大口径与大转角压电快速控制反射镜设计与研究

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1、博士学位论文大口径与大转角压电快速控制反射镜设计与研究作者姓名：刘重飞指导教师:贾建军研究员中国科学院上海技术物理研究所学位类别:工学博士学科专业:物理电子学培养单位:中国科学院上海技术物理研究所2018年6月中国科学院大学研究生学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明或致谢。作者签名：日期：中国科学院大学学位论文授权使用声明本人完全了解

2、中国科学院大学有关保留，使用学位论文的规定，即：学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存学位论文。本人同意《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》出版章程的内容，愿意将学位论文提交《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社，编入CNKI学位论文全文数据库并充实到“学位论文学术不端行为检测系统”比对资源库，同意按章程规定享受相关权益。保密论文在解密后遵守此规定。论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日Designandresearchonpiezoelectricfast

3、steeringmirrorwithlargeapertureanddeflectionangleAdissertationsubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofPhilosophyInPhysicalElectronicsByLiuChongfeiSupervisor:ProfessorJiaJianjunShanghaiInstituteofTechnicalPhysics,Chines

4、eAcademyofSciences,ChinaJune2018摘要摘要快速控制反射镜（FastSteeringMirror，FSM），简称快反镜，是一种工作在光源或接收器与目标之间用于调整和稳定光学系统视轴或光束指向的重要部件，具有体积小、结构紧凑、精度高、带宽高和速度快等优点，已经广泛应用于空间激光通信、天文望远镜、自适应光学、航空照相像移补偿、高精度激光加工设备和运载激光系统等重要领域。发达国家在诸多领域已经有较成熟的产品，但是在技术引进方面存在对我国的相关限制。因此，本文开展具有自主创新性的快速控制反射镜系统的研究，以期提高我国相关产品的竞争力，同时填

5、补国内相关领域的研究空白。本文以大通光口径与大偏转角度的压电FSM为研究对象，从理论分析、仿真计算、实物试验等多个角度对系统进行了研究，重点突破其中的关键技术。论文的主要内容如下：1.对国内外FSM系统产品及应用进行了详尽的调研，分析比较不同FSM系统的性能参数和特点，分析总结了FSM系统研究的发展趋势、关键技术及其研究难点。分析了FSM系统的一般结构组成、主要性能指标、各组成部分的主要特性以及对性能指标的影响，分别提出了本文所要研究的大口径FSM系统1和大偏转范围应用的FSM系统2的参数指标。2.分析得出了FSM系统1的力学模型与控制传递函数，通过推导压电陶

6、瓷致动器指标与FSM参数，得到了FSM系统1最终结构模型。通过有限元仿真软件Hypermesh、Patran&Nastrsn对FSM系统1进行了静力学和动力学分析。对加工完成的零部件进行了连接装配，搭建试验平台对FSM系统1进行了静态性能测试和动态性能测试，将测试结果与理论分析结果、有限元仿真结果进行了比较，误差均在8%以内，验证了设计与分析的可靠性与准确性。3.对FSM系统2中关键的部分位移放大机构和柔性支撑进行了深入的研究，首先分析了杠杆式位移放大机构在受力后悬臂的屈曲变形和铰链的拉伸，得到了位移放大机构的理论放大倍数与位移损失公式。分析了不同铰链单元的柔

7、性支撑结构对FSM系统2性能的影响，通过优化软件I大口径与大转角压电快速控制反射镜设计与研究Hyperstudy对薄板单元参数进行了优化，得到了最佳结果。将现有FSM系统一体式结构改进为分离式单独设计，降低了柔性铰链和压电陶瓷在使用和运输过程中破坏的风险。确定了FSM系统2最终结构后对系统进行装配，并搭建试验平台对其静、动态性能进行了测试。验证了理论分析过程和仿真分析结果是准确的。4.对反射镜面形精度的改善方法进行了研究。分析讨论了反射镜两面均镀高反射膜与正面镀高反射膜背面镀增透膜两钟方案的优缺点，并试验验证了粘结剂的够粘接强度。通过优化镜片托架的结构减小了镜

8、片受热后的应力耦合，将镜面面形RMS值