用于空间快速指向机构的轻量化反射镜研究

万渊 熊恒 宋铁强 刘继桥 侯霞,*

用于空间快速指向机构的轻量化反射镜研究

万渊1,2熊恒1宋铁强1,2刘继桥1,2侯霞1,2,*

（1中国科学院上海光学精密机械研究所 航天激光工程部，上海 201800） （2中国科学院大学，北京 100049）

为了满足空间激光通信和激光雷达载荷中快速控制反射镜的使用需求，研制了一种轻量化SiC反射镜。首先，根据指向机构的使用工况和动力学响应要求，对反射镜结构的安装形式以及轻量化进行了优化设计；其次，通过有限元仿真分析，计算出反射镜的动态特性和安装使用中的面形变化，模拟出镀膜应力对反射镜面形的影响；最后，结合镀膜应力的产生机理和作用方式，在反射镜光学加工阶段预制面形补偿，解决了反射镜镀膜中面形退化问题。测试结果表明，反射镜在装配过程中的面形变化均方根（RMS）≤0.005（为波长，=632.8nm），反射镜安装后的最终面形变化RMS值为0.019，可以满足系统使用的指标要求。该反射镜的结构设计与分析流程以及镀膜加工方法可以应用到其他类似反射镜的设计与加工过程。

快速控制反射镜 轻量化 镀膜应力 有限元仿真 预制面形

0 引言

空间激光通信、空间激光遥感对激光的指向有着极高的要求，所用的光学系统往往需要快速控制反射镜（Fast Steering Mirror，FSM）对激光光束进行精准快速的定位。FSM可以通过系统输入的控制信号快速输出二维高精度的角度。目前常用的FSM驱动方式包括音圈驱动和压电驱动，其中压电陶瓷驱动的FSM具有无电磁干扰、执行分辨率高、低功耗、高速响应等优点，被广泛的应用于空间遥感、通讯等领域[1-6]。随着激光应用系统性能及应用指标的不断提升，FSM也向着更快的响应速度、更小的体积以及更高指向精度的方向不断发展。本文所研究的FSM主要应用于激光雷达领域，为了获得更好的激光探测能力，激光在出射时需要对其进行扩束，来降低出射激光的发散角，激光经扩束后其光斑直径达到40mm左右，由于反射镜与激光光束存在一定夹角，反射镜直径的实际需求为≥60mm。目前空间应用中压电驱动的FSM反射镜直径一般≤30mm，例如：欧空局研制的大气激光雷达载荷ATLID（ATmospheric LIDar）所使用的CEDRAT公司的FSM，其反射镜直径为27mm[7]；中国科学院上海技术物理研究所在空间量子通信中使用的德国Physik Instrumente公司研制的 S330.8SL型FSM反射镜，其高动态性能模式下的直径为24.5mm[8]；哈尔滨芯明天科技有限公司推出了多款快反镜产品，其中S34系列已应用于卫星激光通信中的激光束对准，其反射镜直径为25mm[9]。目前国内在大口径FSM研究方面也开展了相关工作：2016年，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研制了一种压电陶瓷驱动大口径FSM，其反射镜采用微晶玻璃材料通过背部胶粘的形式与机构相连，直径为100mm，质量为450g，该FSM已应用于激光通信地面检测验证设备中，但系统体积质量较大，不具备空间环境适应能力，目前无法应用于空间载荷[10]；2018年，上海技术物理研究所提出了一种大口径FSM，其反射镜为长轴128mm、短轴90mm的微晶玻璃椭圆镜面，与FSM驱动机构通过背部胶粘的形式相连，质量为293g，目前该FSM已完成了原理样机的研制，但在振动、温度波动等空间环境下的稳定性还有待验证[11]。对于压电驱动的大口径FSM而言，负载质量、惯量的增大会导致动态性能的降低，同时过大的负载会显著降低机构寿命及可靠性，目前国内正在研发的大口径FSM并未对反射镜的质量、安装形式等开展针对性的优化设计工作，均无法应用于实际空间工程任务中，所以大口径、轻量化反射镜的研制是目前空间应用压电陶瓷驱动FSM研发的关键技术难点。

本文根据空间激光雷达系统的应用需求，针对一种直径为65mm的FSM反射镜开展研究，要求反射镜需具备较高的轻量化和较高的动态刚度，且面形要满足安装使用要求。同时，还要考虑强激光介质膜层对反射镜面形的影响。具体来说，反射镜需要满足以下指标要求：1）质量≤35g；2）固有频率≥3 000Hz；3）反射镜面形变化均方根（RMS）≤0.02（=632.8nm，为波长）。

1 FSM结构组成及反射镜组件结构设计

1.1 大口径FSM组成

本文所使用的大口径FSM的整体结构由反射镜、镜片托架、柔性铰链、压电驱动器以及安装底座等5个部分组成，具体如图1所示。镜子安装在反射镜托盘上，反射镜通过螺钉连接并固定到支撑板上，支撑板通过4个两轴柔性铰链连接到4个压电驱动器上，压电驱动器布置在支撑板底部，并以90°的间隔固定在底座上。反射镜通过4个驱动器成对驱动，反射镜分别绕两个旋转轴进行转动。

图1 FSM结构组成

1.2 反射镜设计

反射镜作为FSM系统的最终执行单元决定了系统的执行效率，是系统中最关键的组成部分。相同驱动力的情况下，反射镜的质量、惯量越小，系统的响应速度越高，所以反射镜的轻量化设计是整个反射镜设计的关键。轻量化设计必然会降低反射镜的静态刚度和强度，其设计结果最终需要根据动态刚度和面形指标来确定。反射镜材料的选取需要利用材料综合品质比较的方法进行[10]。对于空间应用的FSM而言，对材料的比刚度以及热稳定性有着极高的要求，从表1中可以看出，碳化硅（SiC）材料具备较高的比刚度，同时也具有较高热稳定性，综合考虑最终选取SiC作为反射镜的基底材料。

表1 常见光学材料的特性

本文设计了一种采用中心支撑的反射镜构型，将安装面和镜面分别设计在两个平面上，通过增加中心支撑结构的轴向距离减少安装应力向镜面传递，如图2所示，反射镜采用3个M2螺钉安装到指向机构的镜片托架。考虑到FSM动态性能的要求，又对反射镜进行了轻量化设计，在反射镜背面均匀布设 3处Y型加强筋，加强筋宽度为2mm，加强筋厚度从中心向反射镜边缘逐渐减小，在减小结构质量的同时又保证了镜体的刚度；反射镜设计质量为29g，满足指标要求。具体设计结果如图3所示。

图2 反射镜与镜片托架安装示意

图3 反射镜结构示意

反射镜与镜片安装托架采用螺钉连接固定，反射镜依靠螺钉螺母的安装预紧力产生的摩擦力来进行位置固定，防止使用过程中产生相对位移。通过有限元仿真来计算螺钉安装对反射镜面形的影响，仿真工况设置如下：在施加螺钉预紧力的同时，对其中的一个安装面与托盘之间同步施加3μm的相对位移，模拟反射镜与其托架平面不匹配产生的安装变形（安装面配合形位公差优于3μm），通过Nastran静力学计算可以得到反射镜镜面各个节点的位移量，采用基于Zernike多项式的数据处理算法对面形数据进行处理，去除仿真过程中的刚体位移，得到反射镜面形的偏差评价指标——峰谷值（PV）和波前RMS值[12-13]。反射镜在螺钉安装过程中面形变化的计算结果如图4所示，其中面形变化PV值为0.027 2，RMS值为0.006 7。

图4 反射镜分析后面形变化值

反射镜组件的动态特性可以通过模态分析进行仿真[14-15]。根据实际的安装形式，在反射镜安装孔位一端做固定支撑约束，反射镜组件的模态振型如图5所示。

图5 前四阶模态

从图5中可以看出，反射镜组件的一阶固有频率为6 437Hz，远大于FSM对反射镜的频率设计要求（≥3 000Hz），故反射镜组件的动态刚度满足FSM使用要求，反射镜设计合理。

3 反射镜的光学加工及镀膜

3.1 反射镜镀膜后面形退化

FSM需在强脉冲激光环境下使用，对反射镜膜层的反射率和损伤阈值都有着非常高的要求，反射镜表面需要镀制相对较厚的介质膜，薄膜应力大。当这种应力施加在超高轻量化的SiC上时会对反射镜面形产生影响。本文所研制的SiC反射镜在镀膜后出现了面形退化的问题，镀膜前反射镜面形RMS值小于0.02，镀膜后面形如图6所示，面形退化成RMS值为0.73，无法满足使用要求。

图6 镀膜后反射镜面形

3.2 反射镜面形退化机制

光学薄膜在制备过程中都会存在一定的残余应力，薄膜制备中过程使用不同的镀膜工艺以及膜层材料会产生不同大小的膜层应力。由于薄膜材料本身在厚度方向的刚度相对较低，膜层只能在面内方向产生压应力和拉应力（如图7所示）[16-17]。

图7 膜层应力

按照应力产生过程以及机理，可以将薄膜内部的应力分为热应力以及本征应力。热应力主要是膜层以及基底材料的膨胀系数不一致导致，而镀膜工艺的温度与室温的温度差又具体决定了这一类应力的最终大小。膜层的热应力th可以表示为[18-19]：

本征应力用来描述薄膜在制备过程当中膜层材料的晶粒、晶界、空位产生的自身应力，以及膜层材料与基底材料之间的晶格失配所形成的应力，形成机理较为复杂，缺乏相对完整的理论支撑，所以目前薄膜的残余应力无法通过理论计算进行完整求解。通常情况下，薄膜的残余应力可以结合光学检测手段来检测比较镀膜前后的面形变化量，并对其进行估算，但仅限于常见圆柱型基底反射镜。薄膜残余应力的计算公式为

3.3 基于层合板理论的镀膜残余应力仿真

本文通过有限元仿真模拟薄膜残余应力对反射镜的影响。在仿真过程中，热应力可以通过在仿真模型上施加薄膜制备温度相对于室温的温度差值来进行仿真计算，本征应力和热应力在本质上都表现为膜层的拉张力，计算中可以将本征应力等效为一定量的热应力进行仿真计算。文中所使用的薄膜由多层Ta2O5以及SiO2制备而成，在有限元模型中膜层通过壳单元中的层合板进行模拟，铺层形式如图8所示。反射镜本体采用实体单元进行有限元网格划分，膜系应力仿真有限元模型如图9所示。

图8 薄壳单元中膜层分布形式

图9 有限元模型

薄膜制备过程中实验室环境温度为20℃，反射镜在镀膜制备过程中的温度为230℃，因此需要在有限元模型中将230℃的温度边界设置加载在膜层单元上。参考式（1）中对热应力的表述，将模型中膜层单元中材料的膨胀系数设置为膜层材料相对基底材料的差值（即Ta2O5以及SiO2相对于SiC材料膨胀系数的差值），计算膜层的热应力引起的反射镜面形变化，结果如图10（a）所示。反射镜面形RMS值为0.43、PV值为1.59，可以看出单一热应力对反射镜面形变形的贡献在55%左右。当对膜层施加代表本征应力的等效参考温度170℃时，即在有限元仿真模型中对将镀膜温度设置在400℃，结果如图10（b）所示，反射镜面形RMS值为0.77、PV值为2.87。对比仿真计算结果以及反射镜镀膜后的实测结果可以看出：有限元分析结合等效参考温度可以较为准确地描述反射镜实际镀膜过程中的应力变化情况，两者之间的实际面形RMS值偏差小于5%，分析结果表明基于层合板理论的有限仿真模型分析精度可以满足实际工程应用的需求。

图10 反射镜镀膜面形计算结果

3.4 预制面形的加工方法

该项目用于空间激光雷达载荷发射调整机构，激光脉冲能量密度较高，膜系设计主要考虑的因素为膜系真空环境下的损伤阈值及使用寿命。由于很难再对镀膜应力进一步优化，并且反射镜背部结构复杂，无法通过背部镀膜来抵消镜面镀膜引起的面形变化。综合上述考虑，本文实现了一种加工及镀膜的制备方法，具体流程如图11所示。

图11 制备流程

加工过程中需要将反射镜基底面形精度加工至优于1/100，镀膜后对镀膜面形进行测量并计算反向面形，镀膜前需使用标准测试平片进行多次试镀，每次试镀后镀膜残余应力引起的面形变化小于1%时，对镀膜参数进行固化，确保每次镀膜产生的应力重复性满足要求。加工反向面形的过程需要对反射镜进行精确定位，反射镜面由于背部加强筋的存在导致面形存在一定的无规则性，镜面预制反向面形的过程中，除了对反射镜进行中心定位以外，需要随反射镜的旋转方向进行定位。如图12所示，将镀膜后的面形与反向面形数据进行叠加，通过调整两者之间的定位误差进行定位精度模拟计算，可以得到：当定位误差≤0.4mm时，叠加后面形精度满足优于1/100的要求。

图12 定位误差分析

实际加工过程中，在反射镜镜面进行激光打标实现几何定位，反射镜基底加工完成后在镜面进行标记，大小为0.1mm，定位精度优于0.2mm，均布在反射镜边缘，位置如图13所示。

图13 几何定位

通过以上加工工艺，最终镀膜后实现的反射镜的面形RMS值为0.018，加工过程中的反射镜面形如图14所示。文中所采用预制面形镀膜制备方法可以满足工程应用需求。

图14 加工过程反射镜面形

4 反射镜的安装测试

将反射镜安装至指向机构上，FSM反射镜及其安装后的状态如图15所示，测得反射镜面形RMS值为0.019，面形精度满足优于0.02的最终使用需求。反射镜安装后的面形结果见图16。

图15 反射镜及其安装后的状态

图16 反射镜安装后面形

5 结束语

本文根据星载激光通信、激光雷达对FSM光学口径及动态特性的要求，设计了一种中心支撑构型的轻量化SiC反射镜。通过有限元仿真模拟得到反射镜安装过程中面形变化RMS值为0.006 7，满足了反射镜安装使用要求，仿真计算得到反射镜组件的一阶固有频率为6 437Hz，远大于FSM对反射镜的频率设计要求（≥3 000Hz）。此外，还建立了基于层合板理论的镀膜残余应力仿真模型，对面形退化进行了仿真评估，计算结果偏差相对实测结果≤5%，表明反射镜设计过程中可以利用仿真方法提前评估镀膜因素对面形的影响。最终采用预制面形的加工方法实现反射镜镀膜后面形RMS值为0.018，机构安装后最终测试面形RMS值为0.019，面形精度满足空间指向机构的使用需求。该反射镜的结构设计、分析流程以及镀膜加工方法可以应用到其他类似的反射镜设计加工过程。

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Research on Lightweight Mirrors for Space Fast Pointing Mechanisms

WAN Yuan1,2XIONG Heng1SONG Tieqiang1,2LIU Jiqiao1,2HOU Xia1,2,*

（1 Aerospace Laser Engineering Department, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China）（2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China）

In order to meet the requirements of the fast steering mirror in space laser communication and Lidar payloads, a lightweight SiC mirror is developed. Firstly, according to the working conditions and dynamic response requirements of the pointing mechanism, the installation form and lightweight structure of the mirror are designed. Secondly, through the finite element simulation analysis, the dynamic characteristics of the mirror and the surface shape change in installation and operation are calculated, and the influence of coating stress on the reflection surface is simulated. Finally, combined with the generation mechanism and action mode of coating stress, the surface shape compensation is prefabricated in the optical processing stage, which solves the problem of surface shape degradation in the coating of the mirror. The test results show that the surface shape change root mean square (RMS) in the assembly process is less than 0.005, and the final surface shape change RMS after installation is 0.019, which can meet the system requirements. The structural design and analysis process of the mirror and the coating processing method can be applied to the design and processing of other similar mirrors.

fast steering mirror; light-weight; coating stress; finite element simulation; prefabricated surface shape

O439

A

1009-8518(2023)01-0117-09

10.3969/j.issn.1009-8518.2023.01.013

2022-05-12

上海市自然科学基金（22ZR1402600）

万渊, 熊恒, 宋铁强, 等. 用于空间快速指向机构的轻量化反射镜研究[J]. 航天返回与遥感, 2023, 44(1): 117-125.

WAN Yuan, XIONG Heng, SONG Tieqiang, et al. Research on Lightweight Mirrors for Space Fast Pointing Mechanisms[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2023, 44(1): 117-125. (in Chinese)

万渊，男，1987年生，中国科学院大学光学工程专业在读博士研究生，高级工程师。主要从事空间激光载荷方面的研究。E-mail：wanyuan623@siom.ac.cn。

侯霞，女，1975年生，2005年获中科院上海光学精密机械研究所光学工程专业工学博士学位，研究员，博士生导师。主要从事空间激光载荷方面的研究。E-mail：hou_xia@siom.ac.cn。

（编辑：夏淑密）