方面入手,对各个环节进行了热控方法的研究和论述。针对所有环节中各种不同的结构形式都给出了详细的热控设计方案。这些措施可以很好地保持望远镜系统温度与外界环境温度相平衡,解决温度对整个望远镜系统的影响。该研究结果对于大口径望远镜的热控设计有一定的参考价值。     

地球静止轨道甚高分辨率成像系统热控方案

地球静止轨道甚高分辨率成像系统利用薄膜衍射成像可实现对地1 m分辨率。成像系统中的索杆铰接式伸展臂尺寸较长、变形精度要求高,主镜尺寸较大、厚度较薄,系统成像质量对镜面变形要求高,使得伸展臂和主镜的热控成为系统热设计的难点。在调研国内外可展开式遮光罩技术和大口径薄膜镜面热控技术的基础上,对地球静止轨道甚高分辨率成像系统的伸展臂和主镜进行了初步热分析,给出了系统热控方案。分析了可展开式圆锥形遮光罩在四种极端工况下的温度分布,确定了热控方案的可行性。     

望远镜主镜面形误差的结构函数分析方法

望远镜主镜面形误差的指标制定、分析以及评价方法对主镜加工具有重要的指导意义。提出一种结构函数分析方法,利用它分析了大气湍流对望远镜系统成像质量的影响,制定出主镜面形加工误差的指标要求;通过建立泽尼克多项式与结构函数的直接转化关系,实现了对主镜面形误差的有效评价,给出了具体的转化步骤及结果;通过巨型麦哲伦望远镜(GMT)实例对分析过程进行了具体说明。结构函数分析方法与整镜均方根(RMS)波像差等方法相比,能更准确及完善地评价望远镜主镜的面形误差,对镜面加工更具指导意义。     

大口径望远镜主镜支撑结构研究

主镜是望远镜系统的重要组成部分之一.随着其口径的不断增大,望远镜的重量也随之加大,自重、热变形等问题将对主镜镜面的面形精度产生一定的影响.因此,在保证系统精度的同时,要尽可能的减少结构重量,所以在设计阶段就要根据光学系统的技术要求及影响因素对主反射镜的支撑方案进行综合考虑和全面分析,使其结构设计更为合理.根据大口径望远镜系统主镜结构设计的要求,利用结构分析软件,建立结构分析模型,来确定主镜支撑方案.详细分析了大口径望远镜主镜支撑的各方面技术.     

空间太阳望远镜主光学望远镜内遮光罩热效应

空间太阳望远镜（Space Solar Telescope，SST）主光学望远镜（Main Optical Telescope，MOT）口径达1 m，以2.81.5有效视场对日成像，将获得0.1～0.15的图像。SST MOT对日观测时所接收到的热量超过千瓦，成为影响望远镜成像质量的主要热源和杂散光源。为此，文中首先探讨了大口径太阳望远镜热设计与消杂光设计的特殊关联。然后，针对主镜筒内消杂散光的内遮光罩结构提出了热兼容设计，确定了内遮光罩结构热-杂散光效应集成设计的目标与评价体系。借助热分析软件获取SST MOT因内遮光罩结构参数变化引起的系统温度的变化趋势，从热控角度对内遮光罩结构的设计提出了建议:内遮光罩结构的垂直高度不宜超过400 mm。探索的内遮光罩结构热-杂散光效应集成分析方法也可为其他太阳望远镜的综合优化提供参考。     

超大口径在轨组装红外望远镜遮阳罩热设计

超大口径在轨组装红外望远镜体积大、工作温度低,各组装模块间存在相互干扰,传统热控手段不能完全满足其热控需求。为达到热控指标,分析、利用日地-L2点轨道外部热环境特性,设计了一个面向超大口径在轨组装红外望远镜的五层遮阳罩。使用UG软件建立了该望远镜有限元模型,并进行了仿真分析。结果显示:来自太阳的1 296 W/m2的热辐射经过遮阳罩的遮挡后,到达低温区的辐射强度降低到0.036 W/m2,望远镜在遮阳罩展开后约210天时通过辐射被动制冷降温至50 K以下,满足热控需求。该设计为未来我国建造超大口径空间望远镜进行了热控技术探索,具有一定的参考价值。     

地球静止轨道空间星载激光通信光学天线热控技术

光学天线作为空间激光通信系统中的核心组件,应具有较好的温度场稳定性和均匀性。较大的天线口径和地球静止轨道空间外热流的复杂聚变,增大了天线温度场热控技术的难度。根据光学天线的构型特点和外热流的变化规律,基于光机热一体化协同设计,将空间高效热防护技术与光学镜面辅助热控技术相结合,实现了对大口径光通信天线温度场的稳定性与均匀性的长期精稳控制,并通过热实验进行验证。实验结果表明,强日照期对天线采取避光策略时,满足光通信天线温度场指标要求的时长大于14.3h/d,温度稳定控制在21.4~26.2℃范围内,主镜自身热差不大于1.3℃,主镜与次镜之间的热差不大于3.8℃,这些结果均高于稳定性与均匀性的指标要求。     

大口径望远镜主镜径向偏心误差检测技术北大核心CSCD

为保证大口径望远镜主镜在加工、镀膜和装调过程中的径向公差要求,提出一种基于图像处理的实时检测大口径望远镜主镜径向偏心误差的方法,利用光学成像系统对沿轴线运动的主镜的内孔和固定于主镜支撑结构底座的参考孔进行成像,通过边缘提取和质心算法计算主镜相对于支撑结构的径向偏心误差。经实验验证,该方法可实现对主镜径向偏心误差的实时测量,且测量精度满足主镜的径向公差要求。     

液体激光系统流场特性对热畸变的影响

液体介质的循环流动为消除激光系统的热效应提供了有效途径,对改善激光系统的光束质量具有重要意义.根据液体介质的流场特性,结合Fluent6.53软件模拟计算,分析了抽运区介质流速、湍流强度与附面层厚度、温度扰动的关系及时激光热畸变的影响.增大抽运区介质流速能有效减小热畸变和附面层厚度;在给定抽运条件下,采用光阑限孔的方法进一步减小热畸变,流速为20 m/s时的光程差(OPD)最人差值由 10个波长下降到5个波长.     

外场热环境作用下地基望远镜温度分布预测

为研究外场复杂热环境对望远镜温度分布的影响,采用有限单元法,建立某全天候工作的激光通信地面站地基望远镜数值仿真模型。首先对望远镜主体进行稳态热分析,研究其在外场热环境作用下温度分布;再对主次镜进行瞬态热分析,研究其在通信时段与非通信时段温度变化。分析表明：冬夏两季望远镜最大温差为25.839℃,小于设计指标,证明望远镜能够在动态变化的外场环境中稳定通信;主次镜温度变化相较于舱内环境温度具有明显滞后性且幅值更低,在后续热分析中能够针对不同时刻正确设置主次镜温度边界条件,避免使用较高的舱内环境温度等效主次镜温度;通信前半小时打开舱门主次镜与环境温差不足以降低到2℃以下,建议设计合理热控措施,缩小舱内环境温度与外场环境温度差距,以保障望远镜通信质量。     

Influence of heat transfer on thermal effects of the endpumped laser crystal

A thermal model of crystal is established. The temperature field differential equation of the diode-end-pumped laser crystal with circular cross-section and new boundary conditions, in which the convection heat transfer is supposed to exist between laser crystal ends and air, is established. The analytical expressions of temperature field, thermal distortion and additional optical path difference (OPD) of crystal are obtained. By numerical calculation, the influence of heat transfer on the thermal effects of laser crystal Nd:YAG is studied. Results show that crystal’s thermal effects, including temperature field, thermal distortion, OPD and thermal focal length, are all weakened as the heat transfer through ends of crystal is strengthened. This conclusion could be used to control thermal effects of laser crystal and improve laser working stability.     

不同环境下光强起伏测量与传输特性研究

利用大孔径闪烁仪对公路环境和近海面环境进行了 4次链路长分别为1.4km和0.9km的激光传输 特性测试, 研究激光在两种环境下的传输特性以及它们之间存在的差异。在实测数据基础 上,分析了大气折射率结构常数和Rytov方差的变化规律,得出公路环境与近海面环 境下湍流强弱程度和光强起伏程度的差异;通过对孔径平均效应影响下的光强信号 分析,研究了不同传输环境下激光的传输特性。本文所得到的结论将有助于大气光学研究 以及无线光通信系统设计。     

基于曲率/斜率混合传感的镜面视宁度检测方法

随着光学元件的口径增加,无论是在加工检测还是在站址观测过程中,镜面视宁度的影响已经越来越难以忽略。在此情况下,研究可以定量测量镜面视宁度的方法与设备就显得十分重要。基于曲率/斜率混合传感策略,结合冷冻湍流假设实现镜面视宁度评价在时-空域上的转化,实现对镜面视宁度大动态范围的检测。首先,对曲率/斜率混合传感的基本方法进行了理论推导,并以标准化点源敏感性作为评价指标进一步分析了检测过程中的镜面视宁度变化。实验结果显示,在热扰动流场较为均匀时,镜面视宁度的影响较流场反复变化时小,由于湍流不稳定所引入点源敏感性（PSSn）为0.971 8。实验结果证明基于曲率/斜率混合传感的方法可以定量分析大口径光学元件镜面视宁度,对于后续开展的大口径系统设计优化与检测加工具有很好的指导意义。     

折反式大口径、大视场、宽光谱光学系统

在地面的目标探测光学系统多采用大口径(500 mm)同轴光学系统的前提下,系统探测的大视场和宽光谱就成了亟待解决的问题。设计了附带小口径球面透射校正镜组的折反式光学系统,利用该校正镜组校正了系统由于大相对口径、大视场和宽光谱带来的像差,使系统达到了预定的指标要求。其中只有主反射镜面形为二次非球面,设计参数也易于加工。在相应的实例要求下,用ZEMAX光学设计软件进行了优化评价,并给出了该系统的对星观测结果。该光学系统设计的口径为Ф750 mm,相对孔径为1:1.32,视场为4 ,光谱范围为500~800 nm,系统实际探测能力在15 Mv以上。该系统结构简单,均采用普通玻璃材料,成本低,成像质量良好。     

大尺寸SIC空间反射镜离子束加工热效应分析与抑制

离子束加工中从离子源射出的高速离子撞击光学反射镜表面,离子的动能转化成热能以及中和灯丝的热辐射作用,使反射镜温度急剧升高。反射镜温升过快,会导致柔性连接结构胶结部位发生不可逆的非线性变化,并且热膨胀使实际加工位置和理想加工位置发生偏移,增加了加工误差,因此需要对加工过程中产生的热效应进行抑制。提出了通过规划加工路径和增强散热的方法,增强加工过程的散热,控制反射镜的温度。针对600 mm260 mm的某主反射镜,对增强散热前后不同加工路径的离子束加工进行了研究和有限元分析。分析表明:加工路径的选择、增强散热对反射镜的温度分布有较大影响,增强散热前,采用横栅格加工路径,反射镜最高温度为35.8 ℃,对应全口径PV=/5,采用分区纵栅格加工路径,反射镜最高温度则达到52 ℃,PV=/10。增强散热后,不同加工路径离子束加工中,反射镜温度均有所下降,采用横向栅格加工路径反射镜温度最高为28.2 ℃,对应全口径PV=/20,采用分区纵栅格加工路径反射镜温度最高为41 ℃,PV=/7。通过对比,最终采用增强散热的横栅格加工路径的加工方式。对优选的加工路径进行了试验验证,试验结果与仿真结果一致。结果表明:优化加工路径,增强散热措施能够抑制离子束加工的热效应,为离子束加工热效应抑制提供理论基础。     

非均匀温度场下红外热成像仪温控系统设计

为降低外界环境温度和内部发热元件形成的非均匀温度场对红外热成像仪的成像性能影响。通过Proe和Ansys ICEPARK建立红外热成像仪的有限元模型,在红外镜头表面进行黑色阳极氧化、喷砂处理增强辐射换热,以及安装风扇增强对流换热保证高温环境时的散热,低温环境时采用热电阻进行温升设计,并仿真分析红外热成像仪在不同温度环境下整机内部温度分布和红外镜头温度分布情况,并利用在高低温箱的红外热成像仪来观察平行光管中的靶标图的成像质量,验证温控设计的高效性。结果表明:所采用温度控制电路板对风扇与热电阻能进行温度控制,当环境温度下降至0℃和升高至30℃时,启动温控系统使红外热成像仪光学系统温度正常,保证红外热成像仪的成像质量。     

热容模式下片状激光介质的热畸变

利用有限元数值方法,模拟计算了热容模式下片状激光介质的瞬态温度分布和热应力分布及其波前畸变和应力双折射。结果表明:激光介质中的温度分布和热应力分布与抽运光斑及介质的几何形状密切相关。当抽运光斑未充满激光介质时,介质的表面靠近边缘处会出现大的拉应力集中,并且介质中最大拉应力和表面的最大轴向位移随抽运光斑尺寸缩小而增大;而当抽运光充满介质时,表面是压应力,较小的拉应力存在于介质内部。介质变形和热光效应(折射率随温度变化)是产生波前畸变的主要原因。热应力双折射对光束产生较大的退偏作用,从而影响激光器的输出性能。     

圆棒Nd:glass热容激光器的热过程半解析分析

建立了基于Nd:glass热容激光器的热传导模型,利用半解析热分析理论,对于给定的边界条件和初始条件,分别求解出泵浦阶段和冷却阶段时圆棒Nd:glass晶体的Poisson方程的解,得出圆棒Nd:glass晶体的温度场、形变场以及由端面热形变引起的热焦距、附加光程差的计算公式。研究结果表明:当泵浦总功率为2kW,4阶超高斯分布LD对Nd:glass晶体泵浦4s时,获得泵浦阶段圆棒Nd:glass晶体最高温升67.10℃,最大形变量为35.45μm,中心处附加光程差为5.677μm。冷却阶段圆棒Nd:glass晶体冷却800 s后中心最大热形变量为0.943μm。为优化热容激光器提供了理论依据。